книги / Термические методы исследования отходов книга

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

ТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ОТХОДОВ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2021

1

Авторы: Н.Н. Слюсарь, М.П. Красновских, Ю.В. Мозжегорова, Я.И. Вайсман, А.А. Сурков

УДК 543.57; 504.06 Т352

Рецензенты:

д-р хим. наук, профессор С.А. Мазунин (Пермский государственный национальный исследовательский университет);

д-р техн. наук, профессор Л.В. Рудакова (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Т352 Термические методы исследования отходов : учеб. пособие / Н.Н. Слюсарь [и др.]. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2021. – 83 с.

ISBN 978-5-398-02604-7

Представлен обзор термических методов утилизации отходов производства и потребления, подробно рассмотрены термические методы анализа отходов и материалов, приведены примеры использования методов термического анализа для исследования отходов.

Предназначено для студентов бакалавриата и магистратуры, обучающихся по направлению «Техносферная безопасность», аспирантов высших учебных заведений.

УДК 543.57; 504.06

2

3

1.КРАТКИЙ ОБЗОР ТЕРМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА

ИПОТРЕБЛЕНИЯ

Внастоящее время вследствие постоянного увеличения объема образования отходов производства и потребления в ряде развитых стран мира появился интерес к термическим методам обезвреживания и утилизации отходов как перспективному направлению, позволяющему реализовать ожидания общества, связанные с переходом к устойчивому развитию в сфере обращения с отходами.

Термическая утилизация отходов в настоящее время занимает второе место после захоронения в сфере обращения с отходами [1–3]. Важным аргументом в пользу использования термических методов утилизации отходов является экономическая эффективность и экологическая безопасность современных заводов последних поколений, обеспечивающих достижение приемлемого уровня экологических нагрузок при их размещении в пределах жилых территорий [3].

Среди методов термической утилизации отходов основными являются сжигание, пиролиз, газификация, плазменные методы. Термические методы утилизации отходов направлены на уменьшение объема отходов, превращение отходов в безвредные материалы и использование энергии в виде тепла, пара, электрической энергии [1, 4, 5].

Представленные на российском рынке установки по утилизации широкого спектра отходов (твердых коммунальных, резиносодержащих, сельскохозяйственных, нефтесодержащих и др.)

взависимости от температуры Т можно разделить на четыре основные группы [1, 6]:

низкотемпературныепиролизныеустановки(T =300…500°C);

высокотемпературные пиролизные установки для гази-

фикации (Т = 500…1200 °С);

4

установки высокотемпературного сжигания – инсинераторы

(Т =1000…1300°С);

плазменные установки (Т = 2000…5000 °С).

Расчетная минимальная численность населения, обслуживаемого установками для сжигания отходов, составляет 100 000 жителей (около 50 000 т/год). Газификация и пиролиз могут применяться для меньших объемов отходов (около 15 000 т/год) [4].

Приведем основные принципы работы, которые должны применяться ко всем установкам термической утилизации отходов производства и потребления:

1)устойчивые условия эксплуатации;

2)легкостьадаптациикизменениямсоставаиобъемаотходов;

3)возможность изменения состава и количества используемого топлива;

4)полный контроль загрязняющих веществ в выбросах;

5)максимизация использования полученной тепловой энергии (в основном для производства электрической энергии);

6)минимизация капитальных и эксплуатационных затрат. Преимущества термических методов утилизации отходов

сводятся к следующему:

снижение веса и объема отходов: твердые остатки имеют вес, который варьируется от 3 до 20 % по отношению к первоначальному весу отходов (в зависимости от используемой технологии). Газификация и пиролиз приводят к меньшему количеству твердых остатков по сравнению со сжиганием;

отсутствиепатогенныхфакторовв получаемых продуктах;

уменьшение площадей для размещения оборудования при реализации технологии пиролиза и газификации в сравнении с другимиметодамиобращения сотходами;

использование электрической или тепловой энергии, содержащейся в отходах;

снижение нагрузки на объекты захоронения отходов и, как следствие, увеличение срока их службы.

5

Недостатками применения тепловых методов утилизации являются:

относительно высокие капитальные затраты в сравнении

сдругими методами обращения с отходами;

значительное количество общих капитальных затрат, особенно в случае сжигания, на очистку отходящих газов;

увеличение эксплуатационных расходов.

1.1. Сжигание

Сжигание – контролируемый процесс окисления твердых, пастообразных или жидких горючих отходов, содержащих органические вещества, высокотемпературным теплоносителем (продуктами сгорания топлива, расплавом и др.) [1, 3, 7].

Сжигание является эффективным способом снижения объема отходов с одновременной выработкой тепловой и/или электрической энергии. Количество чистой электроэнергии, которое может быть произведено при сжигании тонны отходов, составляет около 0,7 МВт·ч [4]. Объем отходов при сжигании на мусоросжигательных заводах уменьшается на 80–85 %. При эффективном ведении процесса сжигания происходит обеззараживание и снижение токсичности отходов.

Сжигание в среде с высоким содержанием кислорода (большим, чем стехиометрическое) обычно при температуре выше 850 °С приводит к образованию отходящих газов, состоящих в основном из диоксида углерода (CO2) и воды (H2O). Другими выбросами в атмосферу являются оксиды азота, диоксид серы и т. д. Зола содержит 3–7 % легколетучей пыли, а также значительное количество сконцентрированных в ней тяжелых металлов (Cd, Pb, Cu, Cr идр.) вформеоксидов,карбонатов,хлоридов и другихсолей [8,9].

Существуют различные типы установок для сжигания, такие как печь с движущейся решеткой, печь с неподвижной решеткой, вращающаяся печь, печь с кипящим слоем и т.д. Наиболее часто используют слоевое или камерное сжигание смешанных или спе-

6

циально подготовленных отходов в установках (печах, котлоагрегатах) мусоросжигательных заводов либо в энергетических котлах, цементных печах [1, 3].

В настоящее время уровень сжигания твердых коммунальных отходов (ТКО) в отдельных странах различен. Доля сжигания ТКО

вАвстрии, Италии, Франции, Германии составляет 20–40 %; в Бельгии, Швеции – 48–50 %; в Японии – 70 %; в Дании, Швейцарии – 80%; в Англии и США – 10 %. В России сжиганию подвергаются около 2 % ТКО, а в Москве – около 10 % [6]. На сегодняшний день

вРоссиифункционирует10мусоросжигательныхзаводов. Образующиеся при сжигании отходов выбросы в атмосферу

содержат типичные продукты сгорания (CO, CO2, NOx, SO2), частицы пыли, а также другие соединения. Наличие и концентрация других соединений, таких как ΗCl, HF, взвешенных частиц, которые содержат тяжелые металлы, диоксины и фураны, зависят от состава отходов, которые подвергаются сжиганию. Во время сжигания количество выбросов в атмосферу составляет 4000–5000 м3 на тонну отходов. Выбросы в атмосферу должны контролироваться путем применения соответствующих систем очистки от загрязнения, таких как рукавные фильтры, электростатические фильтры, циклоны, системы мокрой очистки (скрубберы, вращающиеся распылители) и т. д. [4, 9].

Основными преимуществами сжигания являются:

существенное сокращение объема (до 5 % от исходного)

имассы (до 25 % от исходной) отходов; таким образом снижается потребность в площадях для захоронения;

прекращение выброса в атмосферу метана, образующегося насвалкахиполигонах захороненияТКО;

эффективное обезвреживание отходов (устраняются неприятный запах, выделение токсичных жидкостей, уничтожаются патогенные микроорганизмы);

возможность обезвреживания несортированных отходов;

возможность использования тепла, образующегося при обезвреживании отходов (современные когенерационные уста-

7

новки позволяют утилизировать до 80 % запаса энергии, содержащейся в отходах).

Основными недостатками сжигания являются:

образование токсичной золы, шлаков;

содержание в дымовых газах оксидов серы, азота, хлористого водорода, фуранов и диоксинов;

высокие капитальные затраты;

значительное количество общих капитальных затрат на очистку отходящих газов.

1.2. Пиролиз

Пиролиз – процесс термического разложения отходов, содержащих органические вещества, на составные части за счет использования косвенного внешнего источника тепла, протекающий при высоких температурах (от 400 до 1000 °С) в бескислородной среде. При термическом разложении образуются пиролизные смолы, твердый остаток с повышенным содержанием углерода и неконденсируемые летучие газообразные вещества (синтез-газ). Твердый остаток (полукокс) представляет собой комбинацию негорючих материалов и углерода. Синтез-газ представляет собой смесь газов (горючие компоненты включают в себя окись углерода, водород, метан и др.). Часть их может конденсироваться для производства масел, восков и гудронов [7, 10, 11].

Большинство органических веществ в отходах, подвергающихся пиролизу, переходят на 75–90 % в летучие вещества и на 10–25 % в твердый остаток. Однако из-за наличия влаги и неорганических веществ количество летучих веществ варьируется от 60 до 70 %, а количество полукокса от 30 до 40 %. Состав и количество промежуточных и конечных продуктов пиролиза зависят от температуры и скорости нагрева, продолжительности процесса, вида и состава органического сырья [12].

В зависимости от температуры различают три вида пиролиза

[6, 7, 12]:

8

низкотемпературный пиролиз, или полукоксование

(450–550 °C), при котором максимален выход жидких продуктов и твердого остатка (полукокса) и минимален выход пиролизного газа с максимальной теплотой сгорания (не превышает

10МДж/м3);

среднетемпературный пиролиз, или среднетемпературное коксование (до 800 °C), при котором выход газа увеличивается при уменьшении его теплоты сгорания, а выход жидких продуктов и коксового остатка уменьшается;

высокотемпературный пиролиз, или коксование

(900–1050 °C), при котором минимален выход жидких продук-

тов и твердого остатка и максимален выход пиролизных газов с минимальной теплотой сгорания (не более 15 МДж/м3).

В типичной установке пиролиза происходят следующие процессы [4]:

сушка отходов (100–200 С);

начальное разложение веществ – начало разложения H2S

и CO2 (250 °С);

разрыв связей алифатических веществ – начало разделения СН4 и других алифатических веществ (340 °С);

обогащение получаемого материала углеродом (380 °С);

разрыв связей C – O и C – N (400 °C);

преобразование каменноугольной смолы в топливный материал и смолу (400–600 °С);

разложение на материалы, стойкие к нагреванию, – образование ароматических веществ (600 °С);

производство ароматических веществ, процессы удале-

ния водорода из органических веществ, таких как бутадиен

ит.д. (> 600 °C).

Впроцессе пиролиза теплота от топочных газов передается через теплопередающую стенку, выполненную, как правило, из нержавеющей жаропрочной стали или огнеупорных материалов, в расположенный у стенки стационарный слой отходов и далее

9

в глубину слоя. При этом перемешивание слоя отходов в пиролизной камере не вызывает существенного эффекта снижения энергозатрат, так как в случае с гетерогенной смесью многокомпонентных отходов крайне затруднительно реализовать контролируемое перемешивание и выравнивание разлагаемого слоя от середины реактора к стенкам и наоборот [4, 11, 13].

Установки или заводы по утилизации отходов методом пиролиза функционируют в Дании, США, ФРГ, Японии и других странах. Наряду с отходами потребления эти установки позволяют перерабатывать производственные отходы. Однако пиролиз для обработки ТКО применяется в промышленных масштабах значительно реже, чем сжигание.

К основным преимуществам пиролиза по сравнению со сжиганием можно отнести следующее:

температура разложения отходов ниже температуры сжигания,поэтомутепловаянагрузка навесьобъектменееинтенсивна;

потребность в меньшем количестве кислорода уменьшает выбросы в атмосферу;

металлы, входящие в состав отходов, не окисляются во время пиролиза;

при сжигании пиролизного газа не образуется зола, а очистка отходящего газа является более простым процессом;

получаемые продукты легко хранить и транспортировать. Основными недостатками пиролиза являются:

необходимость предварительной обработки, включающей резку и разделение отходов;

невозможность утилизировать продукты пиролиза без дальнейшей обработки;

высокиезатратынаочистку отходящих газовисточныхвод;

образование высоковязких пиролизных смол на внутренних поверхностях реакторов, трубопроводов и т.д.;

неоднородность прогрева гетерогенной многокомпонентной массы отходов;

10