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

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.
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.
Сортировка
На этом этапе из мусора извлекаются предметы, представляющие повышенную опасность, такие как взрывоопасные или токсичные материалы.
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.
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.