Мобильная мусороперерабатывающая установка на основе плазменных технологий

Как правило, твердыми бытовыми отходами (ТБО, бытовой мусор) являются предметы или товары, которые потеряли потребительские свойства, а также наибольшая часть отходов потребления.

Состав ТБО различается в разных странах, городах. Он зависит от многих факторов, включая благосостояние населения, климат и благоустройство. На состав мусора существенно влияет система сбора и сортировки (стеклотара, макулатура и т.д.). Состав может меняться в зависимости от сезона, погодных условий. Так, на осень приходится увеличение количества пищевых отходов, что связано с большим употреблением овощей и фруктов в рационе. А зимой и весной сокращается содержание мелкого отсева (уличного смета).

С течением времени состав ТБО несколько меняется: увеличивается доля бумаги и полимерных материалов, а с переходом на централизованное теплоснабжение в ТБО практически исчезают уголь и шлак.

Согласно исследованиям Европейского агентства по охране окружающей среды, уменьшение количества отходов является одной из наиболее важных задач для стран ЕС. Ежегодно производится около 1,3 млрд. т ТБО, в которых доля коммунальных отходов равна 14%, а на среднестатического жителя Европы приходится около 400 кг ТБО в год [1].

В России ежегодно производится около 3,8 млрд. т всех видов отходов. Количество ТБО составляет 63 млн. т/год (в среднем 445 кг на человека).

Состав ТБО (в среднем): бумага и картон - 35 %, пищевые отходы - 41, пластмассы - 3, стекло - 8, металлы - 4, текстиль, другое - 9 %. В среднем перерабатывается 10 - 15 % мусора. Твердые бытовые отходы подвергаются переработке только на 3 - 4 %, промышленные - на 35%. В основном мусор свозится на свалки - их в России около 11 тысяч. В них захоронено около 82 млрд. т отходов.

Для определения класса ТБО с целью принятия соответствующих мер по их хранению и транспортировке производится деление на степени воздействия. Различают пять степеней, установленных согласно российскому законодательству:

• 5 -я степень опасности (СО). Утилизируемые ТБО. Влияние на экологию очень низкое. Мусор подвержен переработке без существенного воздействия на окружающую природную среду;

• 4 -я СО. Среднеопасные ТБО. В эту группу входят все отходы с периодом естественного распада до 3 лет. Несмотря на то что их присутствие нарушает экологическое равновесие в природе, степень опасности таких ТБО определена как низкая;

• 3 -я СО. Опасные отходы. Воздействие на природу сильное, влекущее нарушение экологической системы. Срок восстановления природы после воздействия таких ТБО составляет около 10 лет, причем срок отсчитывается после ликвидации источника воздействия;

• 2 -я СО. Высокая опасность. После воздействия на экологию полное восстановление баланса возможно не менее чем через 30 лет;

• 1 -я СО. Крайне высокая опасность. Воздействие таких ТБО влечет за собой полное уничтожение природы без возможности ее восстановления.

Особую группу составляют отходы, накапливающиеся в местах массового отдыха людей. Их состав, виды и время разложения приведены в таблице. Сбор, транспортировка, захоронение и/или уничтожение подобных отходов связаны с техническими, экономическими и экологическими трудностями.

Таблица

Виды и время разложения отходов

Отходы	Время разложения
Упаковки для пищевых продуктов	от 50 до 200 лет
Полиэтиленовые пакеты	от 100 до 400 лет
Пластиковые бутылки (полистирол и полиэтиленте-рефталат)	200-250 лет
Изделия из пластмассы (полихлорвинил)	250-400 лет
Пенопласт (пенополистирол)	от 80 до 400 лет
Изделия из пластмасс-поливинилхлоридов	до 1000 лет

Существует много методов и способов переработки мусора (ТБО). Наиболее распространенными в мировой практике методами в настоящее время являются захоронение мусора, компостирование, термическая переработка, плазменная переработка.

Захоронение. Сегодня захоронение мусора на полигонах является наиболее распространенным способом утилизации отходов в мире. Данный метод применяется к несгораемым отходам и к таким отходам, которые в процессе горения выделяют токсичные вещества.

Главный минус традиционного захоронения отходов - это загрязнение воды и воздуха, которые происходят из-за таких негативных эффектов разложения отходов, как гниение и ферментация, несмотря на использование многочисленных систем очистки и фильтров. Поэтому, хотя относительно других способов утилизации захоронение ТБО стоит достаточно дешево, экологи рекомендуют перерабатывать отходы, тем самым сводя к минимуму риски загрязнения окружающей среды.

Что касается полигонов, которые являются простейшими и наиболее распространенными сооружениями по обезвреживанию ТБО, то наиболее передовым опытом является строительство крытых полигонов. Первый крытый полигон был построен в Японии в июле 1998 г. [2].

Компостирование мусора представляет собой технологию переработки отходов, которая основана на их естественном биоразложении. По этой причине компостирование широко применяется для переработки отходов, имеющих органическое происхождение. Сегодня существуют технологии компостирования как пищевых отходов, так и неразделенного потока ТБО.

Поскольку бытовые отходы содержат достаточно высокий процент органической фракции, для переработки ТБО довольно часто применяют термические методы. Термическая переработка представляет собой совокупность процессов теплового воздействия на отходы, необходимых для уменьшения их объема и массы, обезвреживания и получения энергоносителей и инертных материалов (с возможностью утилизации).

Важными преимуществами современных методов термической переработки являются:

• -    эффективное обезвреживание отходов (полное уничтожение патогенной микрофлоры);

• -    снижение объема отходов до 10 и более раз;

• -    использование энергетического потенциала органических отходов.

Из всего многообразия методов переработки ТБО наиболее распространено сжигание. Основными преимуществами сжигания являются:

• -    высокий уровень апробированности технологий;

• -    серийно выпускаемое оборудование;

• -    продолжительный срок эксплуатации;

• -    высокий уровень автоматизации.

Основной экологической проблемой при сжигании ТБО является образование диоксинов и фуранов, первичным источником которых в топке котла являются сами отходы, поступающие на переработку. Кроме того, синтез диоксинов происходит непосредственно в термическом реакторе в присутствии хлора и органических веществ, которые в избытке содержатся в ТБО в виде остатков пластмассовых изделий из поливинилхлорида, электроизолирующих изделий, смазочных материалов и т.п. Еще одной причиной образования диоксинов служит их «новый синтез» в низкотемпературных участках тракта дымовых газов в присутствии катализаторов, которыми являются частицы летучей золы, металлические поверхности тракта и т.п. [1].

Основной тенденцией развития мусоросжигания являются переход от прямого сжигания отходов к оптимизированному сжиганию полученной из ТБО топливной фракции и плавный переход от сжигания как процесса ликвидации мусора к процессу, который обеспечивает дополнительное получение электрической и тепловой энергии. Наиболее перспективно сегодня применение плазменных технологий, благодаря которым обеспечивается температура выше, чем температуры плавления шлака, что дает возможность получить на выходе безвредный остеклованный продукт и полезную энергию.

Сжигание можно разделить на два вида: непосредственное сжигание, при котором образуются только тепло и энергия, и пиролиз, при котором образуется жидкое и газообразное топливо. Процесс газификации схож с процессом пиролиза. Отличие заключается в том, что газификация происходит с немного уменьшенным количеством кислорода и ее считают сравнительно более чистой альтернативой сжиганию [2].

Плазменная переработка мусора (ТБО) представляет собой не что иное, как процедуру газификации мусора. Технологическая схема данного способа предполагает собой получение горючих газов из газоорганической составляющей отходов с целью применения его для получения пара и электроэнергии. Составной частью процесса плазменной переработки являются твердые продукты в виде непиролизуемых остатков или шлака.

Явным преимуществом высокотемпературного пиролиза является то, что данная методика дает возможность экологически чисто и относительно просто с технической стороны перерабатывать и уничтожать самые различные бытовые отходы без необходимости их предварительной подготовки, т.е. сушки, сортировки и т.д. С экономической точки зрения, использование данной методики сегодня более выгодно, чем применение других более устаревших методик.

При использовании данной технологии получаемый на выходе шлак является совершенно безопасным продуктом, и он может быть использован впоследствии для самых различных целей.

Разработанная технология основана на использовании электродуговой плазмы (электромагнитного плазменного реактора и электродугового плазмотрона).

Целью исследования являются разработка и изготовление технологического оборудования для ступенчатой высокотемпературной обработки отходов:

I ступень - плавление и сжигание горючих твердых бытовых и медицинских отходов (пластмассы, полимерные и органические материалы и т.п.);

II ступень - дожигание токсичных газовых выбросов. При этом исключаются вредные выбросы в атмосферу.

Имеется возможность дальнейшей переработки золошлаковых отходов.

Предлагаются два варианта проекта: передвижная установка на автомобильной платформе и стационарная установка с привязкой к определенному месту сбора отходов.

Передвижная установка, разработанная на основе технологии плазменного пиролиза, имеет вид, представленный на рисунке 1.

I ступень - сжигание при Т = 1200-1300 °C

II ступень -дожигание (нейтрализация газов) 1300-1600 °C

Мусор

-Плазмотрон

® -Вентилятор

Ш) - Шредер

Рисунок 1 - Принципиальная схема передвижной установки

Производительность данной установки 50–100 кг/ч перерабатываемых отходов. Удельные затраты электроэнергии - до 1 кВт^ч/кг.

Первая ступень установки представляет собой электромагнитный трехфазный плазменный реактор, в котором между тремя электродами зажигается электрическая дуга. Электрическая дуга равномерно вращается в поперечном сечении реактора за счет взаимодействия электромагнитных полей электрической дуги (проводника с током) и трех катушек, включенных последовательно в цепь питания электродов. Источником питания служит трехфазный тиристорный преобразователь, позволяющий регулировать ток в реакторе в пределах от 0 до 300 А и напряжение от 100 до 400 В [3].

При подаче измельченных отходов в реактор отходы пиролизуются, органическая составляющая переходит в газовую фазу, а неорганическая часть образует расплав, который по мере накопления выпускается через летку в нижней части реактора. Температура пиролиза, частичного сжигания и плавления отходов в реакторе регулируется в пределах 1000-1300 ° С изменением тока и напряжения источника питания (рис. 2).

а

Рисунок 2 а - общий вид реактора; б - реактор в работе

б

Дымовые газы представляют собой смесь токсичных и нейтральных летучих соединений, которые необходимо нейтрализовать до соответствующих норм (ПДК). Известно, что разложение вредных токсичных выбросов в атмосферу происходит при их нагреве в пределах температур 1300-1600 ° С в зависимости от состава газов.

На разработанной установке разложение (дожигание) токсичных газов достигается путем встраивания на выходе газов из реактора электродугового плазмотрона (рис. 3). Темпера- тура факела плазмотрона в требуемых пределах (1500-2000 °С) регулируется изменением параметров источника питания плазмотрона. Таким образом, на второй ступени установки достигается полная нейтрализация токсичных газовых выбросов без применения каких-либо химических методов, применяемых по известным традиционным технологиям утилизации ТБО.

Рисунок 3 - Система очистки газов с плазмотроном

На рисунке 4 приведена структурно-логическая схема 2-ступенчатой инновационной плазменной переработки твердых бытовых и медицинских (органических) отходов.

Рисунок 4 - Структурно-логическая схема установки

Установка прошла успешные испытания по сжиганию твердых бытовых и медицинских отходов, содержащих в основном органические составляющие.

Потребляемая суммарная мощность передвижной установки составляет от 100 до 150 кВт при производительности от 50 до 150 кг в час переработки отходов. Удельные энергозатраты зависят от вида и химического состава сырья.

Эффективность установки можно увеличить при использовании в стационарном варианте, когда выделяющаяся тепловая энергия горячих газов может быть использована в котельных и/или газотурбинных установках. Разработка инновационных стационарных установок по утилизации отходов на основе плазменных технологий является направлением дальнейших исследований.

Внедрение данной технологии позволит решить экологическую проблему городов и крупных населенных пунктов Республики Бурятия, мест отдыха на побережьях озер Щучье, Еравнинское, Гусиное и всей прибрежной зоны оз. Байкал. Установка может применяться в любом регионе, где нет организованного сбора, захоронения и утилизации ТБО.

Выводы

Разработанная инновационная технология и оборудование являются оригинальными и не имеющими аналогов.

Во-первых, для пиролиза и сжигания отходов на первой ступени используется плазмохимический реактор в виде плазменно-дугового трехфазного аппарата, в котором электрическая дуга вращается магнитным полем.

Во-вторых, при вращении электродуговой плазмы по всему сечению реактора создается равномерное температурное поле со средней температурой Т ср = 1000-1300 ° С, которая может регулироваться изменением напряжения и тока от источника питания.

В-третьих, сложные токсичные газовые выбросы нейтрализуются на выходе из плазмохимического реактора, проходя через плазменный факел при температуре до 2000 ° С.

Исследования на лабораторной установке производительностью до 20 кг/ч сжигания ТБО и медицинских отходов позволили сделать заключение об энергетической и экологической эффективности данной технологии. На основе исследований разработана промышленная установка производительностью 150 кг/ч уничтожения отходов.