|
Построение технологической схемы
любого производственного процесса определяется составом и свойствами
исходного сырья, а также задачами производства. Поскольку ТБО представляют
собой гетерогенную смесь сложного морфологического состава, не существует,
как показывает анализ, какого-либо одного универсального метода их
переработки, удовлетворяющего современным требованиям экологии, экономики,
ресурсосбережения и рынка. Этим требованиям, тенденциям развития мировой
практики, рекомендациям международных экологических конгрессов в наибольшей
степени отвечает проектирование и строительство комбинированных
мусороперерабатывающих заводов, обеспечивающих использование отходов как
источника энергии и как вторичного сырья. Построение промышленной технологии
по принципу комбинации различных методов переработки отходов нивелирует
недостатки каждого метода, взятого в отдельности. Именно комплексная
переработка ТБО, как системная комбинация сортировки, термообработки,
ферментации и других процессов, обеспечивает в совокупности малую отходность
производства, его максимальную экологичность и экономичность.
Объединяющим процессом в схеме комплексной переработки ТБО
является сортировка (в том числе на основе селективного сбора), изменяющая
качественный и количественный состав ТБО. При этом повышается не только доля
повторного использования ряда компонентов ТБО, но и во многом решаются
вопросы удаления опасных бытовых отходов и балластных компонентов,
оптимальной подготовки тех или иных фракций компонентов ТБО к дальнейшей
переработке.
Предварительная сортировка оптимизирует сопряженные
производства: улучшает и ускоряет процесс ферментации органических веществ
ТБО; облегчает очистку продукта ферментации от примесей; снижает потребную
производительность весьма дорогостоящего биотермического и термического
оборудования; улучшает состав продукта ферментации, шлака и отходящих газов;
улучшает процесс сжигания; упрощает газоочистку, т.е. технология комплексной
переработки ТБО повышает экологичность и экономичность традиционной
термической и биотермической обработки ТБО.
Преимущества комплексной переработки ТБО выявляет
укрупненная эколого-экономическая оценка наиболее распростра-ненных
промышленных технологий переработки ТБО - слоевого сжигания, ферментации,
сортировки и их комбинаций.
В качестве исходных данных для анализа технологий
переработки ТБО принята условная производительность - 240 тыс. т отходов в
год (завод обслуживает около 0,8 млн. жителей).
Сравнительная качественная оценка принципиальных способов
переработки ТБО по экономическим критериям (удельные капитальные,
эксплуатационные и приведенные затраты, удельные затраты на захоронение
неутилизируемой части ТБО, прибыль от реализации продукции из 1 т ТБО)
показывает ( 5.150), что строительство заводов по технологии прямого
сжигания, а также прямого компостирования ТБО экономически наименее
целесообразно (практика СНГ). В экономическом плане, как следует из 5.150,
для переработки неразделенных потоков ТБО наиболее предпочтительны
комбинационные технические решения, в особенности комплексная переработка ТБО
(комбинация процессов сортировки, термо- и биообработки). Однако без учета
тарифов за прием ТБО все эти технологии являются убыточными. Единственной
самоокупаемой является технология раздельного сбора и сортировки отходов
нежилого сектора города и вторсырья (первый этап решения проблемы отходов).
влияние процесса сортировки на перераспределение
материальных потоков отходов между термическим и биотермическим переделами в
случае комбинации технологий (комплексная переработка отходов), что является
технически целесообразным и обеспечивает повышение экономической и
экологической эффективности производства (технология ферментации условно
рассчитана на использование биобарабанов, выпускаемых отечественной
промышленностью).
в результате механизированной сортировки исходных ТБО
выход фракции, направляемой на ферментацию, составляет около 57% от исходного
(137140 т/год при работе 305 дней в году), а фракции, направляемой на
сжигание, - около 37% (87980 т/год при работе 340 дней в году).
После очистки продукта ферментации от примесей в отходы
перейдет около 25% материала, поступившего на ферментацию, что составит 34285
т за 305 суток работы или 112.4 т/час; эти отходы направляются на сжигание.
Таким образом, в цех термообработки поступает: 87980 т/год
(из цеха сортировки) и 34285 т/год (из цеха ферментации), т.е. суммарно
122265 т/год (359.6 т/сут, или около 15 т/час). Иными словами, в случае комплексной
переработки на сжигание направляется около 50% от исходных ТБО (вместо 100%
при использовании технологии прямого сжигания исходных ТБО). Это
обусловливает сокращение потребности в весьма дорогостоящем термическом
оборудовании в два раза.
Аналогично сокращается потребность в биобарабанах для
установки в цехе ферментации. Так, при отсутствии сортировки для прямой
ферментации исходных ТБО (практика заводов СНГ) в количестве 240 тыс.т/год
(786.8 т/сут при работе в три смены 305 дней в году) потребовалась бы
установка 11 биобарабанов марки КМ101А диаметром 4 м и длиной 36 м (полезный объем 300 мЗ).
При использовании технологии комплексной переработки на
ферментацию направляется 137140 т/год обогащенной фракции отходов и к
установке требуется всего 6 биобарабанов (449.6:71=6), т.е. почти в два раза
меньше (даже без учета увеличения плотности обогащенной фракции по сравнению
с исходными ТБО).
На примере этого простого расчета наглядно выявляется эффективность
первичной сортировки как подготовительной операции в процессе комплексной
переработки ТБО (по существу, технология комплексной переработки является
универсальной, т.к. мало зависит от состава исходных ТБО).
Перераспределяя материальные потоки отходов, сортировка в
1,5-2 раза сокращает потребность в дорогостоящем термическом и биотермическом
оборудовании. В то же время капитальные затраты на саму сортировку не
превышают 8-15% от затрат на термо- и биообработку.
Для научно обоснованного выбора той или иной технологии
необходимо учитывать не только экономические, но и экологические факторы,
поскольку конечные продукты переработки и отходы производства не должны
наносить вред окружающей среде (при этом ценные компоненты ТБО должны быть
максимально использованы).
Наибольшее экологическое влияние на окружающую среду из
рассматриваемых технологий оказывают технологии прямой ферментации и прямого
сжигания исходных отходов.
При применении технологии прямого сжигания исходных ТБО
без какой-либо их подготовки и обработки с условием соблюдения
общеевропейских требований по выбросам загрязнений в воздух, годовое
количество отходящего газа при сжигании 240 тыс. т/год отходов составит около
900 млн. м3/год, при этом выбросы пыли не превысят 20 т/год, а общее
количество тяжелых металлов - 4.5 т/год.
Выбросы тяжелых металлов как основных токсичных
ингредиентов можно уменьшить за счет предварительной сортировки ТБО с
извлечением черных и цветных металлов. По данным зарубежных исследований,
предварительная сортировка ТБО на порядок снижает содержание тяжелых металлов
в отходящих газах и является важнейшим первичным мероприятием по уменьшению
токсичных выбросов.
В случае комбинации процессов «сортировка + сжигание» в
термообработку ориентировочно будет поступать 200 тыс.т/год отходов, при этом
в дымовых газах объемом 750 млн. м3/год выбросы пыли не превысят 16 т, а
выбросы тяжелых металлов - 500 кг.
При использовании технологии прямого сжигания ТБО наряду с
дымовыми газами образуются также шлак (около 55 тыс.т/год) и летучая зола (около
8 тыс.т/год); ввиду повышенного содержания в шлаке тяжелых металлов его
утилизация весьма затруднительна.
При использовании технологии «сортировка + сжигание»
количество шлака снижается до 45 тыс.т/год, а золы - до 6.5 тыс.т/год, причем
переработка шлака менее проблематична.
Основной недостаток использования технологии прямой
ферментации исходных ТБО без их предварительной сортировки и подготовки -
большое количество (не менее 70 тыс.т/год) отходов, подлежащих складированию
на полигоне, и весьма низкое качество готового продукта (он имеет плохой
товарный вид, сбывается с трудом и отличается, по данным многочисленных
исследований, повышенным содержанием тяжелых металлов). Улучшение качества
продукта ферментации связано с применением технологии сортировки ТБО перед
ферментацией (а также с совершенствованием технологии очистки конечного
продукта от примесей).
Недостатки каждого метода переработки ТБО нивелируются,
если промышленную технологию строить по принципу комбинации отдельных методов
переработки ТБО.
При использовании технологии комплексной переработки в
термообработку поступают не исходные ТБО, а их обогащенная фракция, из
которой в основном удалены металлы, причем масса обогащенной фракции в два
раза меньше, чем исходных ТБО. Отсюда резко снижается экологическое влияние
дымовых газов: их объем уменьшается до 450 млн. м3/год, а годовые выбросы
пыли не превысят 10 т и тяжелых металлов - 250 кг (фактически выбросы металлов будут значительно чиже).
Количество золы, образующейся в процессе комплексной переработки
ТБО при очистке дымовых газов, составляет около 4 тыс. т/год. Этот тип
отходов является токсичным, но в настоящее время разрабатываются методы его
обезвреживания не только с целью захоронения, но и последующей утилизации
(например, путем переработки золы в инертный стекловидный остаток, который
может использоваться в дорожном строительстве в качестве добавок к бетону,
для струйной очистки изделий); кроме того, уже разработаны термические
технологии, в которых отсутствует пылевынос (российская технология
газификации).
Таким образом, по «экологичности» отходов промышленные
технологии можно расположить в два параллельных ряда (качественная оценка):
технологии с использованием и без использования термических методов.
Технологии, использующие термические методы, в порядке
возрастания отрицательного экологического влияния располагаются в ряд:
• комплексная переработка;
• сортировка + сжигание;
• сжигание.
Соответственно, технологии, не использующие термические
методы, располагаются в ряд:
• ферментация;
• сортировка + ферментация.1
Сложнее совместить эти два ряда. Так, технология прямой
ферментации предпочтительна с точки зрения отсутствия загрязнения атмосферы,
но она связана с образованием большого количества отходов (30%). В то же
время при использовании комплексной переработки ТБО количество вывозимых
отходов составляет всего 3-8%, но теоретически существует разовая
экологическая опасность от промышленных выбросов. Поэтому по воздействию на
окружающую среду обе технологии условно можно расположить в один ряд, тогда
все технологии располагаются следующим образом:
1-2) комплексная переработка и ферментация;
3-4) сортировка + сжигание и сортировка + ферментация;
5) сжигание.
С точки зрения «экологичности» готовой продукции, все
технологии, за исключением технологии прямой ферментации исходных ТБО,
практически равноценны.
Как отмечено, по технологии прямой ферментации исходных
ТБО получается продукт весьма низкого качества, вследствие чего она является
наименее перспективной.
Поскольку по «экологичности» готовой продукции остальные
технологии условно можно считать равноценными, все технологии можно
расположить в следующий ряд:
1-4) комплексная переработка; сортировка + ферментация;
сортировка + сжигание; сжигание.
5) ферментация.
Для суммарной оценки технологий переработки ТБО можно
использовать шестибалльную систему (1-е место - 6 баллов, 2-е место - 5
баллов и т.д.) в обоих приведенных рядах. В случае разделения мест сумма
баллов за эти места распределяется поровну (например, в случае деления 1-го и
2-го мест обе технологии получают по 5.5 балла). Суммарная оценка в баллах
технологий переработки ТБО приведена на 5.151, из которого следует, что
технологии располагаются практически в тот же ряд, что и по экономическим
показателям.
Таким образом, анализ показывает, что современным
экономическим и экологическим требованиям в наибольшей степени соответствует
технология комплексной переработки ТБО. Стремление использовать для
переработки всей массы ТБО какой-то один конкретный метод, какую-то
монотехнологию (например, сжигания) приводит к неоправданному увеличению
затрат и усиливает негативное влияние технологии на окружающую среду. При
этом некоторые термические технологии (газификации, сжигания в кипящем слое)
могут быть реализованы только в схемах комплексной переработки ТБО, так как
предъявляют определенные требования к составу, крупности и теплотворной
способности сырья как объекта для переработки.
Для практического вовлечения ТБО в комплексную переработку
необходим обоснованный выбор комбинационных технических решений,
ориентированный на использование наиболее прогрессивных разработок, и их
системное объединение (исходя из характера взаимосвязей между отдельными
технологическими операциями как элементами общей системы сортировки и
переработки ТБО).
Твердыми отходами при комплексной переработке ТБО
являются: шлак (10-15% от исходного по массе), летучая зола (3-4% от
исходного, если применяется слоевое сжигание), отходы сортировки -около 5% от
исходного и инертные материалы (10-15% от исходного). Строго говоря,
отвальными отходами, требующими захоронения, являются летучая зола и мелкая
фракция сортировки (суммарно - 8% от исходного), содержащие токсичные
вещества; шлаки и инертные материалы в принципе можно рассматривать как
полупродукты и использовать, например, в дорожном строительстве, при
выравнивании поверхности, засыпке пустот на местности, в качестве пересыпного
материала в технологии свалок и т.п. Тем не менее, учитывая все возрастающие
и ужесточающиеся экологические требования и необходимость создания устойчивых
рынков сбыта, целесообразно переработать технологические отходы в
сертифицированные продукты, удовлетворяющие самым жестким нормам и правилам.
Существует несколько промышленных и близких к
промышленному применению технологий обезвреживания и переработки образующихся
отходов, в составе которых преобладают минеральные вещества.
Наиболее универсальным методом, мало- зависящим от состава
отходов, является электропереплав с последующим остекловыванием. В
остеклованной форме токсичные вещества находятся в изолированном состоянии и
не вымываются из шлака даже после его измельчения Электрообогрев обеспечивает
простоту поддержания температуры в шлаковой ванне (1400-1500°С). В
остеклованном виде материал может найти самое различное применение. По данным
ВНИИЭТО, шлаки после электроплавки отходов могут быть переработаны в
высококачественный строительный материал, в частности, из шлака можно
получить теплоизоляционный засыпной утеплитель с насыпной массой от 180 до
250 кг/м3 или пористый заполнитель конструкционных бетонов плотностью до 900
кг/м3 (технология производства основана на гранулировании шлакового порошка с
добавками и последующем обжиге гранул во вращающейся обжиговой печи).
Традиционный недостаток применения электроплавильной
технологии - большой расход электроэнергии - в условиях работы комплекса,
производящего энергию из отходов, решающей роли не играет.
Потенциально для переработки летучей золы можно
использовать технологию производства безобжиговых огнеупоров. Сущность
технологии заключается в дроблении, измельчении и смешивании летучей золы
мусоросжигательного завода с золой ГРЭС и фосфатными вяжущими (в частности, с
ортофосфорной кислотой), формовании кирпичей, их термообработке при
температуре 300-400°С и выдерживании при этой температуре в течение 4 часов.
Первые опытно-промышленные испытания на заводе огнеупоров в Новомосковске
дали обнадеживающие результаты.
Технология комплексной переработки ТБО может быть
практически безотходной при включении в технологическую схему завода
производства строительных материалов. Работы по переработке обогащенных
фракций ТБО в универсальные, экологически чистые строительные материалы
проводятся в Германии и Канаде (технологии SEKU- PLAN, Hydromex). Аналогичная
технология разработана и апробирована в России под руководством академика
М.В. Бирюкова. Применительно к ТБО сущность технологии заключается в обработке
сухой тонкоиз- мельченной фракции ТБО, обогащенной органическими веществами,
растворами минеральных вяжущих - бишофита и магнезита - и получении формуемой
массы для последующего литья под давлением, горячего прессования или
штамповки. Процесс подготовки массы обеспечивает капсулирование всех частиц
отходов и получение экологически чистых стройматериалов, обладающих
свойствами огнестойкости и биостойкости. Получение стройматериалов на
органической основе обеспечивает малую огходность (безотходность) мусороперерабатывающе-
го комплекса.
В цех переработки отходов в стройматериалы может быть
направлено около 25% ТБО, поступающих на завод.
В основе всех схем лежит механизированная сепарация ТБО
(возможно применение операции ручной сортировки крупнокусковой фракции).
Отличие технологических схем сортировки связано с реализацией операции
вторичного грохочения: в одной из схем эта операция может не использоваться,
в двух других она осуществляется по разным классам крупности (по классу 60 мм и 100 мм), что объясняется различным целевым назначением комплексной переработки ТБО (в части
выпуска готовой продукции) и экономическими соображениями (снижение
капитальных затрат на дорогостоящие переделы переработки). Механизированная
сортировка исходных ТБО и продуктов ферментации обеспечивает извлечение в
самостоятельные продукты черных и цветных металлов, выделение горючей и
биоразлагаемой фракции (последняя пригодна для ферментации и для производства
строительных материалов), а также удаление опасных компонентов (фракция -65 +40 мм обогащена отработанными сухими гальваноэлементами).
Из термических технологий наиболее рационально включать в
схему комплексной переработки ТБО отечественную технологию паровоздушной
газификации или слоевое сжигание с использованием оборудования германских
фирм. По экологическим критериям предпочтителен выбор российской технологии;
германская технология, не требующая предварительного дробления отходов, может
иметь преимущество в случае строительства завода большой производительности.
Из биотермических технологий предпочтителен выбор
ферментации (ферментативной сушки) в туннеле. В зависимости от назначения
биотермической обработки можно получать готовый для реализации продукт
(стабилизированная органическая фракция для использования, например, в
цветоводстве, при рекультивации земель и т.п.) или полупродукт (направляется
на термическую переработку).
|