ТЕХНОЛОГИИ ОТХОДОВ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СЕРВИСЕ

Раздел: Технологии и производство

Для проектирования завода, удовлетворяющего эколого-экономическим требованиям, необходимо обладать достаточно фундаментальными знаниями о потенциально опасных ингредиентах, содержащихся в отходах и образующихся при их сжигании, а также их поведении в процессе сжигания.

Твердые бытовые отходы представляют собой гетерогенную смесь, в которой присутствуют почти все химические элементы в виде различных соединений.

Наиболее распространенными элементами являются углерод, на долю которого приходится около 30% (по массе), и водород (4% по массе), входящие в состав органических соединений; теплотворная способность отходов во многом определяется именно этими элементами. В промышленно развитых европейских регионах теплотворная способность ТБО составляет 1900-2400 ккал/кг, достигая в ряде случаев 3300 ккал/кг; прогнозируется дальнейший рост теплотворной способности отходов, что окажет влияние на конструктивные особенности элементов термического оборудования.

Сжигание ТБО, как правило, является окислительным процессом, и в камере сжигания превалируют окислительные реакции. Главными продуктами сгорания углерода и водорода являются, соответственно, С02 и Н20; при неполном сгорании (условия недожога) образуются нежелательные продукты - монооксид углерода СО, низкомолекулярные органические соединения, полициклические ароматические углеводороды, сажа и др.; аналогичные соединения могут быть продуктами реакций, происходящих в зоне более холодных элементов оборудования (например, на выходе из печи, на стадии газоочистки и т.п.).

При сжигании необходимо учитывать, что в ТБО присутствуют потенциально опасные элементы, характеризующиеся высокой токсичностью, высокой летучестью и повышенным содержанием: различные соединения галогенов (фтора, хлора, брома), азота, серы, тяжелых металлов (меди, цинка, свинца, кадмия, олова, ртути).

В условиях сжигания ТБО галогены преимущественно находятся в форме их соединений с водородом (НС1, HBr, HF), являющихся наиболее устойчивыми продуктами сгорания.

Сера преимущественно (до 70%) переходит в нелетучие сульфаты, попадающие в шлак, и в летучий диоксид серы S02.

Все летучие продукты реакций попадают в дымовые газы. В неочищенных дымовых газах примерные концентрации выбросов составляют (мг/м3): HCI - 300 - 1000, НВг - 100-500, HF - 2-10, S02 - 100-500.

Сухие ТБО содержат около 1% азота (по массе). Основной продукт окисления азота - монооксид азота NO, его обычная концентрация в неочищенном газе - 200-400 мг/м3.

Некоторые содержащиеся в ТБО тяжелые металлы (железо, хром, никель) не образуют летучих продуктов при сжигании и в основном переходят в шлак.

Сравнительное содержание ряда опасных элементов в ТБО и земной коре

Из тяжелых металлов свинец и кадмий образуют хлориды, уносящиеся с дымовыми газами. При охлаждении дымовых газов до 200°С они конденсируются и улавливаются вместе с золой на стадии газоочистки. В то же время один из наиболее токсичных металлов -ртуть и ее соединения остаются главным образом в газовой фазе и при более низких температурах.

За последнее десятилетие содержание в ТБО тяжелых металлов резко повысилось за счет отработанных сухих гальванических элементов, аккумуляторов, ламп накаливания, люминесцентных ламп, синтетических материалов (красители, стабилизаторы), металлических покрытий кожи и др. По данным практики Германии, в 1 т ТБО в среднем содержится 300 г сухих батарей, и в ТБО города с населением 0,5 млн. человек накапливается ежегодно около 50 т лома сухих батарей. Содержание ртути в этом ломе колеблется в пределах 1-25%, в ломе никель-кадмиевых аккумуляторов содержится около 15% кадмия. Общее содержание кадмия в ТБО Германии составляет 10-15 мг/кг (основные источники кадмия - синтетические материалы и батарейки).1

По данным, поученным в США, главным источником свинца в ТБО (и, соответственно, в газовых выбросах при сжигании отходов) являются: 65% - свинцово-кислот- ные аккумуляторы (преимущественно автомобильные), 27% - потребительская электроника, 4% - стекло и керамика, 2% - пластмассы (температурные стабилизаторы и красители), а источником кадмия: 54% - бытовые гальваноэлементы (отработанные батарейки), 28% - пластмассы, 9% - потребительская электроника, 5% - другие бытовые приборы (моечные машины и т.п.), 4% - красители; основной источник ртути - отработанные батарейки.

При сжигании ТБО 90% кадмия попадает в дымовые газы и осаждается в основном на мелких (менее 2 мкм) частицах летучей золы. Поэтому при газоочистке задача во многом сводится к максимально полному улавливанию летучей золы, которая характеризуется высоким содержанием не только кадмия, но и свинца и других металлов.

По данным практики, концентрация металлов в отходящих газах при сжигании исходных ТБО в 10-100 раз превосходит концентрацию металлов в отходящих газах энергетических установок, работающих на каменном угле, т.е. тяжелые металлы являются специфическими выбросами мусоросжигательных заводов.

 В процессе сжигания ТБО, особенно в условиях недожога, образуются весьма токсичные соединения - полихлордибензодиоксины и поли- хлордибензофураны, структурные формулы которых приведены ниже:

 Существует два принципиальных механизма образования диоксинов и фуранов:

•          из углерода в процессе его окисления при избытке кислорода в присутствии соединений хлора (и брома) и соединений меди как катализаторов (в реакции практически участвуют углеродсодержащие частицы летучей золы, хлориды, источником которых могут быть хлорсо- держащие пластмассы типа ПВХ, бромсодержащие составы, присутствующие в электронном ломе в качестве антивоспламенителей, и соединения меди);

•          из соединений, которые уже имеют похожую структуру, например, хлорбензолов и хлорфенолов (содержание, например, гексахлорбензола в ТБО невелико - 0,0005 г/т, но иногда достигает 0,014 г/т).

Можно отметить два основных пути образования диоксинов и фуранов при термической переработке ТБО:

•          первичное образование в процессе сжигания ТБО при температуре 300-600°С;

•          вторичное образование на стадии охлаждения дымовых газов,

содержащих HCI, соединения меди (и железа) и углеродсодержащие частицы при температуре 250-450°С (реакция гетерогенного оксихлори- рования частиц углерода).

Температура начала распада диоксинов - 700°С, нижний температурный предел образования диоксинов - 250-350°С.

Для того, чтобы обеспечить на стадии газоочистки снижение содержания диоксинов и фуранов до требуемых норм (0,1 нг/м3), при сжигании должны быть реализованы так называемые первичные мероприятия, в частности, «правило двух секунд» - геометрия печи должна обеспечить продолжительность пребывания газов не менее 2 сек. в зоне печи с температурой не менее 850°С (при концентрации кислорода не менее 6%).

Стремление к достижению при сжигании максимально высоких температур и созданию каких-либо дополнительных зон дожигания не решает полностью проблему снижения концентрации диоксинов в отходящих газах, так как не учитывает способности диоксинов к новому синтезу при понижении температуры. В то же время с увеличением температуры увеличивается выход летучих металлов и их содержание в летучей золе (особенно с увеличением содержания в сжигаемых отходах хлорорганических веществ).

Теоретически возможны два способа подавления образования диоксинов:

•          связывание образующегося при сжигании ТБО HCI с помощью соды, извести, гидроксида калия;

•          перевод в неактивную форму ионов меди и железа, например, связывание меди в комплексы с помощью аминов.