В.М. Бельков
Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ)
Разработана концепция, рассмотрены методы и технологии утилизации углеродсодержащих отходов, приведены технико-экономические показатели технологий утилизации отходов и выбраны наиболее перспективные из них
На начало 1999 года на предприятиях различных отраслей промышленности накопилось около 1500 млн. тонн токсичных отходов производства и потребления [1]. Ежегодно на предприятиях Российской Федерации образуется около 90 млн. тонн токсичных промышленных отходов (ПО), из которых 87 млн. тонн относятся к III и IV классам опасности. Количество отходов потребления, или твердых бытовых отходов (ТБО), ежегодно возрастает в России на 30 млн. тонн [2].
В 1999 году предприятиями использовано в собственном производстве около 40 млн. тонн (40%) и полностью обезврежено 9 млн. тонн (10%) от общего количества образовавшихся за год отходов. Остальные отходы переданы на полигоны для захоронения.
Последние годы нефтешламы - отходы II класса опасности - не принимаются на захоронение из-за переполнения полигонов промышленных отходов. Нефтеперерабатывающие заводы, нефтебазы, локомотивные и вагонные депо железнодорожной отрасли вынуждены накапливать нефтешламы в специальных бетонированных хранилищах. Строительство новых хранилищ и накопление нефтешлама в старых носило стихийный характер, поэтому оценить накопленное количество таких отходов не представляется возможным, их может быть и десятки, и сотни миллионов тонн.
В европейских государствах 40% отходов превращают биологической обработкой в органические удобрения, 10% сжигают на мусоросжигательных заводах, 40% отходов захоранивают в третьих странах, а оставшиеся 10%, в основном, активный ил, сбрасывают в моря [3].
Большинство ПО и ТБО содержат органические соединения, которые можно извлекать для повторного использования, сжигать с получением дешевой тепловой и электрической энергией или обезвреживать с помощью штаммов микроорганизмов. Например, с помощью промышленных процессов регенерации отработанных смазок и масел можно очищать только некоторые из них, использующиеся при невысоких температурах. При рабочих температурах более 100°С в смазках и маслах образуются относительно летучие смолистые вещества - канцерогены, очистка от которых сложна и крайне дорога. Поэтому во всех странах мира отработанные смазки и масла в основном сжигают как топливо.
Для эффективного обезвреживания отходов необходимы технологии, наносящие минимальный экологический ущерб окружающей природной среде, имеющие низкие капитальные затраты и позволяющие получать прибыль. Разнообразие отходов по химическому составу не позволяет создать универсальную технологию утилизации твердых и жидких ПО и ТБО.
В настоящей статье приведены основные источники углеродсодержащих отходов, их калорийность и методы утилизации, физико-химические параметры и технико-экономические показатели основных известных к настоящему времени технологий обезвреживания, выработаны критерии оценки и выбора метода и технологии обезвреживания углеродсодержащих отходов, предложены наиболее перспективные из них.
1 Источники углеродсодержащих отходов.
Основные источники углеродсодержащих отходов в России, их примерная норма образования в год, состав и калорийность приведены в Таблице 1.
Объем загрязненного нефтепродуктами грунта, образующегося за год, составляет 510 млн. тонн. Норма образования ТБО - 130 млн. тонн. Объем осадков биологических очистных сооружений составляет 0,8 млн. тонн/год. Нормы образования нефтешламов - 3 млн. тонн. Хранение и утилизация вышеперечисленных отходов является наиболее острой проблемой для России. Объемы остальных отходов незначительны.
Для выработки концепции обезвреживания углеродсодержащих отходов оценим тепловой эффект сжигания отходов при температуре 1100°С с учетом влажности и фазовых переходов. При обезвреживании углеродсодержащих отходов сжиганием важной физико-химической характеристикой является теплотворная способность сырья. Рассчитаем наименьшую концентрацию нефтепродуктов в отходах, при которой тепловой эффект реакции - нулевой (неотрицательный) для различных содержаний механических примесей и влажности. Минимальные концентрации или содержания углеводородов в отходах сведены в Таблицу 2.
В среднем, как следует из Таблицы 2, для получения положительного теплового эффекта реакции горения отходов содержание углеводородов должно быть выше 10%. КПД печей сжигания не превышает 70-75%, поэтому, содержание углеводородов в отходах не должно быть меньше 14%. Таким образом, если отходы содержат более 14% нефтепродуктов, то их рациональнее сжигать, получая при этом тепловую или электрическую энергию, если менее 14% - то для обезвреживания таких отходов лучше использовать микробиологический метод.
Таблица 1 Источники углеродсодержащих отходов
| № п/п | Наименование источника отхода | Состав отхода | Количество отхода млн. тонн/год | Калорийность, ккал/кг |
| 1 | Твердые бытовые отходы | Органические вещества 60-70% (углерода - 35%), зольность 30-40%, влажность обшей массы 40-50% | В России - 130,0 [1]В Москве и Московской области ~ 6,0 [4] | 2500 |
| 2 | Осадки биологических очистных сооружений городов поселков и предприятий | Сухое вещество активного ила 44-76% С, 5-8% Н, 1-3% S, 3-10% М 12-40% 0 | Железнодорожные предприятия . 0,1, Москва . 0,05, Россия в целом - 0,5 [3] | 1000-2000 при влажности 50-60% |
| 3 | Нефтешламы из отстойников нефтеперерабатывающих вводов железнодорожных предприятий нефтебаз и ремонтных заводов | Нефтепродукты 20-30%, вода 20-30%, механические примеси 40-50% | В России в целом 3.0, нефтеперерабатывающие заводы - 1.4 нефтебазы 0.3 федеральные железные дороги- 1.3 [1] | 2500-3500 |
| 4 | Загрязненный нефтепродуктами грунт территорий железнодорожных предприятий, нефтебаз нефтеперерабатывающих заводов | Нефтепродукты 0.1-5 г/кг, Влажность 40-50% от обшей массы | Железные дороги 330, нефтебазы 80, нефтеперерабатывающие заводы - 100 | 0.4-20.0 |
| 5 | Угольный шлам | Углерод 10-30% Зольность 70-90% | 5.0[1] | 500-1500 |
| 6 | Отработанные масла и смазки, бумажные фильтры машин и механизмов | Нефтепродукты 90%, влага 8%, металлические и минеральные включения - 2% | Железные дороги 0.06 по России в целом - 0 4 | 5500-6500 |
| 7 | Старые деревянные шпалы | Древесина 75%, креозот 5%, влага - 20% | Железные дороги . 0.1, трамвайные пути . 0.015 | 4500-5500 |
Таблица 2 Эксплуатационные параметры многокамерных печей
| Фирма- производитель, марка печи | Производительность, кг/ч | Потребление электроэнергии, кВт/ч | Масса в тоннах | Стоимость, тыс. долл | Срок окупаемости, лет |
| Норвегия | |||||
| С01АКОС200 | 100 ТБО | 15.0 | 2.9 | 350.0 | То же |
| УE5TА МАХ 255 | 100 ТБО | 15.0 | 3.0 | 320.0 | То же |
| Италия | |||||
| КС/M1МЕР | 100 ТБО | 200 | 6.85 | 270.0 | То же |
| Россия | |||||
| ИН-50.1 | 50 ТБО | 1.2 | 2.2 | 26.825 | 0,5 |
| ИН-50.2 | 100 ТБО | 3.0 | 3.0 | 31.250 | 0,5 |
| ИН-50.2К | 100 | 3.0 | 4.0 | 49.230 | 0,5 |
| ИН-50.3 | 80 | 8 | 8 | 31.500 | |
| ИН-50.4 | 150 | 10 | 7.5 | 31.750 | |
| ИН-50.4К | 150 | 10 | 7.5 | 51.780 | |
| ИН-50.6 | 500-800 | 45 | 6.0 | 143.750 | |
Таблица 3. Минимальное содержание углеводородов в отходах при нулевой энтальпии реакции их горения
| № п/п | Содержание механических примесей, % масс | Влажность, % масс | Содержание углеводородов, % масс |
| 1 | 20 | 71,2 | 8,8 |
| 2 | 30 | 60,8 | 9,2 |
| 3 | 40 | 50,5 | 9,5 |
| 4 | 50 | 40,1 | 9,9 |
| 5 | 60 | 29,7 | 10,3 |
| 6 | 70 | 19,3 | 10,7 |
| 7 | 80 | 8,9 | 111 |
| 8 | 88 | 0 | 11,3 |
| 9 | 90 | 30,0 | 20,0 (3500 ккал/кг) |
В пункте 9 Таблицы 2 приведен также тепловой эффект реакции горения и состав нефтешламов, образующихся на железнодорожных предприятиях, нефтеперерабатывающих заводах и нефтебазах.
2. Методы утилизации углеродсодержащих отходов
В мировой практике для утилизации и обезвреживания ПО и ТБО используют термические, химические, биологические и физико-химические методы
К термическим методам обезвреживания отходов относятся сжигание, газификация и пиролиз.
Сжигание - наиболее отработанный и используемый способ. Этот метод осуществляется в печах различных конструкций при температурах не менее 1200°С. В результате сгорания органической части отходов образуются диоксид углерода, пары воды, оксиды азота и серы, аэрозоль, оксид углерода, бензопирен и диоксины. Зола, имеющая в своем составе неподвижную форму тяжелых металлов, накапливается в нижней части печи и периодически вывозится на полигоны для захоронения или используется в производстве цемента.
Газификация - широко используемый в металлургии способ переработки некоксующихся углей - осуществляется в вихревых реакторах или печах с кипящим слоем при температурах 600-1100°С в атмосфере газифицирующего агента (воздух, кислород, водяной пар, диоксид углерода или их смесь). В результате реакции образуются синтез-газ (H2, СО), туман из жидких смолистых веществ, бензопирена и диоксинов. Реакция газификации протекает в среде с восстановительными свойствами, поэтому оксиды азота и серы практически не образуются. Масса тумана при 600°С может доходить до 30% от массы синтез-газа. При увеличении температуры газификации доля тумана в массе синтез-газа падает и при температуре более 1100°С близка к нулю.
Горючая смесь водорода и оксида углерода сжигается на горелках при 1400-1600°С или используется в каталитическом процессе синтеза метилового спирта. Зола, остающаяся после газификации, может содержать остаточный углерод и соли тяжелых металлов, растворимые в воде. После проверки золы на отсутствие бензопирена, диоксинов и тяжелых металлов в подвижной форме она может быть отправлена на захоронение.