Вопрос утилизации бытовых отходов в настоящее время исключительно актуален – особенно в условиях большого города. Однако уничтожение мусора может не только создавать проблемы, но и приносить существенную пользу. С одной стороны, твердые бытовые отходы (ТБО) – это богатый источник вторичных ресурсов (в том числе – черных, цветных, редких и рассеянных металлов), с другой – «бесплатный» возобновляемый энергоноситель.

Сжигание отходов с целью получения энергии применялось уже в конце XIX века. Примерно 5 тонн мусора выделяют при сгорании столько же тепла, сколько 2 тонны угля или тонна жидкого топлива. Однако есть и известный недостаток: в атмосферу выделяются вредные вещества, кроме того – уничтожаются ценные органические и другие компоненты.

Сжигание мусора можно разделить на два вида: непосредственное, при котором мы имеем только тепло и энергию, и пиролиз (газификацию), когда получают жидкое и газообразное топливо. Первые установки для выработки энергии путем сжигания ТБО (в сочетании с котлами для производства горячей воды и пара) появились в Великобритании в 1896 г. Позднее во многих городах мира на мусоре стали работать муниципальные электростанции и теплоцентрали.

Дармовая энергия пропадает даром

В России рациональному сжиганию подвергают пока лишь около 2% бытовых отходов. Даже в самом прогрессивном с этой точки зрения регионе – г. Москве, где не только действуют, но и модернизируются мусоросжигательные заводы (см. «Новые технологии», ЭиПР, № 6 2006. – Прим. ред.), – количество эффективно сжигаемых отходов не превышает 10%.

Для повышения экологической безопасности необходимым условием при сжигании мусора является соблюдение ряда принципов. Основными из них являются: температура, которая зависит от вида утилизируемых веществ; продолжительность высокотемпературного процесса, зависящая также от вида отходов; создание воздушных турбулентных потоков для полноты сжигания.

«Ахиллесова пята» переработки

Первый мусоросжигательный завод в нашей стране появился в Москве в 1970 х. Сейчас подобные предприятия действуют во Владивостоке, Владимире, Мурманске и других крупных городах. Работают они преимущественно на импортном оборудовании.

В последнее время промышленное применение находит метод совместного сжигания твердых бытовых отходов и шламов сточных вод. При этом процессе нет неприятного запаха, и тепло от сжигания используется для осушки водосточных осадков.

Однако надо отметить, что технология сжигания бытовых отходов развивалась в период, когда не было жестких норм выброса в атмосферу газовой составляющей. Поэтому позднее, с введением норм газоочистки, стоимость переработки ТБО на мусоросжигательных заводах резко возросла. Предприятия стали убыточны.

В связи с этим актуальным стал поиск таких способов переработки мусора, при которых можно было бы утилизировать и вторично использовать ценные компоненты, содержащиеся в этом виде топлива.

Принцип газификации

Именно такой способ нашли ученые Института проблем химической физики в Черноголовке РАН. Они разработали эффективный метод термической переработки горючих отходов, основанный на использовании нового физического явления – фильтрационного горения в сверхадиабатических режимах (адиабатический – протекающий в системе без теплообмена с окружающей средой). При таких режимах температура в зоне реакции существенно превышает адиабатическую температуру горения. Использование их в процессах газификации открыло широкие возможности для утилизации разного рода горючих отходов. При этом обеспечиваются высокая энергетическая эффективность, экологическая чистота и относительно невысокие затраты.

Предлагаемая технология термической переработки основана на двустадийной схеме. На первой стадии перерабатываемый материал подвергается паровоздушной газификации в сверхадиабатическом режиме горения. Получаемый при этом энергетический продукт-газ, содержащий водород Н₂, окись углерода СО и в ряде случаев углеводороды или другие органические соединения, сжигается на второй стадии в обычных устройствах (например, паровых или водогрейных котлах) с получением тепловой и электрической энергии.

Процесс газификации (высокотемпературного пиролиза) топлива в установке осуществляется в реакторе-газификаторе (пат. РФ № 2079051) шахтного типа при реализации сверхадиабатических разогревов в «плотном» слое.

Специфическая особенность данного процесса в том, что выделяющееся при горении тепло не выводится из реактора, а концентрируется в зоне газификации и используется на получение водорода из воды и частично окиси углерода из углеродосодержащих соединений.

Структура реактора

Перерабатываемое сырье загружается в реактор сверху через шлюзовую камеру. Снизу подаются воздух и водяной пар. Отбор продукт-газа осуществляется в верхней части реактора, а выгрузка зольного остатка – в нижней, при этом продвижение рабочей массы в реакторе происходит под действием собственного веса.

По высоте газификатора располагаются несколько характерных зон. В самых верхних слоях температура поддерживается в пределах 100 200°С. Здесь происходит подсушка вновь поступившего сырья, продуваемого продукт-газом. В результате продукт-газ до некоторой степени насыщается водяным паром.

Ниже располагается зона, где преобладают процессы пиролиза и возгонки органических веществ. В бескислородной среде происходит термическое разложение и коксование органической массы. Газ обогащается летучими продуктами пиролиза.

В средней части реактора располагается зона газификации, где при температурах 1000 1200°С происходит реакция коксового остатка с кислородом, парами воды и диоксидом углерода с образованием СО и Н₂. Некоторая часть углерода сгорает полностью с образованием углекислого газа, за счет чего в зоне газификации поддерживается необходимая температура.

Дальше находится зона, где твердый осадок, состоящий в основном из минеральных соединений, постепенно охлаждается в потоке газифицирующего агента, богатого кислородом. Здесь догорают остатки органических соединений и углерода. Горючие материалы полностью превращаются в золу.

Нижняя часть реактора – это зона окончательного охлаждения твердого остатка до температуры около 100°С.

Экологичные отходы

Такая организация процесса термической переработки отходов обеспечивает следующие экологические преимущества по сравнению с методами прямого сжигания:
процесс газификации имеет высокий энергетический КПД (до – 95%), позволяющий перерабатывать материалы с малым содержанием горючих составляющих (с зольностью до 90%) и с высокой влажностью (до 60%);
низкие – линейные скорости газового потока в реакторе и его фильтрация через слой исходного перерабатываемого материала обеспечивают крайне низкий вынос пылевых частиц с продукт-газом, что дает возможность сильно сократить капитальные затраты на газоочистное и энергетическое оборудование;
в некоторых – случаях, когда необходимо проводить очистку газовых выбросов от соединений серы, хлора или фтора, пыли, паров ртути, очищать продукт-газ оказывается проще, чем дымовые газы, благодаря низкой температуре, меньшему объему и более высокой концентрации загрязнителей; кроме того, сера присутствует в продукт-газе в восстановленных формах (H2S, COS), которые много проще поглотить, чем SO2;
при газификации происходит частичное разложение азотсодержащих – органических соединений в бескислородной среде, что дает меньшее количество окислов азота в дымовых газах;
сжигание в две стадии позволяет резко – уменьшить образование диоксинов (полихлорированных дибензодиоксинов и дибензофуранов), поскольку даже при наличии хлора подавляется появление в дымовых газах ароматических соединений (предшественников диоксинов) и обеспечивается низкое содержание пылевых частиц (катализаторов образования диоксинов в дымовых газах);
зола, выгружаемая из реактора, имеет низкую – температуру и практически не содержит недогоревшего углерода.

Следует также отметить, что при утилизации некоторых видов отходов имеется возможность извлечения из продукт-газа товарных материалов для последующей переработки (например, нефти и др.).

Кроме того, выбор оборудования для утилизации тепла при сжигании продукт-газа не ограничивается паровым или водяным котлом – возможно применение газовых турбин и энергетических дизелей – таким образом, предлагаемая схема переработки легче вписывается в имеющуюся промышленную инфраструктуру.

Работающая установка

В настоящее время в Институте проблем химической физики РАН на основе метода газификации конденсированных топлив в режиме сверхадиабатического горения разработан уже целый ряд технологий утилизации низкосортных топлив и горючих отходов. Это, например, процессы газификации низкосортных углей и угольных отходов с получением энергетического газа; переработки изношенных шин и резинотехнических изделий с получением металлокорда, порошка окиси цинка, нефтеподобного пиролизного масла и горючего газа; переработки древесных отходов и отходов целлюлозно-бумажной промышленности (в том числе лигнина) с получением энергетического газа и пиролизных смол; утилизации нефтеотходов и нефтешламов; сжигания ила биологической очистки канализационных стоков; обезвреживания ряда промышленных отходов, в том числе лакокрасочных отходов, отходов полимеров, отработанных фильтров, промасленных опилок и ветоши, отходов химического производства; сжигания биомассы.

Эти процессы отработаны на лабораторных и пилотных установках.

Была создана, например, установка для переработки ТБО непрерывного действия производительностью две тонны в час (производительность можно повысить, наращивая число модулей-реакторов). Реактор-газификатор здесь имеет рабочий диаметр 1,5 м и высоту 7,3 м. Установка потребляет 1800 м3 воздуха и до 700 кг пара в час. Тепловая ее мощность, получаемая при сжигании продукт-газа, – 5 МВт. Вырабатываемая тепловая энергия используется для нужд горячего водоснабжения города.

В настоящее время ведется разработка реакторов иных типоразмеров. Кроме того, начата разработка газовой турбины, работающей на получаемом продукт-газе, в комплекте с реактором-газификатором.

Определенные в ходе испытаний характеристики газовых выбросов подтвердили экологическую чистоту процесса при сжигании ТБО. Так, концентрация диоксинов в дымовых газах, даже без их очистки, не превышает 2х10 10 г/м3. Твердый остаток от сжигания может быть безопасно захоронен; как вариант процесса предусмотрено остекловывание золы с тем, чтобы исключить выщелачивание тяжелых металлов.

Между тем именно в связи с невозможностью ликвидации негативных последствий высокотемпературного пиролиза в свое время потерпели неудачу мусороперерабатывающие заводы, использующие метод газификации твердых бытовых отходов, в США и других западных странах. (См., например, «Отчет союза охраны окружающей среды «Blue Ridge» на сайте www.ecolog.info ;– прим. ред.).

Анатолий АЛАДЬИН, Павел АНДРЕЕВ
Энергетика и промышленность России