Термические методы переработки ТБО

Казанский национальный исследовательский технический университет 
им. А.Н.Туполева

Кафедра общей химии и экологии

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Промышленная экология»

на тему:

Термические методы переработки ТБО

Исполнитель:

студент гр. 3412 Стецик И.И.

Научный руководитель:

Доцент Найман С.М.

Казань 2012

Содержание

Оглавление

Введение

Проблема утилизации твердых бытовых отходов (ТБО) остро стоит во всем мире. В Российской Федерации особая актуальность проблемы утилизации ТБО возникает в крупных городах и населенных пунктах, её решение тесно связано с охраной окружающей среды и ресурсосбережением. В городах и поселках РФ объем образования ТБО составляет 150 млн. м³ (30 млн. т) в год. В России подлежат захоронению – 96,5% от общего числа отходов. Площадь, занятая полигонами на территории РФ, в настоящее время превышает 40 тыс. га и ежегодно увеличивается на 2,5-4%.

В мировой практике применяются следующие способы переработки ТБПО [1-3]: складирование на свалках и полигонах; сортировка (извлечение ценных компонентов и фракций отходов для вторичного использования); термическая переработка; биотермическая аэробная ферментация (с получением удобрений, биотоплива, топлива и др.); анаэробная ферментация (с получением биогаза); комплексная переработка.

Задачей любой технологии является: уменьшение объема и массы отходов, подлежащих захоронению, с перспективой перехода на безотходное производство; обезвреживание отходов; рациональная утилизация отходов (материальная и энергетическая, с выделением ценных компонентов, производством новых видов товарной продукции).

Все эти задачи выполняются при термической переработке отходов. К ним относятся: сжигание; газификация; пиролиз; гидрогенизация; плазменная обработка.

Важными преимуществами современных способов термической переработки являются снижение объемов отходов в 10 раз, эффективное обезвреживание отходов, попутное использование энергетического потенциала органических отходов. При энергетическом использовании отходы можно рассматривать как альтернативное топливо.

Цель курсовой работы – анализ термических методов переработки ТБО.

Задачи курсовой работы следующие:

1. Анализ морфологического и химического состава ТБО.

2. Анализ технологий утилизации ТБО.

3. Выбор оптимального метода утилизации ТБО.

1. Анализ проблемы твердых бытовых отходов

В настоящее время существуют несколько основных методов утилизации ТБО, образующихся в городах России: складирование на полигонах, сжигание в специальных установках и сортировка ТБО.

В работе рассматриваются термические методы утилизации ТБО с извлечением энергетической фракции и дальнейшим выбором наиболее эффективного метода утилизации. Актуальность выделения энергетической фракции из твердых бытовых отходов заключается в том, что использование ее в качестве топлива позволяет сократить объемы использования ископаемого топлива, значительно сократить объем отходов, направленных на полигон и сократить площади занимаемые полигоном. По стратегии европейских стран к 2010-му г. возобновляемые энергоносители, к числу которых отнесены твердые бытовые отходы, должны составлять 10-15% энергобаланса. Во многих странах Европы разрабатываются стратегии дальнейшего развития индустрии переработки отходов, примером могут послужить следующие принципы:

1. Сокращение массы упаковочных материалов;

2. Утилизация отходов с получением полезной продукции с нулевым выходом отходов;

3. Создание технологии утилизации отходов с минимальным воздействием на окружающую среду;

4. Повышение КПД мусоросжигающих установок с 15-20% в настоящее время до 30-40%;

5. Стабилизация выработки энергии, получение расплавов и золы, пригодных для использования их в дорожном строительстве.

В данной работе проанализирован морфологический состав твердых бытовых отходов на содержание энергетических фракций, а так же рассмотрены основные энергетические характеристики компонентов ТБО.

Для начала необходимо подробно рассмотреть исходный морфологический состав твердых бытовых отходов на содержание энергетических фракций, проанализировать калорийность энергетических фракций.

Используя предварительную сортировку твердых бытовых отходов перед процессом термической утилизации, позволяет выделить наиболее энергоемкие фракции отходов, при сжигании которых можно получать тепловую энергию с меньшими выбросами в окружающую среду.

1.1. Морфологический состав ТБПО

Рассмотрим исходный морфологический состав ТБПО на наличие фракций при утилизации, которых возможно получение энергии, а так же с наиболее полной переработкой. Ниже приведена диаграмма усредненного морфологического состава ТБО.

Рис. 1. Усредненный морфологический состав ТБО

Из диаграммы (рис. 1) видно, что основную массу ТБПО составляют пищевые отходы и бумага, а так же прочие компоненты. Для разных городов и регионов России морфологический состав ТБО изменяется в широких пределах, а так же зависит от дней недели и сезонов года. В последние годы наметилась тенденция к увеличению содержания упаковочных материалов: картона, бумаги, полимерных материалов, основных составляющих энергетической фракции отходов.

Содержание энергетических фракций (картон, бумага, дерево, текстиль, полимерные отходы) составляют 81,9% от общего объема ТБПО.

Для дальнейшего анализа в моей работе были рассмотрены основные физико-химические характеристики фракции ТБПО: влажность, зольность и теплотворная способность, приведенные в табл. №1.

Таблица 1

Физико-химические характеристики энергетической фракции ТБПО

Табл. 1 показывает, что при сжигании фракции отходов можно получать тепловую энергию, которую можно использовать для отопления котельных, сушки ТБПО или подогрева воды, заменяя при этом ископаемое топливо.

Необходимо так же отметить, что на процесс сжигания отходов влияет влажность исходных компонентов отходов, на измерение влажности отходов влияет соотношение пищевых отходов и отходов упаковки. Далее в табл. 2 приведена зависимость теплотворной способности отходов от влажности.

Таблица 2

Зависимость теплотворной способности отходов от влажности

Для дальнейшего обоснования использования ТБПО, в качестве альтернативного топлива необходимо сравнить ее энергетические характеристики с характеристиками традиционного вида топлива, например угля, а также с энергетическими характеристиками ТБПО (несортированных). Данные приведены в табл. 3.

Таблица 3

Сравнение свойств энергетической фракции ТБПО

Из табл. 3 следует, что энергетическая фракция ТБПО обладает меньшим энергетическим потенциалом по сравнению с углем. Но при сравнении с ТБО обладает большим энергетическим потенциалам и лучшими экологическими свойствами при сжигании, за счет меньшей зольности.

В последние годы в зарубежной практике внедряются новые методы термического обезвреживания ТБО с использованием их в качестве топлива и одновременным получением побочных полезных продуктов, например тепловой энергии для отопления жилых помещений или нагрева воды.

Как известно, топливом называется любое вещество, способное вступать с окислителем в быстропротекающий окислительный процесс. Такой процесс сопровождается выделением продуктов сгорания с высокой температурой и, один раз начавшись, в состоянии поддерживаться самопроизвольно, вплоть до полного исчерпания запаса горючего вещества (топлива) в очаге горения, при этом практическое значение могут иметь только такие виды топлива, которые удовлетворяют трем обязательным условиям. Прежде всего, это топливо должно быть достаточно распространенным и доступным для массового применения.

В приведенных выше данных о теплотворной способности компонентов ТБО, можно сделать вывод, что ТБО можно использовать в качестве альтернативного топлива.

Необходимо также отметить, что ресурсы ТБПО практически неисчерпаемы, так как они все время воспроизводятся населением, проживающим на данной селитебной территории, вблизи которой можно разместить установки для их использования.

1.2. Химический состав ТБПО

Усредненные данные химического состава ТБПО по климатическим зонам приведены в табл. №4. Как видно из результатов, приведенных в этой таблице, по содержанию таких элементов, как азот, фосфор, калий и кальций, ТБО могут быть отнесены к веществам, из которых можно получать ценные удобрения.

Таблица 4

Химический состав ТБПО в различных климатических зонах

1.3. Физические свойства ТБО

Плотность. Плотность ТБО колеблется в зависимости от благоустройства жилого фонда и сезонов года. Для благоустроенного жилого фонда плотность ТБО в весенне-летний сезон составляет 0,18-0,22 т/м³, в осенне-зимний сезон 0,2-0,25 т/м³, для неблагоустроенного жилого фонда с печным отоплением 0,3-0,6 т/м³. Чем больше бумаги и различных пластмассовых упаковок, тем меньше плотность ТБО. С увеличением влажности плотность ТБО повышается. В будущем плотность ТБО больших городов за счет увеличения количества различных упаковок снизится до величины, близкой 0,1 т/м³. В крупных городах Европы и Америки плотность ТБО близка к этому показателю.

Связность и сцепление. Бумага и картон, текстиль и пластмассовые пленки формируют структуру ТБО и придают им механическую связность. Липкие и влажные компоненты обеспечивают сцепление. Эти свойства ТБПО способствуют сводообразованию и зависанию на стенках бункеров и прутьях решеток. Так, через решетку 30x30 см ТБО самостоятельно не проваливаются, и для их проталкивания требуются дополнительные усилия. На стенках бункеров с углами 65-70° происходит налипание и зависание ТБО. При длительном хранении ТБО слеживаются, самоуплотняются и теряют сыпучесть.

Компрессионные свойства. Для уменьшения общего объема ТБО при перевозке и складировании на полигонах важно знать их компрессионные свойства, т.е. влияние давления на степень уплотнения. При послойном уплотнении на полигонах при удельном давлении, равном 0,1 МПа, объем рыхлого ТБО, выгруженного из мусоровоза, уменьшается в 3-4 раза. При прессовании ТБО в мусоровозе при удельном давлении, равном 0,1 МПа, их объем уменьшается в 1,5-3 раза. При повышении удельного давления до 0,3-0,5 МПа происходит поломка различного рода упаковок, прессование бумаги и пленок, начинается выдавливание влаги. Объем ТБО в зависимости от состава и влажности может быть уменьшен как минимум в 5 раз от первоначального, полученного при сборе ТБО в контейнерах. Плотность ТБО при этом может достигать величины, равной 0,8 т/м³и более.

При повышении удельного давления до 10-20 МПа отжимается 80-90% всей влаги, содержащейся в ТБО при сборе. При этом объем ТБО снижается еще в 2-2,5 раза, а плотность повышается в 1,3-1,7 раза. Спрессованные таким образом ТБПО на какое-то время стабилизируются, так как содержания влаги в ТБПО недостаточно для активной жизнедеятельности микроорганизмов, а доступ кислорода из-за высокой плотности затруднен. При дальнейшем повышении удельного давления до 60 МПа происходит почти полное отжатие влаги, но объем практически уже не изменяется. Микробиологическая жизнь в таком материале замедляется.

Абразивные и коррозионные свойства. Соскабливание трущихся поверхностей происходит за счет балластных фракций (металл, бой стекла, фаянса, кости и др.). В связи с этим ТБО обладают абразивностью и могут истирать соприкасающиеся с ними взаимоперемещающиеся поверхности. При контакте с металлами ТБПО оказывают коррозирующее воздействие, что связано с их высокой влажностью, наличием в фильтрате растворов различных солей и кислой средой (рН = 5-6,5).

Теплотехнические свойства. Наличие в ТБО большого количества органических веществ обуславливает их теплотворную способность. Удельная теплоёмкость линейно зависит от влажности и может быть определена по формуле, выведенной на эмпирической основе:

СТБО = (0,03-0,04) W + (0,88-1,62), кДж/кг×К.

1.4. Воздействие бытовых отходов на окружающую среду

Порядок обращения с отходами (условия сбора и накопления, способ транспортирования, методы утилизации) зависит от их опасных свойств - токсичности, пожароопасности, взрывоопасности,  высокой реакционной способности,  содержания возбудителей инфекционных болезней. 

В действующей нормативно-правовой базе отсутствует определение опасных бытовых отходов. Для целей настоящего исследования принято следующее определение: опасные бытовые отходы – это отходы, которые могут повысить опасные свойства твердых бытовых отходов при их захоронении, сжигании или компостировании. Опасные свойства отхода устанавливаются в соответствии с требованиями приложения III  к Базельской конвенции о контроле за трансграничной перевозкой опасных отходов и их удалением,  ратифицированной Федеральным законом от 24  ноября 1994  года № 49-ФЗ  "О ратификации Базельской конвенции о контроле за трансграничной перевозкой опасных отходов и их удалением" или требованиями соответствующих ГОСТов. Токсичность определяется как способность вызвать серьезные, затяжные или хронические заболевания людей,  включая раковые заболевания,  при попадании внутрь организма через органы дыхания, пищеваренияили через кожу. 

Пожароопасность определяется по соответствующим ГОСТам,  устанавливающим требования по пожарной безопасности и/или наличием хотя бы одного из следующих свойств:  –  способностью жидких отходов выделять огнеопасные пары при температуре не выше 60°С в закрытом сосуде или не выше 65,5°С в открытом сосуде;  – способностью твердых отходов,  кроме классифицированных как взрывоопасные, легко загораться,  либо вызывать или усиливать пожар при трении;  – способностью отходов самопроизвольно нагреваться при нормальных условиях или нагреваться при соприкосновении с воздухом, а затем самовозгораться;  –  способностью отходов самовозгораться при взаимодействии с водой или выделять легковоспламеняющиеся газы в опасных количествах. 

Взрывоопасность определяется как способность твердых или жидких отходов  (либо смеси отходов)  к химическим реакциям,  сопровождающимся взрывом. 

Высокая реакционная способность обусловлена содержанием органических веществ  (органических пероксидов),  которые имеют двухвалентную структуру -0-0- и могут рассматриваться в качестве производных перекиси водорода,  в котором один или оба атома водорода замещены органическими радикалами. 

Содержание возбудителей инфекционных болезней определяется как наличие живых микроорганизмов или их токсинов,  способных вызвать заболевания у людей или животных. 

Экотоксичными являются вещества или отходы,  которые в случае попадания в окружающую среду представляют или могут немедленно или со временем представлять угрозу для окружающей среды в результате биоаккумулирования и/или оказывать токсическое воздействие на биотические системы.

Попадая на полигон, опасные компоненты бытовых отходов становятся потенциальным источником загрязнения,  представляющим реальную угрозу природе и человеку.

Через отходы,  размещенные на полигоне, просачивается 1/3— 1/4 годового количества осадков . Вода вымывает   содержащиеся в отходах токсичные вещества, таким образом, в различных направлениях постоянно идет миграция разнообразных химических соединений.  Фильтрат содержит широкий спектр компонентов-загрязнителей,  таких,  как    Fe, SO₄, Cl, NH₄,  фенолы,  роданиды,  РО₄, С_ПАВ, F, Hg, Ni, Ba, Se, Mn, AI, Pb, Cd. В результате анализов фильтратов установлено наличие в них 58  органических веществ, 33 металла и 13 одноосновных кислот алифатического и ароматического характера . Уровень загрязнений в фильтрате, мигрирующем из тела свалки, в большинстве случаев в 10-20  раз превышает показатели,  характерные для бытовых сточных вод.  Так,  содержание взвешенных веществ может колебаться от 800 до 1600 мг/л, меди – от  0,1 до 9 мг/л, никеля – до 0,8 мг/л, свинца – 0,37 мг/л. Основное воздействие полигон может оказывать на водные объекты прилегающей территории. Оно может проявляться в случае попадания фильтрата,  скапливающегося в основании полигона, в грунтовые и поверхностные воды территории.  Под воздействием фильтрата замещаются первичные породы в зоне водонасыщения, изменяются их физико-механические свойства.  Интенсивное локальное загрязнение на участках выхода фильтрата испытывают почвогрунты.  Элементы геологической среды -  подстилающие полигон и водовмещающие породы -  также могут загрязняться при просачивании фильтрата в водоносные горизонты. За счет распространения загрязнения у жителей, проживающих вблизи свалок, отмечается повышенная заболеваемость,  в том числе у детей развивается онкологическая патология. Опасность,  исходящая от полигонов захоронения отходов,  не ограничивается временем их активной эксплуатации,  а сохраняется еще очень длительное время. Иногда их пагубное влияние через 20—30  лет после закрытия только начинается.  Поэтому сегодня в мире большое внимание уделяется предотвращению попадания опасных компонентов бытовых отходов на свалки.

2.Термические способы переработки отходов

2.1. Сжигание  ТБО

Сжигание – это широко распространенный, технически отработанный, традиционный способ уничтожения ТБО, применяемый еще с конца 19 века. Ликвидации путем сжигания подлежит также значительное количество промышленных отходов. В Европейских странах сжигается около 25% объема образующихся горючих отходов. В России сжиганию подвергается около 2,3% бытового мусора.

Процесс сжигания осуществляется на мусоросжигательных заводах (МСЗ), которые имеют паровые или водогрейные котлы со специальными топками. Температура в топке должна быть не менее 1000^оС, чтобы сгорели все вредные примеси. Необходимость строительства МСЗ определяется следующими факторами:

- отсутствием свободных земельных площадей в городах для размещения мусора;

- санитарно-гигиеническими соображениями;

- возможностью получения тепловой энергии.

Первый в России МСЗ был построен в Москве и запущен в 1975 году. Всего в России было построено 8 МСЗ (3 – в Москве, по одному – во Владимире, Владивостоке, Сочи, Мурманске и Пятигорске). 3 завода было построено на Украине (в Харькове, Киеве и Севастополе). В настоящее время строятся МСЗ в Днепропетровске, Кишиневе и Саратове. МСЗ работают преимущественно на импортном оборудовании (французском, датском, чехословацком),  только  Владимирский  завод  работает  на  отечественном  оборудовании.  МСЗ  в  Ростове-на-Дону  демонтируют  по  требованию  общественности.  В  технологических  циклах  этих  заводов не  предусмотрена  предварительная  сортировка  мусора,  что  приводит  к  выбросу  в  атмосферу  вредных  веществ.

К  преимуществам  метода  сжигания  относятся  следующие.

1)  Возможность  рекуперации  (возвращения,  полезного  использования)  образующегося  тепла.  Теплоту  сгорания  ТБО  следует  полезно  использовать.  Теплотворная  способность  ТБО  достигает  7500  –  8400  кДж/кг,  что  сопоставимо  с  бурым  углем  и  другим  низкосортным  топливом  (торфом,  сланцем).  Таким  образом,  ТБО  можно  рассматривать  как  нетрадиционный  вид  топлива.  Вырабатываемая  тепловая  энергия  используется  на  нужды  централизованного  теплоснабжения  или  для  выработки  электроэнергии.

Выбору  метода  сжигания  должно  предшествовать  детальное  технико-экономическое  обоснование  схемы  сбыта  получаемой  тепловой  энергии,  так  как  строительство  МСЗ  требует  огромных  капитальных  вложений.  Следует  заметить,  что  строительство  современных  ТЭЦ  или  котельных  равноценной  мощности  (по  производимой  энергии)  примерно  в  8  –  10  раз  дешевле.

Оптимальными  условиями  строительства  МСЗ  с  утилизацией  тепловой  энергии  являются:

-  наличие  гарантированных  потребителей  электрической  или  тепловой  энергии;

-  наличие  шлакоотвала  или  потребителей  шлака  в  качестве  вторсырья  не  далее  10  км  от  МСЗ;

-  численность  обслуживаемого  населения  не  менее  350  тыс.  чел.

2)  Надежное  обезвреживание  отходов.

3)  Снижение  риска  загрязнения  отходами  почв  и  грунтовых  вод.

4)  Сокращение  объема  отходов  более  чем  в  10  раз,  массы  –  в  3  раза.

Вместе  с  тем  метод  сжигания,  хотя  и  является  простым  и  универсальным  методом  утилизации,  но  имеет  массу  недостатков  и  низкий  уровень  экологичности.  Функционирование  МСЗ  сопровождается  негативным  воздействием  на  биосферу.  К  недостаткам  метода  сжигания  относятся  следующие.

1)  Опасность  загрязнения  атмосферы  вредными  выбросами.  Дымовые  газы,  образующиеся  при  сжигании  ТБО,  содержат  в  своем  составе  разнообразные  вредные  вещества:  оксиды  серы  и  азота,  оксид  углерода,  хлористый  и  фтористый  водород,  летучую  золу,  тяжелые  металлы.  При  неполном  окислении  пищевых  отходов,  жиров,  масел  образуются  альдегиды  и  органические  кислоты,  канцерогенные  вещества  (бенз(а)пирен  и  др.),  аммиак,  озон  и  другие  вредные  вещества  в  незначительных  количествах.

Отметим  диоксиновую  опасность  при  обращении  с  отходами.  При  сжигании  несортированного  бытового  мусора,  содержащего  синтетические  полимерные  материалы,  особенно  имеющие  в  своем  составе  атомы  хлора  (ПВХ  и  его  сополимеры),  образуются  диоксины  и  фураны  (группа  элементов,  родственных  диоксинам,  обладающих  подобными  токсичными  свойствами),  и  это  является  самой  сложной  проблемой  при  сжигании  ТБО.  Диоксины  –  общепринятое  название  группы  органических  веществ,  относящихся  к  классу  полихлорированных  полициклических  соединений.  Под  этим  названием  объединено  более  200  веществ  –  дибензодиоксинов  и  дибензофуранов.  Расположение  атомов  хлора  может  меняться,  тогда  изменяются  и  свойства  веществ,  их  токсичность.

Диоксины  –  химически  инертные  вещества,  кислотами  и  щелочами  не  разлагаются  даже  при  кипячении.  При  обычных  температурах  это  кристаллические  вещества  с  температурой  плавления  около  300⁰С,  плохо  растворимые  в  воде,  отличающиеся  высокой  термической  стабильностью:  начало  их  разложения  при  750  –  800^оС,  полное  разложение –  при  температурах  1000^оС  и  более.  Основной  особенностью  диоксинов  является  их  способность  к  образованию  прочных  комплексов  (несмотря  на  химическую  инертность)  со  многими  природными  и  синтетическими  полициклическими  соединениями.  Природные  пути  образования  диоксинов  не  обнаружены,  они  являются  побочным  продуктом  научно-технического  прогресса.  По  характеру  воздействия  на  человека  диоксиновое  отравление  названо  учеными  экологическим  СПИДом.