8-903-117-76-67

Методы и способы сжигания отходов на мусоросжигательных заводах

Проблема утилизации отходов актуальна во всем мире. В России ежегодно образуется около 70 миллионов тонн твердых бытовых отходов, для захоронения которых на полигонах требуется все больше земель. Это негативно сказывается на окружающей среде.

Одним из решений является мусоросжигание – процесс, при котором отходы подвергаются воздействию высоких температур. Эта технология позволяет сократить вес отходов примерно в три раза, устранить неприятные запахи, выделение токсичных веществ, распространение бактерий, а также сделать полученных шлак менее привлекательными для птиц и грызунов. Дополнительно, мусоросжигание дает возможность получать энергию, которая может быть использована для выработки электроэнергии или отопления.

Что такое мусоросжигательный завод?

Мусоросжигательный завод (МСЗ) представляет собой сложную и многопрофильную структуру, занимающуюся не только утилизацией мусора, но и другими связанными видами деятельности. Среди них - получение энергии за счет сжигания отходов и извлечение металлов из перерабатываемого материала.

Основное оборудование любого мусоросжигательного завода – это мусоросжигательная установка.
Эта установка представляет собой комплекс, состоящий из трех основных компонентов:
  • Печь – это камера сгорания, оснащенная горелкой, работающей на жидком топливе или газе.
  • Дымоход – служит для отвода дыма и включает систему рекуперации энергии, выделяемой при сгорании отходов.
  • Система очистки дымовых газов – предотвращает выброс вредных веществ в атмосферу.
Для эффективного сжигания твердых отходов и разрушения загрязняющих веществ, температура в печи должна достигать 700°C - 900°C.
Процесс сжигания отходов строго регулируется. Заводы обязаны иметь системы для рекуперации выработанной энергии и обработки образующихся паров, чтобы минимизировать воздействие на окружающую среду.
Однако современное оборудование имеет высокую стоимость, что мешает его повсеместному использованию. В результате не весь мусор утилизируется экологически безопасным способом. В многих городах России эта проблема частично решается установкой сортировочных мусорных баков и организацией приема макулатуры.

Этапы утилизации мусора на МСЗ

1
Транспортировка
Обычно отходы доставляются на мусоросжигательные заводы (МСЗ) мусоровозами, так как заводы часто расположены недалеко от источников отходов. Это позволяет сократить время и затраты на транспортировку.
2
Взвешивание и выгрузка
На современных заводах эти процессы автоматизированы. Мусоровозы заезжают на территорию МСЗ, где проходят радиационный контроль, взвешивание и учет. При обнаружении повышенной радиации машина направляется на специальную стоянку. После учета мусор выгружается в специальный бункер.
3
Сортировка
На этом этапе из мусора извлекаются предметы, представляющие повышенную опасность, такие как взрывоопасные или токсичные материалы.
4
Измельчение
ТБО измельчаются до однородной массы, которая горит эффективнее, чем крупные предметы. Также происходит перемешивание и разделение твердых бытовых отходов на фракции, такие как пластик.
5
Сжигание (инсинерация)
Отходы сжигаются при высоких температурах, при которых большинство токсичных соединений распадается на простейшие вещества, такие как кислород, углерод и хлор.

Технологии сжигания мусора

Технологии утилизации отходов, применяемые на мусоросжигательных заводах, представляют собой комплекс современных решений, направленных на эффективное утилизацию ТБО. Эти технологии не только уменьшают объем отходов, но и позволяют извлекать из них энергию, минимизируя при этом вредное воздействие на окружающую среду. Рассмотрим основные из них.

Механические печи с колосниковой решеткой

Процесс сжигания мусора в механических печах с колосниковой решеткой начинается с того, что мусоровозы выгружают отходы в накопительный бункер. Здесь они проходят сортировку, измельчение, утрамбовку и обработку специальными составами. Затем твердые бытовые отходы подаются в печь, где сжигаются на колосниковой решетке при температуре от 600 до 1300 градусов.
Продукты сгорания опускаются в нижнюю камеру котла, а образующиеся дымовые газы поднимаются вверх в котел-утилизатор и систему фильтров. После этого зола и шлаки очищаются от тяжелых металлов и используются как наполнитель в строительстве дорог. Дымовые газы, пройдя через котел-утилизатор, передают свою тепловую энергию для нагрева воды, изотермического масла или получения пара. Затем они проходят через электростатический фильтр и систему рукавных фильтров, где очищаются от мелкодисперсной пыли и других частиц перед выбросом в атмосферу через дымовую трубу.

Процесс производства контролируется с помощью датчиков, которые в реальном времени отслеживают концентрацию вредных химических соединений в выбросах.

Дополнительно может использоваться технология глубокой утилизации дымовых газов с помощью полимерных теплообменников, которые охлаждают газы до 30-40 °C, что повышает общий тепловой КПД котлоагрегата.

Преимущества технологии сжигания мусора в механических печах с колосниковой решеткой
  • Простота и доступность технологии, аналогичной сжиганию твердых ископаемых топлив.
  • Низкие требования к исходному сырью.
  • Небольшие капитальные затраты.
  • Возможность получения электрической и тепловой энергии из отходов.
Недостатки технологии
  • Процесс не является высокотемпературным, что может приводить к образованию опасных веществ в дымовых газах и золе, требующих дополнительных затрат на их очистку.

Печи с кипящим слоем

Утилизация мусора в механических печах с кипящим слоем во многом схожа с процессом в печах с колосниковой решеткой, однако отличается методом сжигания. В этих печах бытовые отходы сжигаются в слое инертного материала с постоянной подачей воздуха, что создает кипящий или псевдоожиженный слой.
Преимущества технологии сжигания мусора в механических печах с кипящим слоем
  • Чистота выбросов: Высокая степень сжигания ТБО приводит к минимальному количеству химических и физических недожогов, обеспечивая чистые выбросы дымовых газов и твердых веществ и положительное влияние на экологию.
  • Эффективное использование энергии: Полное использование потенциальной энергии отходов позволяет получать электрическую и тепловую энергию.
  • Экологическая безопасность: Более высокая полнота сжигания обеспечивает меньшую нагрузку на окружающую среду.
Недостатки технологии
  • По сравнению с печами с колосниковой решеткой, технология с кипящим слоем требует больших энергозатрат и расходов на инертный материал. Также предъявляются строгие требования к фракционному составу ТБО и необходима глубокая сортировка мусора перед сжиганием.

Горение в шлаковом расплаве

Эта технология предполагает горение в шлаковом расплаве при температуре свыше 1400 °C, что позволяет эффективно утилизировать отходы с минимальным или даже положительным воздействием на окружающую среду.

Технология базируется на металлургическом агрегате жидкофазного восстановления железа, известном как печь Ванюкова. Печь имеет кессонированную шахту с отопительно-дутьевыми устройствами, расположенными над подиной. Стены печи оснащены водоохлаждаемыми панелями, а по бокам размещены два ряда фурм:
  • Нижние фурмы. Используются для барботирования шлакового расплава воздухом, обогащенным кислородом (до 50-70%).
  • Верхние фурмы. Служат для подачи кислорода и/или воздуха для дожигания газов до полного окисления.
Для создания начальной ванны применяется гранулированный доменный шлак, полученный при переработке отходов. В процессе работы он формируется из минеральной части отходов и флюса, что обеспечивает необходимую химическую состав и жидкоподвижность шлака при высоких температурах.

Преимущества технологии
  • Экологическая безопасность. Высокая температура в топке и ошлакование минеральных отходов обеспечивают отсутствие диоксинов и фуранов в выбросах.
  • Отсутствие необходимости предварительной сортировки. Отходы могут быть сожжены без предварительной сортировки.
  • Технологическая гибкость. Возможность совместной переработки ТБО и горючих промышленных отходов для экономии топлива.
  • Утилизация промышленных отходов. Полученные продукты могут быть использованы для производства строительных материалов, минеральных волокон и наполнителей для дорожных покрытий.
  • Снижение переменных затрат. Отсутствие необходимости в рабочем персонале для сортировки мусора.
  • Энергетическая эффективность. Возможность получения электрической и тепловой энергии из сжигаемых ТБО.
Недостатки
  • Процесс высокотемпературной переработки ТБО является энергоемким, так как требует длительного нагрева печи из холодного состояния и формирования расплава, что занимает от 4 до 6 суток.

Пиролиз

Этот метод включает температурную обработку отходов до их полной деструкции и образования простых молекул, проводимую в бескислородной среде. В результате процесса образуются шлам, зола, смолы и газы. При низкотемпературном пиролизе (до 900 °C) образуется больше твердых остатков, тогда как при высокотемпературном (свыше 900 °C) — больше газов.

Принцип работы метода
  • Подача отходов: Мусор поступает в верхнюю часть реактора, где происходит его подсушка.
  • Перемещение и сжигание: Под действием собственной массы отходы перемещаются в среднюю часть реактора, где они сжигаются в бескислородной среде, коксуясь и разлагаясь.
  • Обработка газов: Полученные дымовые газы проходят через котел-утилизатор, распылительную сушилку и абсорбер, после чего очищенные газы направляются в атмосферу или на дальнейшую переработку.
  • Вывод твердых остатков: Твердые вещества (зола, смолы, шлам) скапливаются в нижней части реактора и затем выводятся наружу.
Продукты пиролиза и их использование
  • Шлам: Может использоваться в строительных работах.
  • Синтез-газ: Применяется для производства этилового спирта, метанола и других соединений.

Плазменная газификация

Этот метод предусматривает сжигание отходов с неполным окислением под воздействием высокого давления, кислорода и пара. Оборудование состоит из четырех основных элементов:
  • Плазмотрон (Генератор плазмы)
  • Реактор-газификатор.
  • Дожигатель.
  • Система очистки.
Принцип работы технологии:
Плазмотрон в реакторе может быть либо центральным, либо кольцевым. В центральной конфигурации плазма образуется из одной точки в центре реактора, а в кольцевой – по периметру реактора.

  1. Создание плазмы: Плазма образуется при взаимодействии мощной электродуги (до 50 тыс. вольт) с воздушной средой.
  2. Нагрев воздуха и пара: Воздух и водяной пар под давлением проходят через высокий электроразряд и нагреваются до необходимых температур.
  3. Подача в камеру сгорания: Нагретая воздушная плазма поступает в камеру сгорания, где находится мусор.
Обработка отходов
  • Несгораемые элементы: Шлак и другие несгораемые материалы проходят через колосниковую решетку и попадают на дно специального водного резервуара. Эти материалы могут использоваться в строительстве.
  • Синтетический газ (сигаз): Остальные отходы разрушаются на молекулярном уровне, образуя сигаз — газовую смесь, состоящую в основном из водорода (H2) и угарного газа (CO).
Сигаз используется для получения электроэнергии и может служить сырьем для производства пропанола, этанола, этилового спирта и дизельного топлива.

Выбросы в окружающую среду

Основные выбросы, возникающие при сжигании отходов, включают:
  1. Диоксины и фураны. Эти высокотоксичные вещества образуются при сжигании хлорированного пластика, такого как поливинилхлорид. Диоксины обладают сильным канцерогенным и мутагенным действием и могут накапливаться в организме, вызывая серьёзные проблемы со здоровьем.
  2. Тяжёлые металлы. Эти элементы могут разрушать структуру белков и нуклеиновых кислот, приводя к раку, гепатиту, сердечной недостаточности и, возможно, заболеваниям Паркинсона и Альцгеймера.
  3. Углекислый газ (CO2). Хотя концентрации CO2, выделяемого мусоросжигательными заводами, не достигают опасных для здоровья уровней, его накопление в атмосфере способствует глобальному потеплению и связанным с ним изменениям.
Кроме того, при горении выделяются оксиды серы и азота, а также множество других вредных веществ.

Технологии, применяемые для очистки выбросов

Без эффективной системы очистки газов мусоросжигательные заводы стали бы источниками серьезного загрязнения, наносящими вред окружающей среде и живым организмам. Эти заводы часто находятся рядом с крупными городами или даже внутри них, что усиливает риски для здоровья населения. Токсичные вещества и другие опасные выбросы могут негативно воздействовать на флору и фауну, а затем попадать в организм человека, включая детей и беременных женщин. Поэтому крайне важно обеспечить, чтобы мусоросжигательные заводы не выбрасывали вредные вещества в окружающую среду.

  1. Абсорбция. В этом методе выбросы поглощаются жидкими абсорбентами, которые могут быть использованы несколько раз в зависимости от реакции.
  2. Адсорбция. Использование активированного угля для очистки газов. Уголь в данном случае действует как адсорбент.
  3. Очистка с помощью озона. Эффективно задерживает оксиды азота и серы. Широко применяется в Японии.
  4. Термокаталитический метод. Позволяет очищать воздух от различных примесей с использованием катализаторов. Основная сложность – найти дешевые и долговечные катализаторы.
  5. Термическое сжигание. Обеспечивает до 99% очистки воздуха от вредных веществ, превращая их в основном в углекислый газ и воду. Однако при сжигании серосодержащих, азотосодержащих, галогенсодержащих и фосфорсодержащих веществ могут образовываться более токсичные соединения.
На современных МСЗ устанавливаются сразу несколько систем очистки дымовых газов.

Плюсы и минусы мусоросжигательных заводов

  • Плюсы:
  • Минусы:
  • Сокращение объема мусора
    Уменьшение количество отходов на 80-95%, в зависимости от их типа. Это сокращает потребность в больших площадях для хранения мусора и снижает необходимость создания новых свалок.
  • Выбросы дыма
    При горении образуется дым, содержащий не только углекислый газ, но и диоксины, канцерогены, тяжелые металлы и другие вредные химические соединения. Эти вещества могут быть чрезвычайно токсичными и вызывать серьезные заболевания.
  • Производство тепловой и электрической энергии
    Мусоросжигательные заводы могут быть интегрированы в системы отопления. Например, в Швеции около 8% потребностей в обогреве жилых помещений зимой удовлетворяется за счет сжигания отходов.
  • Токсичная зола
    Зола, как остаточный продукт гонения, может содержать тяжелые металлы и другие опасные вещества, включая радиационные. Неправильное обращение и отсутствие обезвреживания таких остатков наносит значительный ущерб окружающей среде и здоровью людей.
  • Снижение загрязнения окружающей среды
    Отходы на свалках наносят значительный вред экосистемам. Диоксины и другие сложные органические соединения, не разлагаясь, могут попадать в грунтовые воды и распространяться по окружающей среде. Современные технологии сжигания разрушают большинство вредных химических соединений, превращая их в менее опасные вещества.
  • Углекислый газ (CO2)
    Повышение уровня углекислого газа в атмосфере способствует глобальному потеплению, с которым человечество активно борется последние десятилетия.
  • Повышение пожаробезопасности
    Мусор на свалках может случайно загореться, что ведет к крупным пожарам. В мусоросжигательных заводах процесс горения контролируется, что значительно снижает риск возгораний.
  • Вред экологии
    Возможность утилизации методом сжигания может уменьшить стимулы для вторичной переработки мусора. Это может привести к увеличению общего объема производства материалов, такие как пластик.
  • Предотвращение образования метана
    Метан образуется при разложении тбо на свалках и является опасным парниковым газом. Мусоросжигательные заводы не выделяют метан, что способствует снижению выбросов парниковых газов в атмосферу.
  • Высокие финансовые вложения
    Современный и безопасный МСЗ требует больших финансовых вложений, поэтому зачастую заводы оснащаются самым простым оборудованием и энергия, образуемая в процессе горения никак не используется "улетая в трубу"

Перспективы мусоросжигательных предприятий

Сегодня в мире функционирует более 2000 мусоросжигательных предприятий ( в России же работают всего 10 крупных заводов, а так же в планах строительство еще 10), утилизирующих свыше 280 миллионов тонн мусора ежегодно. Наиболее высокотехнологичные и экологически безопасные заводы находятся в Западной Европе и Японии.

Китай является безусловным лидером по количеству мусоросжигательных заводов, насчитывая более 200 предприятий. Крупнейший завод расположен в мегаполисе Шеньчжень.

Европа также активно развивает эту отрасль. Во Франции функционирует более 130 заводов, а значительное их количество расположено в Скандинавии, Швейцарии и Великобритании. Восточная Европа и Индия также демонстрируют быстрый рост в сфере мусоросжигания.

В ближайшие десять лет планируется построить еще 550 предприятий. Это развитие обусловлено необходимостью замены устаревших полигонов, которые наносят значительный вред окружающей среде, на более современные и экологически безопасные методы утилизации отходов, особенно с учетом тенденции на лоббирования со стороны "зеленых".

Одним из главных препятствий на пути развития отрасли является высокая стоимость строительства и эксплуатации высокотехнологичных заводов. Затраты продолжают расти из-за ужесточения требований к экологической безопасности и эффективности. Инвесторам приходится вкладывать значительные средства в новейшие технологии, чтобы соответствовать современным стандартам при строительстве и модернизации заводов.