Технологія процесу

Спалювання відходів та піроліз

Обсяг спалювання відходів зростає в усьому світі. Загальна продуктивність заводів по спалюванню відходів зросла з 160 до 200 мільйонів метричних тонн за рік в останньому десятилітті і очікується, що збільшиться до 240 млн. тонн на рік за наступні п'ять років. Це відповідає приблизно 20% від утворених у світі щорічно муніципальних відходів або 8-10% від всіх утворених безпечних відходів (промислових і муніципальних).

Збільшується дефіцит земель для полігонного захоронення буде вимагати, щоб нові заводи будувалися в усіх столичних регіонах світу. Області з високою щільністю населення не в змозі мати справу з постійно збільшується, обсягом відходів і все більше воліють використовувати промислове спалювання відходів. Досвід переробки відходів розвинених країн показує, що будь-які дії з відходами (від повторного використання до поховання) так чи інакше завдають шкоди навколишньому середовищу.

Головне завдання при проектуванні об'єктів переробки відходів-мінімізувати цю шкоду при існуючих в конкретному місці ресурсних обмеженнях. Великі зусилля в європейських країнах були направлені на повторне використання вторинної сировини, що міститься у відходах. Однак навіть при високому рівні селективного збору або первинного сортування залишається 80-85% неутилізованого залишку (залишкові відходи), обробка якого може йти трьома шляхами:

  • складування на полігоні (найгірший варіант з точки зору впливу на навколишнє середовище, що вимагає земельних ресурсів та супроводжується виділенням забруднюючої землю фільтрату і великого обсягу парникових газів);
  • пряме захоронення на полігонах практично заборонено в європейських країнах; механіко-біологічна переробка на спеціалізованих підприємствах з подальшими похованням істотно меншого обсягу на полігонах або термічною переробкою;
  • переробка на спеціалізованих підприємствах в електроенергію і тепло (технологія «відходи -в-енергію» або «waste-to-energy») У всіх розвинених європейських країнах (за винятком Греції та Ірландії, де поки використовується тільки полігонне поховання) застосовуються різні комбінації з цих трьох підходів.

Основні термічні технології знищення відходів

Плазмове знищення відходів також відноситься до термічних методів, але тут не розглядається, тому що масового застосування не має з ряду об'єктивних причин. Найбільш широко поширеними термо-вогневими технологіями знищення небезпечних та інших відходів є спалювання та піроліз. Знищенню піддаються органічні відходи, тобто містять або повністю складаються з вуглеводнів природного або штучного походження, а також горючі неорганічні речовини та сполуки. В обох процесах використовуються високі температури як головний засіб зміни хімічного, фізичного або біологічного характеру або складу шкідливих відходів. Але на цьому схожість методів і закінчуються.

Спалювання - процес окислення знищуваних відходів при достатньому або надлишковій кількості кисню. Висока температура, насамперед, призводить до окислення таких хімічних елементів як вуглець (С) і водень (Н), з яких складаються вуглеводневі молекули. Складні вуглеводневі ланцюги можуть містити азот, хлор, фтор, бром, йод. Окисленню підлягають також сполуки сірки, фосфору та інші речовини.

Окислення - реакція, при якій під дією температури речовина з'єднується з киснем або іншим електронегативний елементом, наприклад, галогеном або втрачає водень - у вигляді води або молекулярного водню.

Побічними продуктами спалювання є в основному вода, вуглекислий газ і зола. Негорючі матеріали, в тому числі кислоти, оксиди металів, оксиди азоту, сірки, фосфору і інші неорганічні сполуки несуться димовим газом або накопичуються в золі і шлаку.

Особливо треба сказати про горінні полімерів. Горіння полімерів являє собою дуже складний фізико-хімічний процес. Він включає в себе:

  • Хімічні реакції перетворення і окислення газових продуктів;
  • Хімічні реакції деструкції, зшивання та карбонізації полімеру в конденсованої фазі;
  • Фізичні процеси інтенсивних тепло-і массопередачі.

Реакції в конденсованої фазі призводять до двох основних типів речовин:

  1. газоподібним речовинам (пальним і негорючим);
  2. твердим продуктам (вуглецевмісних і мінеральним).

Вимоги в області охорони навколишнього середовища у всьому світі постійно посилюються. У відповідності з міжнародним законодавством - документами ООН (Програма ООН з навколишнього середовища - Підпрограма UNEP по хімічним речовинам - Методичне керівництво по виявленню та кількісній оцінці викидів діоксинів і фуранів) процеси спалювання всіляких відходів діляться на 4 класи по факторам емісії:

Клас 1: низькотехнологічних спалювання, без системи контролю забруднення повітря.

Клас 2: Контрольоване спалювання, мінімальна система контролю забруднення повітря.

Клас 3: Контрольоване спалювання, хороша система контролю забруднення повітря.

Клас 4: Високотехнологічне спалювання, складна система контролю забруднення повітря.

У разі прямого спалювання відходів виділяється велика кількість забруднюючих речовин. Тому всі сучасні сміттєспалювальні установки повинні обладнуватися високоефективними пристроями для уловлювання твердих і газоподібних забруднюючих речовин. Вартість цих пристроїв за різними оцінками сягає 30 ... 50% від вартості самої установки і капітальних витрат на будівництво разом узятих. Апарати очищення від летючої золи повинні мати ефективність не нижче 99%. Хімічне очищення від газоподібних забруднюючих речовин повинна вловлювати такі викиди, як SO2, NOх, HCI, HF та ін

Як правило, встановлення прямого спалювання не оснащуються складними і дорогими системами газоочистки або ГОУ (ГОУ - газоочисне й пилеуловлювальне установка). Найбільшим недоліком прямого кисневого спалювання є викиди в атмосферу надзвичайно отруйних для всього живого діоксинів і фуранів, які утворюються за наявності в спалюваних відходах хлорвмісних полімерів.

Піроліз (від грец. Pyr - вогонь, жар і lysis - розкладання, розпад) відбувається за відсутності або недоліку кисню з утворенням ряду інгредієнтів. Органічні речовини відходів, в т.ч. хлорсодержащие, в результаті піролізу перетворюються в суміш менш шкідливих сполук, так званий піролізний газ. Склад піролізного газу такий: чадний газ, вуглекислий газ, водородосодержащие з'єднання - пари Н2О, HCl, HF, H2S, сполуки азоту NOх та інші. Залишок - негорючі мінералізовані з'єднання або зола.

Існує два типи піролізу: низькотемпературний (400 ... 850 °С) і високотемпературний (850 ... 1200 °С). Процес низькотемпературного піролізу тут не розглядається в якості ефективного і безпечного методу знищення небезпечних відходів.

Високотемпературний піроліз

Високотемпературний піроліз дозволяє швидко розкладати тверді і рідкі відходи на газоподібні компоненти. Підвищення температури призводить до збільшення виходу газу і зменшення виходу рідких і твердих продуктів. Піроліз при температурі понад 850 ° С проводиться без розділення відходів на органічну і неорганічну фракції. Перевага піролізу в порівнянні з безпосереднім спалюванням відходів полягає, насамперед, у його ефективності з точки зору запобігання забрудненню навколишнього середовища.

Після піролізу не залишається біологічно активних речовин, тому підземне складування піролізних відходів у вигляді золи не наносить шкоди природному середовищу. Різко зменшується обсяг відходів, що піддається підземному складуванню, що, безумовно, є його перевагою по відношенню до прямого кисневого спалювання. До переваг піролізу відносяться і легкість зберігання і транспортування одержуваних продуктів. В цілому процес вимагає менших капітальних вкладень. Установки або заводи з переробки відходів (включаючи промислові, небезпечні медичні та тверді побутові) способом високотемпературного піролізу функціонують у Франції, Данії, США, ФРН, Японії та інших країнах.

Цей спосіб утилізації відходів, по суті, є не що інше, як їх газифікація. Технологічна схема цього способу передбачає отримання з органічної складової відходів вторинної синтез-газу з метою використання його для отримання пари, гарячої води, електроенергії. Складовою частиною процесу високотемпературного піролізу є тверді продукти у вигляді золи, що становлять лише 3-5% від вихідної кількості відходів. Даний метод є одним з найперспективніших напрямків переробки відходів з точки зору, як екологічної безпеки, так і отримання вторинних корисних продуктів синтез-газу, золи, металів та інших матеріалів, які можуть знайти широке застосування в народному господарстві. Високотемпературна газифікація дає можливість економічно вигідно, екологічно чисто і технічно відносно просто переробляти відходи без їх попередньої підготовки, тобто сортування, сушіння і т. д.

Характерними представниками використання методу високотемпературного піролізного знищення відходів є всі різновиди печей - інсинератор виробництва компанії «ATI INCINERATEURS MULLER» (Франція). Прикладами методу прямого кисневого спалювання відходів служать різні крематорій, одно-та двокамерні печі, відкрите спалювання в ямах, бочках. Все це - приклади прямого спалювання відходів, як правило, неконтрольованого.