В статье автор определяет виды отходов и их способы утилизации под действием высоких температур.
Ключевые слова: отходы, термический метод, сжигание, пиролиз.
Введение
В современном мире проблема утилизации отходов становится все более актуальной. Большую угрозу представляют собой особо опасные отходы, которые могут нанести серьезный вред окружающей среде и здоровью человека. Одним из эффективных способов утилизации таких отходов является термическая обработка. Термическая утилизация — это процесс обработки отходов, при котором происходит их сжигание или термическое разложение. Этот метод позволяет уничтожить опасные вещества, содержащиеся в отходах, и превратить их в безопасные соединения. В данной работе целью является рассмотрение особенности термической утилизации особо опасных отходов, ее преимущества и недостатки, а также требования, предъявляемые к процессу.
Я поставил следующие задачи:
- Узнать о видах отходов, категориях и для чего требуется их устранение.
- Разобраться в тонкостях термической утилизации, её методах и требованиях.
Одной из наиболее острых экологических проблем в настоящее время является загрязнение окружающей природной среды отходами производства и потребления и в первую очередь опасными отходами. Сконцентрированные в отвалах, хвостохранилищах, терриконах, несанкционированных свалках отходы являются источником загрязнения атмосферного воздуха, подземных и поверхностных вод, почв и растительности.
Все отходы подразделяют на естественные (природные) и антропогенные. Антропогенные делятся на отходы производства (сельскохозяйственные и промышленные) и бытовые отходы.
Бытовые отходы могут находиться как в твердом, так и жидком и реже — в газообразных состояниях. Твердые бытовые отходы (ТБО) — совокупность твердых веществ (пластмасса, бумага, стекло, кожа и др.) и пищевых отбросов, образующихся в бытовых условиях. Жидкие бытовые отходы представлены в основном сточными водами хозяйственно-бытового назначения. Газообразные — выбросами различных газов.
Производственные отходы представляют собой остаточные продукты сырья, материалов и полуфабрикатов, возникающие в процессе изготовления товаров или выполнения работ и утратившие свои первоначальные потребительские характеристики. Они могут быть представлены в различных агрегатных состояниях: твердые (например, металлические отходы, пластик, древесина), жидкие (такие как промышленные сточные воды, использованные органические растворители) и газообразные (например, выбросы из промышленных печей и автомобильного транспорта).
Аналогично бытовым отходам, производственные отходы часто оказываются на нелегальных свалках из-за нехватки специализированных полигонов для захоронения. Лишь небольшая часть, около 20 %, подвергается обезвреживанию и переработке. Наибольший объем промышленных отходов образуется в угольной промышленности, металлургии (черной и цветной), теплоэнергетике и производстве строительных материалов.
Утилизация особо опасных отходов направлена на устранение их негативного воздействия путем обеззараживания или захоронения, чтобы предотвратить ущерб здоровью населения и сохранить экологическое равновесие. Если в ходе производственных процессов образуются отходы с высоким уровнем опасности, то правильная переработка позволяет полностью их нейтрализовать и избежать штрафных санкций [4].
Отходы классифицируются как особо опасные, если они являются источником радиации, вызывают коррозию, способствуют распространению инфекций или негативно влияют на качество воздуха, воды и почвы. Такие материалы не подлежат вторичной переработке, и для их нейтрализации применяются специализированные методы.
- Механические методы: дробление, прессование и другие способы физического изменения формы отходов с целью уменьшения их объема и облегчения дальнейшей обработки.
- Физические методы: использование ультразвука, ультрафиолетового излучения, электрического тока и других физических воздействий для изменения свойств отходов и снижения их токсичности.
- Химические методы: применение химических реагентов для взаимодействия с токсичными веществами в составе отходов, что приводит к их нейтрализации или снижению концентрации.
- Термические методы: включают различные виды термической обработки, такие как пиролиз, сжигание и другие процессы, при которых происходит разрушение токсичных соединений.
- Ликвидационные методы: захоронение особо опасных отходов на специально оборудованных полигонах, где обеспечивается их безопасное хранение и изоляция от окружающей среды.
Выбор метода зависит от характеристик отходов, их класса опасности и требований законодательства. Важно помнить, что процесс нейтрализации должен проводиться специализированными предприятиями, имеющими лицензию на работу с опасными отходами.
Также есть категории опасности, среди которых:
— чрезвычайно опасные отходы, которые могут нанести непоправимый вред окружающей среде и человеку. К ним относятся радиоактивные, химически и биологически опасные отходы.
— высокоопасные отходы, которые могут привести к серьезному нарушению эко-среды, её восстановление займет не менее 30 лет. К таким отходам относятся аккумуляторы, батарейки, остатки нефтепродуктов, пиротехника, вещества, содержащие мышьяк, свинец и др.
— умеренно опасные отходы, восстановление экосистем после которых займет не менее 10 лет. К ним относятся бытовая химия, навоз, птичий помет, медные провода, моторное масло и некоторые строительные отходы.
— малоопасные отходы, наносящие небольшой вред окружающей среде, но требующие специальной утилизации. К ним относятся предметы, прошедшие обработку химическими веществами, строительный мусор, бытовая техника и электроника.
Утилизация и обезвреживание особо опасных отходов требуют особого подхода и соблюдения строгих мер безопасности. Часть отходов подвергается обезвреживанию на специальных предприятиях, где установлено оборудование, позволяющее уменьшить их токсичность.
Термическая обработка отходов — это процесс, при котором отходы подвергаются воздействию высоких температур с целью их обезвреживания, уменьшения объема и массы, а также извлечения полезных ресурсов. Таким способом при термической переработке выделенные для переработки отходы производства и потребления превращаются в возобновляемые источники энергии.
Наиболее распространенным и простым способом термической переработки твердых коммунальных отходов (ТКО) является обычное сжигание. Этот процесс представляет собой окисление органических компонентов отходов в специализированных печах. Однако, существенным минусом этого метода является его негативное воздействие на окружающую среду [2]. При сгорании органических веществ в атмосферу выделяются вредные вещества, такие как углекислый газ, оксиды азота и серы, угарный газ, бензапирен, диоксины, а также образуется зола с высоким содержанием тяжелых металлов. Для минимизации выбросов требуется установка дорогостоящих систем очистки газов. Кроме того, в результате сжигания образуются шлаки, требующие дополнительной утилизации. Еще одним недостатком является невысокая эффективность использования тепловой энергии, обычно не превышающая 65 %. Таким образом, простое сжигание сложно назвать экологически чистым и ресурсосберегающим методом утилизации ТКО.
В качестве альтернативы сжиганию предлагается пиролиз — термическое разложение отходов в условиях недостатка или отсутствия кислорода. Пиролиз классифицируют на низкотемпературный (450–900 °C) и высокотемпературный (выше 900 °C) в зависимости от температуры процесса и соотношения получаемых продуктов. Низкотемпературный пиролиз дает больше жидких продуктов и твердого остатка, тогда как высокотемпературный — преимущественно газ. Преимуществом пиролиза является более безопасное хранение и захоронение продуктов, так как тяжелые металлы переходят в золу, не восстанавливаясь. Однако, пиролиз также требует очистки дымовых газов. Полученный пиролизный газ, после фракционирования, осушки и очистки, используется как вторичное топливо, что приводит к выбросам загрязняющих веществ в атмосферу. Но количество отходящих газов при пиролизе значительно меньше, чем при сжигании, что снижает затраты на очистку.
Рис. 1. Пиролиз
Газификация — это термическая обработка органических ТКО в присутствии окислителя (воздуха, кислорода, водяного пара) с получением синтез-газа и минерального остатка. В процессе газификации органические соединения частично окисляются при высокой температуре (от 700 °C), разлагаясь на твердый остаток (углерод) и летучие вещества (оксид углерода и водород). Эти газы используются для обогрева реакторов газификации и выработки энергии. Газификация также способствует окислению токсичных веществ, содержащихся в ТКО, что требует применения сложного оборудования для очистки и осушки синтез-газа. Недостатками технологии являются низкий выход синтез-газа и высокое содержание тяжелых металлов в золе.
Рис. 2. Газификатор отходов
Менее распространенный способ термической обработки отходов — сжигание RDF-топлива (Refuse Derived Fuel), изготовленного из подготовленных отходов, в цементных печах. Этот метод предполагает предварительную сортировку твердых коммунальных отходов с извлечением фракций, пригодных для дальнейшей переработки. Затем отобранные материалы подвергаются сушке, прессованию и гранулированию для получения топлива с высокой теплотворной способностью и минимальным содержанием компонентов, выделяющих опасные вещества при горении [1].
Рис. 3. Схема производства RDF-топлива
Реализация этой технологии требует инвестиций в строительство мусоросортировочных комплексов. Для достижения экономической выгоды от использования RDF рекомендуется устанавливать необходимое оборудование на уже существующих сортировочных предприятиях. Экономическая эффективность метода обусловлена более высокой теплоотдачей RDF по сравнению с природным газом, что позволяет сократить объемы потребляемого топлива.
Сжигание RDF оказывает менее вредное воздействие на экологию, чем традиционное сжигание, пиролиз и газификация. Это обусловлено эффективным удалением загрязняющих веществ из отходящих газов благодаря высоким температурам (около 1700 °C), достигаемым в цементных печах. Альтернативные методы термической обработки не обеспечивают столь высоких температур. Таким образом, рассмотрев основные термические методы утилизации ТКО, можно сделать вывод, что оптимальным ресурсосберегающим и экологичным способом является сжигание RDF-топлива. Однако такая технология требует предварительной сортировки ТКО и дополнительного оборудования, т. к. в топливе не должно присутствовать опасных веществ. Широкое внедрение метода позволит утилизировать значительную часть отходов с получением продукта без ухудшения качества окружающей среды.
Для термической обработки особо опасных отходов требуется формирование достаточного человеческого потенциала, финансовых и научно-технических возможностей. Эффективное управление деятельностью в области сжигания отходов играет ключевую роль. Важно также обеспечить плотность населения и образование отходов, близость к объекту утилизации и удаления отходов, а также эффективную транспортную сеть. Планирование промышленной площадки и прилегающей территории должно учитывать мнение общественности. Отходы должны быть преобразованы в газ перед сжиганием, при этом газификация должна быть быстрой для достижения высокой эффективности сгорания. Для этого жидкость распыляется на мелкие капли в точке смешивания воздух/топливо топки. Размер и характер взвешенных частиц в потоке газа влияет на скорость сгорания твердых веществ. Энергоемкость отходов имеет основополагающее значение для проектирования и эксплуатации систем их сжигания. Достаточность количества воздуха, поступающего в зону горения, важна для эффективного сжигания отходов. Избыточный воздух вызывает охлаждение, поэтому его подачу необходимо тщательно контролировать. Конечное размещение отходов должно осуществляться экологически безопасным образом, с надлежащим учетом опасности материалов и возможностью снижения этих опасностей посредством предварительной обработки
Заключение
Благодаря ознакомлению с данной темой стало известно об угрозе отходов и необходимости их утилизации, узнали о подразделении отходов на промышленные и бытовые, механические, термические, химические и другие, что существуют как малоопасные, так и чрезвычайно опасные отходы. Далее мы проанализировали способы термической утилизации опасных отходов и пришли к выводу, что наиболее выгодным и экологически безопасным является сжигание RDF-топлива. Несмотря на некоторые ограничения, термические методы остаются важными инструментами в арсенале современных технологий управления отходами, способствуя снижению их объема и обеспечению экологической безопасности.
Литература:
- Бернадинер И. М., Александрова Е. Ю. Использование RDF и отработавших автомобильных покрышек в цементной печи [Электронный ресурс] // Вестник ПНИПУ. Прикладная экология. Урбанистика. — 2018. — № 2 (30). — С. 47–59. — DOI: 10.15593/2409–5125/2018.02.04.
- Козловский В. А., Колясников С. А. Строительство и использование заводов по термической переработке отходов как этап развития технологий зеленой экономики // Экономика и управление: теория и практика. — 2022. — Т. 8, № 1. — С. 31–36.
- Налетов И. Д., Амосов Н. Т. Влияние процесса утилизации твердых бытовых отходов на окружающую среду // Неделя науки СПбПУ: материалы научной конференции с международным участием. Институт энергетики и транспортных систем. — Ч. 1. — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2017. — 248 с.
- Поташников Ю. М. Утилизация отходов производства и потребления: учебное пособие. — Тверь: Изд-во ТГТУ, 2004. — 107 с.
- Сазонов Э. В. Экология городской среды: учебное пособие для среднего профессионального образования. — 2-е изд., испр. и доп. — М.: Юрайт, 2019. — 275 с.
