Что лучше, сжигать или захоранивать отходы?
На этот вопрос пока нет единого мнения, поскольку в обоих вариантах придётся бороться с выбросами, и ещё не факт, что при сжигании выбросы будут лояльнее к здоровью живых организмов. Часто, в результате термического воздействия, из сжигаемых отходов хлорсодержащей группы выходят опасные вещества – диоксины и фураны, которые являются одними из самых токсичных и могут приводить к генетическим мутациям.
Основная цель сжигания – уменьшить объём отходов, в идеале, до объёма шлаковых зол, которые могут составлять 30-50% от сухой массы. При этом их тоже нужно будет куда-то потом складировать.
Учитывая отсутствие дефицита территорий России, особенно на фоне демографического кризиса, проблема открытия новых полигонов ТКО на сегодняшний день не является такой уж острой.
Если добавить сюда огромные эксплуатационные затраты на обеспечение относительно качественного сжигания мусора (плазменные печи), а также проблемы поставки западного оборудования, то выбор из двух вариантов пока остаётся очевидным.
Однако, в последнее время особенно активно на рынке стали появляться так называемые инсинераторы, позволяющие сжигать твёрдые и даже определённые жидкие отходы в специальных камерах. При этом данное оборудование позиционируется как обезвреживание отходов и его применение настойчиво рекомендуется экспертами Гласвгосэкспертизы.
Давайте попробуем разобраться, что такое инсинераторы, какие их виды существуют, рассмотрим возможности и ограничения технологии термической утилизации отходов, а также подумаем над целесообразностью применения инсинераторных установок на отечественных полигонах ТКО.
Итак, немного истории и терминологии.
Термин «инсинератор» впервые появился в 15 веке и этимологически происходит от средневекового латинского слова «cineris» (пыль. пепел, зола). Приставка «in», как мы знаем из современного английского языка, означает русский аналог «в», указывающий направление, транзит. В итоге слово преобразовалось в «incinerare», то есть превращать что-то в пепел, золу. В современном языке данный термин трансформировался в романо-германское слово «incinerate».
Первый инсинератор в том виде, в каком он существует по сей день, был построен в 1874 году в Великобритании (графство Ноттингемшир), а уже после технология сжигания быстро распространилась по Европе и Североамериканскому континенту.
В начале 20 века даже сделали попытку оснащать инсинераторами элитные жилые комплексы, однако из-за большого выброса мелкодисперсной пыли и золы, а также дурно пахнущих газов, данная технология в жилом секторе не прижилась.
В инсинераторных установках допускается сжигать любые виды отходов, кроме радиоактивных, ртутьсодержащих, высокотоксичных и взрывоопасных. При этом, должна быть обеспечена тщательная подготовка сжигаемого сырья и соответствующая очистка выбросов.
Упрощённая схема инсинератора представлена на картинке ниже.
Мусоросжигательная установка в базовой комплектации состоит из двух последовательно расположенных камер сгорания, куда непрерывно подаётся какое-либо топливо (газ, дизельная смесь, масло, уголь). Есть также атмосферные инсинераторы, которые использую топливо лишь для первоначального розжига, а затем горение происходит естественным образом. Однако, такие установки являются малопроизводительными и подходят лишь для сжигания бумаги, картона, дерева и других хорошо горящих материалов, и в данном посте их рассматривать не будем.
Итак, первая камера предварительного сгорания (3) обеспечивает сжигание в условиях избытка кислорода, нагнетаемого воздуходувкой (2), при температуре 700-900 градусов. Во второй камере дожига (4) происходит термохимическая диссоциация остаточных отходов, не догоревших в первой камере. Здесь дожиг ведётся при более высокой температуре до 1200 градусов и предполагает термическое уничтожение вредных соединений, таких как диоксины, фураны и т.д.
Более сложные модификации инсинераторов дополнительно оборудуются системой фильтров для очистки выбросов, системой рекуперации тепла, которую целесообразно использовать для отопления, нагрева воды и производства электроэнергии. Также современные инсинераторные установки оборудуются системой автоматизации, включая встроенную панель управления для настройки работы оборудования и контроля процессов.
Прежде всего инсинераторы различаются по типу печи или топочной камеры.
Подовые инсинераторы
Подовый тип установок представлен группой небольших и маломощных инсинераторов, у которых рабочая камера представляет собой печь подового типа, где сжигаемые отходы укладываются на плоскую горизонтальную поверхность, на так называемый под (подину). Подина и боковые стенки топочной камеры изготавливаются из жаропрочных материалов, чаще всего из термоупорного шамотного кирпича.
Основным преимуществом подовых инсинераторов по сравнению с другими типами является их универсальность – на подину можно загружать не только твёрдые, но и пастообразные и даже жидкие отходы, без опасения за их утекание из зоны горения. Другими словами, подовые инсинераторы отличаются высокой герметичностью.
Колосниковые инсинераторы
В колосниковых инсинераторах сжигаемые отходы загружаются на колосниковую монолитную или наборную решётку, которая разделяет топочную камеру в горизонтальной плоскости на зону слоевого сжигания отходов и нижерасположенный отсек (зольник), в который ссыпается зола. В отличие от подовых мусоросжигателей, где горение идет сверху вниз, на колосниковых решетках процесс горения протекает снизу вверх, обеспечивается равномерная дистрибуция воздушного потока, что способствует образованию стабильной тяги и, как следствие, более быстрому сгоранию отходов.
Если применить образное сравнение, то подовый инсинератор – это мангал для приготовления шашлыка, а колосниковый инсинератор – это банная печь с поддувалом.
Основным преимуществом колосниковых инсинераторов является отсутствие необходимости удалять золу после каждого цикла сжигания, как это делается в подовых печах. Зольник опорожняется лишь по мере его заполнения, что происходит по прошествию 3-5 циклов сжигания.
Разумеется, колосниковые инсинераторы не используют для утилизации жидких и пастообразных отходов, которые просачиваются в зольник и подавляют процесс горения.
Циклонно-вихревые инсинераторы
В основном такие инсинераторы используются для сжигания жидких, аэрозольных и газовых субстанций с небольшими примесями мелкодисперсных твёрдых частиц. Отходы подаются насосом в конусно-цилиндрическую камеру сжигания – циклонный реактор, где, смешиваясь с топливовоздушной смесью, закручиваются в управляемый вихревой поток, образуя высокоскоростную закрученную турбулентную среду, обеспечивающую высокую полноту сгорания всех загруженных компонентов.
Основным достоинством циклонно-вихревых инсинераторов является высокая температура сгорания (1500 градусов и выше), которая обеспечивается именно созданием завихрения потока. Однако, как вы уже поняли, данный тип инсинераторов не пригоден для сжигания твёрдых отходов.
Роторные барабанные инсинераторы
Камера сжигания данного типа иннсинератора представляет собой горизонтальный вращающийся барабан, в который отходы подаются через автоматическое загрузочное устройство. Барабанные печи устанавливаются с небольшим наклоном в направлении движения сжигаемого материала для обеспечения непрерывного его уничтожения. В барабанных инсинераторах, как правило, сжигают дисперсионные отходы - древесные, сыпучие материалы, влажный и пастообразный мусор, т.е. все отходы, способные перемещаться естественным образом вдоль наклонной оси роторной печи.
Главным достоинством этого типа мусоросжигающих установок является высокая производительность, которую можно регулировать, изменяя скорость вращения барабана. При этом у данных печей наблюдается повышенный зольный выброс, что требует установки дополнительных фильтров-золоуловителей.
Плазменные инсинераторы
На рынке инсинераторов – это самая мощная установка, в которой температуры достигают 4000-5000 градусов. Разогрев осуществляется плазменной дугой, создаваемой электрическим током. Плазменные инсинераторы очень затратны с точки зрения сжигания отходов и применяются для очень узкого списка отходов, как правило боевых отравляющих веществ и некоторых отходов, запрещенных Стокгольмской конвенцией.
Следует упомянуть ещё обо одной любопытной конструкции инсинераторов, работающих без применения горелочных устройств – это печи с кипящим слоем. В таких печах процесс горения идёт в кипящем слое, состоящем из частиц топлива и негорючих материалов. В кипящий слой вводят значительное количество инертных наполнителей – шлак, песок, доломит, известняк; которые повышают теплоотдачу. Топливом могут служить уголь, горючий сланец, торф, древесные и иные отходы.
Принцип действия данного вида инсинератора следующий: под кипящий слой задувается воздух, который создаёт аэродинамическую силу, преодолевающую силы взаимного трения частиц. Дальнейшее увеличение расхода воздуха приводит к псевдосжижению частиц топлива и слой начинает как бы кипеть (отсюда и название «кипящий слой»), увеличиваясь по высоте и пористости.
Минимальную скорость, при которой начинается псевдосжижение, называют первой критической скоростью Vкр1, а при второй критической скорости Vкр2 аэродинамическая сила становится равной силе тяжести частиц топлива, и начинается их интенсивный вынос из слоя. Различают топки с обычным, или стационарным кипящим слоем (когда скорость в нем близка к Vкр1) и топки с циркулирующим кипящим слоем (когда скорость близка к Vкр2). В последнем случае из слоя выносится значительная часть недогоревшего топлива, которое улавливается затем в горячих циклонах и возвращается для дожига. Топки с циркулирующим кипящим слоем в 2-4 раза мощнее и производительнее топок со стационарным кипящим слоем и отличаются более высокой степенью выгорания топлива (примерно 99% против 90–95% у котлов со стационарным кипящим слоем), они могут работать с меньшим коэффициентом избытка воздуха (1,1–1,15 вместо 1,2–1,25). Система подачи топлива у котлов с циркулирующим кипящим слоем проще, они менее требовательны к качеству топлива и лучше приспособлены к его ступенчатому сжиганию, необходимому для снижения выбросов оксидов азота.
Кипящий слой может быть высокотемпературным и низкотемпературным. Чаще всего используется второй. В частности, в нём весьма эффективно подавляется выделение оксидов азота и можно применить погружную поверхность, в которой исключительно высок коэффициент теплоотдачи (нагретые частицы топлива соприкасаются с ней непосредственно, и часть тепла передаётся не конвекцией, а теплопроводностью).
Важно отметить, что в топках с кипящим слоем количество горючего материала составляет обычно небольшую долю от массы слоя, основу его составляет инертный материал или зола топлива (при сжигании высокозольных углей). Интенсивное перемешивание твердых частиц под воздействием сжижающего воздуха, проходящего через слой зернистого материала, обеспечивает повышенный тепло- и массообмен в слое.
Топки кипящего слоя не чувствительны к качеству топлива в смысле его химического состава, но чувствительны к однородности фракционного состава частиц топлива и инертной засыпки. Горение в данных топках более интенсивное, чем в других типах инсинераторов, при этом их габариты гораздо меньше.
К основным достоинствам метода сжигания твердого топлива в кипящем слое относятся следующие:
- обеспечивается высокий коэффициент теплопередачи;
- длительное пребывание частиц в слое позволяет сжигать и твёрдые отходы и уголь с повышенной зольностью;
- появляется возможность создать более компактное топочное устройство без системы пылеприготовления, при этом снижаются удельные капитальные затраты на сооружение котельной, а также ремонтные расходы;
- добавка известняка в слой связывает серу топлива с зольным остатком, что уменьшает выбросы сернистого ангидрида с дымовыми газами в атмосферу;
- низкие температуры в слое (800–950°С) обеспечивают отсутствие термических оксидов азота, что в некоторых случаях сокращает выбросы оксидов азота в атмосферу.
Из недостатков можно выделить следующие:
- вынос до 20–30 % всего углерода топлива, что требует устанавливать дополнительную систему дожига;
- зашлаковывание межсоплового пространства при недостаточном динамическом напоре воздуха;
- большой абразивный износ теплопередающих поверхностей.
По типу используемого топлива инсинераторы разделяются на газовые, дизельные, твердотопливные и атмосферные. Последние являются энергонезависимыми и роль топлива в них играют сами сжигаемые отходы, которые должны характеризоваться высокой горючестью, например, бумага, картон, дерево, уголь. Учитывая, что бумага и картон часто входят в состав вторичных материальных ресурсов, то такие инсинераторы редко используются на полигонах ТКО.
Дизельные установки обеспечивают стабильно высокую температуру горения, исключительную производительность и общую эффективность сжигания. Также нужно отметить высокую стабильность пламени дизельных горелок и доступность дизельного топлива практически во всех регионах страны.
Газовые инсинераторы более просты и экономичны в эксплуатации, однако их производительность гораздо ниже, нежели у дизельных установок. Для данного оборудования подходит любой газ: сжиженный, магистральный и даже биометан.
Твердотопливные модели значительно уступают в производительности газовым или дизельным, но показывают высокую автономность и рациональность в отдаленных районах с плохим транспортным сообщением.
Выбирать инсинератор по типу топлива нужно анализируя комплексный показатель производства, включая наличие газовых сетей, мощность полигона ТКО, вид сжигаемых отходов, возможность размещения топливного хозяйства на территории со всеми вытекающими из этого противопожарными мероприятиями.
Ну а поскольку при сравнении инсинераторов по типу топлива мы затронули производительность, то плавно можно перейти к классификации установок по мощности, то есть по массе единовременно загружаемых в топку отходов.
В зависимости от количества загружаемого в топку мусора и скорости его сгорания, инсинераторы условно можно разделить на лёгкие, средние и тяжёлые:
- лёгкие инсинераторы имеют мощность от 50 до 250 кг, скорость горения отходов от 50 до 100 кг в час;
- средние инсинераторы характеризуются мощностью от 250 до 750 кг, скорость горения отходов от 60 до 150 кг в час;
- тяжёлые инсинераторы имеют мощностью от 1000 до 2000 кг, скорость горения отходов от 200 до 350 кг в час. Такие инсинераторы часто оборудуют системой рекуперации тепла и подключают к системе промышленного отопления и (или) генерации электроэнергии.
Очистка дымовых газов – важный вопрос функционирования инсинераторов на полигонах ТКО, поскольку при сжигании отходов в атмосферу выбрасываются газообразные, аэрозольно-паровые и мелкодисперсные смеси, содержащие диоксины, фураны, сероуглероды, оксиды азота, бензпирен, альдегиды, галогениды, токсичную пыль, пепел и проч. Кроме того, к этим выбросам добавляются ещё продукты сгорания топлива, на котором работает печь: диоксиды серы и азота, аммиак, свинец и др.
Побочными продуктами работы инсинераторов могут быть тепловая и электроэнергия, а также зола.
Тепловая энергия
Инсинераторы, оборудованные системой рекуперации позволяет нагревать воду теплом отходящих газов до температуры, достаточной для отопления помещений АБК и производственных цехов. Также, с помощью такого оборудования можно обеспечить горячее водоснабжение и производство тепла для каких-нибудь технологических процессов. По большому счёту, используя тяжёлые инсинераторы, можно на полигоне ТКО обойтись даже без котельной.
Электроэнергия
В случае подключения к инсинератору электрогенераторного оборудования, использующего энергию отходящих газов, можно получать значительное количество электроэнергии. В этом случае оборудование можно использовать как резервный источник питания на случай возникновения аварий на линии электропередач.
Установка для генерации электроэнергии стоит значительно больше самого инсинератора, однако, как показывают расчёты, с учётом тарифов на электроэнергию она окупается менее чем за год.
Для производства как тепловой, так и электроэнергии потребуется установка так называемого котла-утилизатора, который превращает тепло отходящих газов в горячую воду, пар или нагретый воздушный поток, которые используются в различных технологических процессах, в том числе в когенерационных установках для производства электроэнергии. Принципиальная схема устройства котла представлена на картинке к данному посту, она довольно проста и в комментариях не нуждается.
Зола
Зола, имеющая IV класс опасности (малоопасный) может использоваться в качестве добавки к основным материалам в строительстве и производстве материалов, в том числе и геосинтетических. Наиболее распространённым является добавление золы в цемент, где она частично заменяет клинкер — основной компонент цемента, который требует значительных энергетических затрат на его производство. Добавление золы в цемент повышает прочность бетона, его устойчивость к воздействию внешних факторов, снижается водопоглощение. Эти характеристики делают золу ценным компонентом в производстве строительных материалов, особенно в условиях необходимости улучшения качества и долговечности строений.
Перед применением необходимо тщательно проверять золу на токсичность и наличие в ней тяжёлых металлов и радиоактивных элементов.
Безусловно, производство энергии и полезной золы значительно повышает привлекательность использования инсинераторного оборудования на полигонах ТКО, позволяя существенно уменьшить затраты на производственные процессы, а значит и снизить тарифы на вывоз мусора.
Как же обезопасить окружающую среду и нейтрализовать выбросы ЗВ до ПДК?
Во-первых, не стоит запихивать в топку всё подряд – термической обработке должны подвергаться только отходы, прошедшие тщательную сортировку с извлечением опасных фракций, содержащих тяжёлые металлы и радиоактивные элементы.
Во-вторых, в конструкции мусоросжигающей установки должна быть предусмотрена камера дожига или оксидайзер, где при температуре 1000-1200 градусов происходит догорание твёрдых и газообразных компонентов, которые не успели или не смогли сгореть в основной камере. Оксидайзер хоть и снижает опасность выбросов установки, но всё равно требует установки дополнительных модулей очистки.
В-третьих, разумеется, на пути движения дымовых газов необходимо устанавливать целую систему очистительных установок, которая может состоять из циклонов, скрубберов, рукавных фильтров, а также модулей химической очистки. Данная тема довольно обширная и будет мной освещена позже.
Современные системы очистки продуктов горения отходов вкупе с профилактическими методами и использованием сложных конструкций инсинераторных печей позволяют минимизировать негативное воздействие на окружающую среду и открывают широкие возможности по утилизации отходов и сокращению количества полигонов и свалок, в том числе стихийных.
Выбор инсинератора для конкретного полигона ТКО должен сопровождаться технико-экономическим анализом с детальной проработкой проектной и конструкторской документации
Предварительно можно дать примерные рекомендации по выбору установки для среднестатистического полигона ТКО IV-V классов опасности, мощностью 50-100 тыс. т в год:
1. По типу печи выбираем между двух установок – подовые или с колосниковой решёткой. Первый целесообразно выбирать, если в сжигаемых отходах попадаются пастообразные или полужидкие компоненты.
2. Обязательно в конструкции печи должен быть оксидайзер для дожига твёрдых и газообразных вредных компонентов, не сгоревших в основной камере.
3. По типу топлива лучше всего использовать газовые печи, поскольку их мощности и производительности вполне хватит для эффективного сжигания основных видов ТКО, но при этом вам не придётся заморачиваться с организацией топливного хозяйства для хранения топлива для дизельных инсинераторов. Если ваш районе не газифицирован, то тогда либо привозные баллоны с пропаном, либо регулярная заправка топливных резервуаров соляркой.
4. Чтобы использование инсинераторов окупалось, лучше всего приобрести систему рекуперации тепла и отапливать бытовые и производственные помещения, подавая туда ещё и горячую воду. Со временем можно доукомплектовать систему электрогенераторной установкой и получать дешёвую электроэнергию.
5. Выбирая производительность инсинератора, нужно исходить из доли захораниваемых отходов, которые лучше сжечь, чем захоранивать. Как правило 40-50% отходов извлекается в виде ВМР, а также отправляется на участок компостирования. Из остальных 50-60% можно выделить массу, которая не генерирует биогаз и не насыщает активно фильтрат вредными веществами, а остальные уже сжигаем. При установленной массе отходов для сжигания выбираем такую производительность инсинераторов, чтобы получилось две-три установки, так как при выходе из строя одной из них, процесс термической утилизации отходов, а также подача тепла и горячей воды в здания полигона, не прекратится.
Как вариант можно сделать комбинированную систему, состоящую, например, из одного подового и двух колосниковых инсинераторов. Если на полигон завозится большое количество высококалорийных отходов, то можно приобрести один инсинератор с кипящим слоем, что позволит сэкономить на топливе и уменьшить выбросы вредных веществ.
Сжигайте отходы с умом!