Альтернативные пути энергетического использования отходов

Одним из перспективных альтернативных способов термической утилизации отходов является использование их в виде топлива в энергоемких промышленных процессах. При этом тепло от сжигания отходов расходуется непосредственно в тепловом агрегате для протекания физико-химических процессов.

Для термической утилизации отходов подходят доменные печи, высокотемпературные трубчатые печи цементной промышленности, конвейерные обжиговые машины, которые по своим конструктивным особенностям, температурному режиму, характеру конечного продукта, системе газоочистки обеспечивают необходимую экологическую безопасность. Однако на сегодняшний день законодательство в сфере обращения с отходами недостаточно развито и не обеспечивает мер поощрения и принуждения, необходимых для активного участия цементных и металлургических предприятий.

Таким образом, следует признать, что сжигание коммунальных отходов в топках современных мусоросжигательных заводов на сегодняшний день является практически единственным экологически и технически обоснованным способом их термической переработки. Безусловно, строительство таких заводов сопряжено со значительными затратами.

Далее представлены схемы оборудования, которые исследовались или могут быть использованы для термического обезвреживания и переработки различных отходов. На рис. 3.14 представлена технологическая схема реконструированного мусоросжигательного завода № 3 в г. Москве (МСЗ-3).

Рис. 3.14. Технологическая схема процесса полного сгорания отходов

на предприятии МСЗ-3 в Москве

Новое предприятие по термической утилизации отходов МСЗ-З находится в южной части Москвы, на месте существующего мусоросжигательного завода в промышленной зоне Бирюлево. Размер площадки составляет 25 тыс. м2. Старый завод начал работать в 1983 г. и проработал 21 год, после чего встал вопрос о его замене на более современный, так как завод перестал удовлетворять последним требованиям технологии сжигания отходов. Его реконструкция благотворно скажется на экологической обстановке в Москве. От старого завода остаются только несколько существующих зданий, а именно: накопитель, районная ТЭЦ, дымовая труба. После полной реконструкции МСЗ-3 станет не только самым современным, но и самым крупным из подобных предприятий города.

Реконструкцию проводила австрийская фирма AVN.

Мусоросжигательный завод (МСЗ-3) состоит из двух блоков. Каждый из них сможет принимать по 22,5 т отходов в час и при выходе на проектную мощность перерабатывать по 330 тыс. т. отходов в год. Теплотворная способность московских ТБО составляет около 7 000 кДж/кг, что позволяет вырабатывать примерно 110 т/ч пара. Энергия пара будет преобразовываться в электрическую в новой турбине, а также будет подаваться в обширную районную сеть централизованного теплоснабжения, обеспечивающую тепловой энергией около 40 тыс.

Московский мусоросжигательный завод состоит из двух блоков. Для обеспечения выхода на жесткие нормативные показатели выбросов

Л

(табл. 3.7) на каждом блоке нужно обрабатывать до 120 тыс. нм /ч отходящих газов. Обработка дымовых газов от печи сжигания отходов производится полусухим каталитическим способом. На этапе полусухой обработки кислотные составляющие (например, S02, НО и HF), органические загрязняющие вещества (например, диоксины и фураны - PCDD/PCDF), тяжелые металлы и ртуть поглощаются расходными материалами (известковое молоко, активированный уголь, бикарбонат натрия) и летучей золой. Твердые продукты реакции оседают в рукавном фильтре вместе с летучей золой.

Показатели системы газоочистки

Таблица 3.7

На этапе каталитического процесса дымовые газы подогреваются до температуры катализа с помощью газопарового теплообменника.

В технологическую схему процесса полусухой очистки дымовых газов входят полусухой абсорбер, рукавный фильтр и система рециркуляции. Кроме того, на будущее предусматривается создание системы для хранения, подготовки и транспортирования извести, активированного угля и бикарбоната натрия.

Твердые остатки, образующиеся в процессе сгорания отходов, направляются в два бункера временного хранения. В качестве поглотителей используются известковое молоко, активированный уголь и бикарбонат натрия, которые реагируют с загрязняющими веществами на всем пути прохождения дымовых газов от места сгорания до ниже расположенных рукавных фильтров, где происходит отделение зольной пыли.

Для отделения кислых загрязняющих веществ известковое молоко распыляется в полусухом абсорбере. Водная фракция полностью испаряется в абсорбере, чтобы в дальнейшем полностью исключить появление сточных вод в этом процессе. Часть удаленного остатка рециркулируется и вновь вводится в поток дымовых газов выше рукавного фильтра для сокращения потребления расходных материалов. Активированный уголь вводится для адсорбции тяжелых металлов в газообразной форме и их соединений, а также газообразных органических составляющих. Основные химические реакции в упрощенной форме можно представить следующим образом:

Смеси сульфита кальция, сульфата кальция, извести, солей от выделенных кислот (например, Са02 и CaF2 в различных гидратированных формах), а также отделенной летучей золы могут содержать тяжелые

металлы, органические загрязняющие вещества и непрореагировавшие остатки адсорбента, которые задерживаются рукавным фильтром.

Бикарбонат натрия вводится в дымовые газы для предотвращения возможных пиковых нагрузок от кислотных загрязнителей.

Дымовые газы выходят из котла и поступают на первую ступень очистки в полусухой абсорбер. Температура газов на выходе поддерживается на постоянном уровне за счет изменения температуры питающей воды на входе в экономайзер. Конструктивно верхняя часть абсорбера представляет собой спиральную камеру. В верхней части реактора создается турбулентная зона, в которой через высокоэффективную систему низкого давления с двойными соплами производится впрыск известкового молока и воды. Дымовые газы проходят через реактор в направлении сверху вниз в едином потоке с выпариваемым известковым молоком. Высота и диаметр реактора рассчитаны таким образом, чтобы за время прохождения дымовых газов впрыснутое известковое молоко полностью выпарилось и загрязняющие вещества были поглощены реагентами.

Тяжелая фракция осевших продуктов реакции уделяется из донной части абсорбера с помощью цепного конвейера.

В нижней части дымовые газы разворачиваются и покидают абсорбер вертикально, поступая на рукавный фильтр.

Продукты реакции и летучая зола отделяются от дымовых газов на рукавном фильтре, установленном ниже абсорбера. Слой продуктов на фильтрующем материале участвует во «вторичном» этапе извлечения загрязнителей.

Рукавный фильтр состоит из камеры для неочищенного газа, секции очистки газа с перфорированными стенками и фильтрующими мешками, которые подвешены в камере, неочищенного газа и пневматического оборудования для удаления пыли.

Остатки, задержанные рукавным фильтром (далее - остатки), собираются в буферном баке. Поскольку эти остатки все еще содержат большое количество непрореагировавших реагентов, для повышения буферного эффекта системы и снижения потребления расходных материалов часть их подвергается рециркуляции. В качестве среды для рециркуляции используются очищенные от пыли дымовые газы, отбираемые за рукавным фильтром. Передача остатков из буферного бака в рециркулирующий газ производится с помощью винтового питателя.

Здесь к рециркулирующему потоку добавляется активированный уголь. Рециркулирующий газ подается через канал подачи дымовых газов в рукавный фильтр. В газе содержатся остатки, и активированный уголь вступает в реакцию с загрязняющими веществами на пути в рукавный фильтр. При переполнении буферного бака остатки передаются в систему транспортировки остатков.

При пиковых концентрациях кислотных загрязняющих веществ в дымовые газы дополнительно может вводиться бикарбонат натрия. Взятый из хранилища бикарбонат натрия размалывается и передается пневматическими средствами в канал дымовых газов перед рукавным фильтром.

Для удаления NOx планируется установить систему избирательного каталитического восстановления SCR (Selective Catalytic Reduction system), принцип работы которой показан на рис. 3.15.

Рис. 3.15. Принципиальная схема работы системы селективного каталитического восстановления (SCR)

Наиболее важным элементом системы избирательного каталитического восстановления является катализатор, который содержит субстрат TiO2 в виде анатазы и такие переходные металлы, как V, W и Мо, в качестве активных центров. Дымовые газы смешиваются с восстанавливающим агентом и проходят через катализатор, где оксиды азота преобразуются в элементарный азот и воду в парообразном состоянии в соответствии со следующими химическими реакциями

N O2+NO+2NH3 — N2+3H2O;

4NO+4 NH3+ О2—— 4N2+6H2O;

2NO2+4 NH3+ О2— 3N2+6H2O.

Благодаря высокой эффективности полусухого абсорбера, удается избежать образования составляющих сульфата аммония, что дает возможность использовать низкотемпературную систему SCR.

Следы органических загрязнителей удаляются путем каталитического окисления. За счет использования катализатора необходимую для прохождения реакции температуру можно понизить до 150-350 °С. Катализатор SCR для удаления N0x был модифицирован таким образом, чтобы повысить эффективность удаления диоксинов/фуранов при одновременном сохранении эффективности удаления N0x на постоянном уровне. Ниже приводятся примеры реакций восстановления диоксинов и фуранов:

Система SCR, установленная на московском предприятии МСЗ-3, относится к низкотемпературным системам очистки газов. После прохождения через рукавный фильтр дымовые газы подогреваются газопаровым теплообменником до рабочей температуры катализатора (180 °С). Жидкий аммиак из хранилища поступает в дозатор, откуда впрыскивается непосредственно в горизонтальный канал дымовых газов за реактором SCR. Система статического смешивания обеспечивает получение однородной смеси аммиака и дымовых газов перед их входом в реактор. Дымовые газы из горизонтального канала направляются в вертикальный канал и проходят через катализатор в направлении сверху вниз. Избирательное каталитическое восстановление N0x происходит на сотовом катализаторе. Планируется установить два слоя катализатора. Один запасной слой катализатора предназначен для дальнейшего увеличения производительности установки (в случае необходимости).

Система очистки дымовых газов реконструируемого МСЗ-3 отвечает последним технологическим требованиями, соответствует высоким стандартам в области снижения уровня загрязнения окружающей среды (см. табл. 3.7), имеет хорошие показатели по потреблению энергии и расходуемых материалов, низкий уровень образующихся остатков, отличается своевременным оперативным контролем.

На мусоросжигательном заводе (МСЗ-З) установлена низкотемпературная система избирательного каталитического восстановления для денитрификации дымовых газов. Для достижения расчетной рабочей температуры 180 °С дымовые газы необходимо будет слегка подогревать. За исключением этого, потребление энергии системой будет невысоким.

Водный аммиак впрыскивается непосредственно в канал дымовых газов в распыленном виде и в течение короткого времени полностью испаряется.

До сих пор в среде специалистов все еще идут споры о том, какой из двух типов систем для очистки дымовых газов от окислов азота следует отдавать предпочтение: системе избирательного каталитического восстановления (SCR) или избирательного некаталитического восстановления (SNCR). В принципе системы типа SCR имеют явные преимущества, к которым относятся: возможность достижения эффективности восстановления более 90 %; упрощенная эксплуатация; отсутствие влияния поглощенного аммиака на качество твердых остатков и, следовательно, более широкие возможности их утилизации; сохранение эффективности при работе с неполной нагрузкой; очень незначительная утечка аммиака.

Однако следует отметить и то, что стоимость систем SCR все еще выше, чем у систем SNCR, однако ситуация резко меняется в последние десятилетия из-за снижения стоимости SCR (в 1985 г. стоимость сжигания составляла 20, а в 2005 г. - 10-15 евро/т).

Новое предприятие по термической утилизации отходов МСЗ-3 сооружено фирмой AVN в Москве на месте ранее существовавшего мусоросжигательного завода. Благодаря использованию перспективной технологии сжигания отходов в сочетании с обширной системой очистки дымовых газов для осаждения загрязняющих веществ, которые нельзя уничтожить даже при очень высоких температурах, количество выбросов будет значительно сокращено и таким образом воздух в городе станет чище. Установка для очистки дымовых газов экономична и высоко эффективна, и содержание вредных веществ в обработанных ею выбросах будет гораздо ниже предельно допустимых Европейской директивой 2000/76/EG значений.

После ввода в эксплуатацию фирма AVN продолжит эксплуатацию установки до 2019 г., а затем передаст ее городу.

В последние годы все больший интерес вызывает метод термообезвреживания отходов во вращающихся печах [33, 35, 36, 39, 41].

При сжигании во вращающихся печах, отличающихся механической надежностью, создаются хорошие условия теплопередачи от раскаленных газов к обрабатываемому материалу. Перемешивание материала и удаление золы осуществляется за счет вращения и наклона печи. Использование движущегося слоя в процессе взаимодействия системы «газ - движущееся вещество» уменьшает возможность образования застойных зон. Движение частиц создает условия для взаимодействия газа с большей поверхностью твердой фазы, чем при неподвижном слое. Во вращающихся печах возможно совместное обезвреживание жидких, пастообразных и твердых отходов. Применение во вращающейся печи метода сжигания во встречных потоках (противоточное движение в печи сжигаемых отходов и дымовых газов) обеспечивает надежное воспламенение высоковлажных отходов за счет их предварительной подсушки отходящими из зоны горения высокотемпературными дымовыми газами и хорошее озоление отходов. Возможность регулирования времени пребывания отходов в барабане печи позволяет обеспечивать их полное озоление, но поскольку отходящие дымовые газы содержат продукты неполного сгорания, печи оснащают дожигателями различного типа.

Факторами, определяющими эффективность обезвреживания, являются температура процесса и соотношение компонентов горения. Температура процесса обезвреживания зависит от состава отходов и составляет 850-1 300 °С. При рабочих температурах 850-900 °С подавляющее большинство органических соединений (спирты, кислоты, альдегиды, кетоны) становится термически нестойкими. Однако для термического обезвреживания отходов, содержащих циклические, хлорорганические соединения, полимеры, требуется температура 1 000-1 300 °С, которая создается в дожигателе дымовых газов. Полнота окисления органических веществ зависит от коэффициента расхода воздуха, который для вращающихся печей равен 1,5—2,0. Возможность образования диоксинов и фуранов при термическом обезвреживании отходов с низким содержанием хлора (менее 1 %) практически исключена вследствие того, что температура процесса выше 1 000 °С, время пребывания дымовых газов в зоне горения не менее 2 с и избыток кислорода 3 %.

Вращающиеся печи, разработанные НПФ «Техэнергохимпром» (г. Бердск Новосибирской области), длиной 12 м и диаметром 1,6 м эксплуатируются на Казанском ПО «Тасма»; длиной 18 м и диаметром 2,2 м - на ПО «Краситель» в г. Рубежное и Кемеровском ПО «Карболит».

Иллюстрацией практического воплощения комплексного подхода к переработке и обезвреживанию отходов и бытового мусора является попытка создания в Новосибирской области и в Сибири сети небольших комплексных мусороперерабатывающих заводов, первый из которых спроектирован и должен строится в г. Бердске. Совместными усилиями ряда институтов и организаций Новосибирской области (это прежде всего НПФ «Техэнергохимпром», НГПИИ «ВНИПИ Энерготехнологии», Институт теплофизики СО РАН) разработан многофункциональный завод, перерабатывающий и обезвреживающий промышленный и бытовой мусор города (городского района) с населением 100 тыс. чел. Производительность завода по мусору - 40 тыс. т/год, в том числе 30 тыс. т/год бытовых и 10 тыс. т/год промышленных отходов. Основная идея проекта заключается в том, что мусор рассматривается не только как источник химического загрязнения, но и как источник возобновляемого топлива и сырьевых ресурсов. Например, калорийность городского мусора составляет сегодня не менее одной трети калорийности угля. Блок-схема завода представлена на рис. 3.16.

Рис. 3.16. Блок-схема мусороперерабатывающего завода (г. Бердск):

ТГО - твердые городские отходы; ДО - древесные отходы; ДГ - дымовые газы;

Ш - шлам после газоочистки; ОДГ - очищенные дымовые газы; П - пар; ГВ -

горячая вода; ЗШМ - зола, шлак, металлы; ЛЦЧМ - лом цветного и черного

металлов; ДП - древесные плиты; ЗШ - зола, шлак; ШБ - шлакоблоки

Экологическое назначение завода выражается в уменьшении вредного воздействия на окружающую среду твердых бытовых и промышленных отходов (ТБО и ПО), образующихся в г. Бердске. Это достигается за счет резкого сокращения вывоза отходов на городскую свалку, их термообезвреживания и применения малоотходной системы очистки дымовых газов. При этом уменьшается выброс вредных веществ в атмосферу и водную среду, сохраняются земельные ресурсы города.

Энергетическое назначение заключается в выработке тепла для собственных нужд и сторонних потребителей за счет утилизации тепла дымовых газов.

Ресурсное назначение завода состоит в извлечении из городского мусора ряда компонентов и использовании их в качестве готовой продукции и полуфабрикатов.

На опытном мусороперерабатывающем заводе подлежат переработке все виды ТБО, удаляемые спецавтохозяйством города: отходы, образующиеся в жилых и общественных зданиях; отходы от устройства местного отопления; смет, опавшие листья; отходы от санитарной обрезки деревьев и кустарников.

Термообезвреживанию на заводе подвергаются все виды промышленных нетоксичных и токсичных отходов всех классов опасности, за исключением радиоактивных отходов и отходов, содержащих ртуть, свинец, мышьяк и селен.

На заводе предусмотрена: переработка собственных отходов - золошлаковой смеси и шлама (кека) системы очистки дымовых газов - в строительные шлакоблоки; переработка промышленных древесных отходов в плиточные материалы; извлечение из отходов и золошлаковой смеси лома черных и цветных металлов.

Для утилизации тепла в составе завода применена система, позволяющая использовать, наряду с высокопотенциальным теплом дымовых газов, также и низкотемпературное тепло, выделяющееся при конденсации влаги, содержащейся в дымовых газах, и снимаемое системой оборотного водоснабжения при охлаждении газоочистного оборудования.

Отходы сжигаются в специальной вращающейся печи барабанного типа, что позволяет полностью механизировать и автоматизировать все технологические операции. Дожигание дымовых газов осуществляется в вихревом дожигателе с образованием продуктов полного окисления. Специальная система мокрой очистки позволяет эффективно очистить дымовые газы от пыли и кислых компонентов. В составе завода предусмотрена установка теплоутилизационного оборудования (котелутилизатор и абсорбционный тепловой насос), что позволяет обеспечить собственные потребности завода в тепле и выдать тепло сторонним потребителям.

Производственные процессы на заводе замкнутые, т. е. образующиеся жидкие и твердые отходы, используются либо при производстве строительных материалов (шлакоблоков), либо направляются в барабан печи на термообезвреживание.

Технологическая схема термического обезвреживания отходов показана на рис. 3.17. Тепловой баланс завода показан в виде диаграммы на рис. 3.18. Компоновка мусоросжигательного цеха представлена на рис. 3.19.

Рис. 3.17. Принципиальная аппаратурно-технологическая схема переработки отходов:

1 - устройство загрузочное; 2 - печь вращающаяся; 3 - дожигатель вихревой; 4 - котел-утилизатор;

5 - газонагреватель; 6 - дымосос; 7 - струйно-пенный аппарат; 8 - абсорбер-конденсатор; 9 - туманоуловитель;

10- конденсатор; 11 - вентилятор; 12 - труба; 13 - тепловой насос

Для обеспечения непрерывной работы мусоросжигательного завода предусмотрены две технологические линии обезвреживания отходов: рабочая и резервная. Каждая из них включает противоточную барабанную вращающуюся печь, оснащенную гидравлическим питателем и шлаковы- гружателем; вихревой дожигатель дымовых газов; котел-утилизатор; систему очистки дымовых газов; тепловой насос; тягодутьевое и другое вспомогательное оборудование. Общим оборудованием для двух технологических линий являются приемные устройства для твердых и жидких отходов и дымовая труба.

Твердые бытовые и промышленные отходы принимаются в приемный бункер без сортировки как из спецмашин, так и грузового транспорта общего назначения. Отходы древесины принимаются для переработки либо в общем потоке, либо отдельно. Крупногабаритные металлические включения выделяются из отходов на стадии приема, а мелочь - из золы после охлаждения и дробления. Жидкие горючие и жидкие негорючие (обводненные) отходы принимают в отдельные емкости.

Твердые отходы из приемного бункера грузоподъемным механизмом загружаются в бункер 1, откуда гидравлическим питателем подаются на сжигание в противоточную вращающуюся печь 2. За счет вращения и наклона барабана отходы непрерывно перемешиваются и перемещаются в направлении от приемной к разгрузочной камере. При этом осуществляются подсушка, воспламенение, горение отходов и дожигание золы.

Жидкие горючие отходы из приемной емкости насосом подаются на сжигание в дожигатель или разгрузочную камеру печи. Жидкие негорючие отходы после усреднения направляются в распыленном виде на золу, удаляемую из барабана печи в шлаковыгружатель. Распыливание жидкого топлива и жидких отходов осуществляется сжатым воздухом.

Дымовые газы из барабана печи направляются в вихревой дожигатель 3, где в условиях закрученного потока осуществляются интенсивное перемешивание продуктов неполного горения с кислородом воздуха и их доокисление. Конструкция дожигателя позволяет нейтрализовать кислые компоненты дымовых газов путем введения в распыленном состоянии щелочных добавок (NaOH, СаСО3 и др.). Температура отходящих из барабана печи газов равна 900-1 000 °С, а из дожигателя - 1 100-1 300 °С в зависимости от состава отходов. Более высокий температурный уровень поддерживается при сжигании хлорорганических отходов, чтобы минимизировать содержание высокотоксичных диоксинов в уходящих дымовых газах.

Розжиг и поддержание заданного температурного режима в барабанной печи и вихревом дожигателе осуществляются за счет сжигания природного газа или жидкого топлива. Суммарная производительность горел

лок по природному газу 600 м /ч, по жидкому топливу - 485 кг/ч.

Основные технико-экономические характеристики завода

Годовое количество перерабатываемых отходов, тыс. т              40

В том числе:

бытовых              30

промышленных              10

Годовой выпуск продукции:

тепло, тыс. Гкал              100

шлакоблоки, тыс. шт              500

древесные плиты, тыс. м               100

лом цветных и черных металлов, т              1 200

Годовой доход, млн. долл. США              4,2

В том числе:

от реализации тепла              2,1

от оплаты услуг по переработке твердых бытовых

и промышленных отходов              1,1

от реализации строительных материалов, лома цветных

и черных металлов              1,0

Стоимость завода, млн. долл. США              13,0

Стоимость первой очереди              7,0

Годовые текущие затраты завода, млн. долл. США              2,0

Плановый срок, лет:

окупаемости с момента запуска              6,0

строительства и запуска завода              3

рекультивации городской свалки              5-7

Численность персонала, чел              130

Площадь, занимаемая заводом, га              2,1

Следует отметить еще два момента: После запуска второй линии завод может реально приступить к переработке мусора, накопленного на городской свалке. Сегодня свалка г. Берд- ска занимает 30 га. Тем самым может начаться рекультивация и возврат земель городской свалки в полезный хозяйственный цикл. Сегодняшние тенденции характеризуются тем, что МСЗ строят не как отдельные объекты, а встраивают их в действующие структуры существующих котельных и ТЭС. Это позволяет экономить на коммуникациях и инфраструктуре. Экономика такого МСЗ существенно лучше и позволяет выйти на срок окупаемости капиталовложений 3-4 года. Такая структура получила название КРТЭС - комплексная районная тепловая электростанция [28, 37].

В прил. 20, 21 представлены перечни основных законодательных и нормативно-методических документов, сопровождающих строительство МСЗ в России и Германии.