Пути достижения оптимального хозяйствования твердыми муниципальными отходами

Сегодня на защиту и сохранение окружающей среды, в особенности в зонах крупных городских агломераций, затрачиваются значительные материальные, трудовые и земельные ресурсы. Проблема загрязнения городов отходами своей жизнедеятельности и ее решение оказались весьма сложной научно-технической задачей. Особая специфика здесь проявляется в возможном сосредоточении в этих отходах практически всего многообразия веществ и материалов, встречающихся в природе и искусственно созданных человеком, а также в непрерывном экспоненциальном росте выделяемого их количества. 

И не случайно, в коммунальном хозяйстве всех развитых стран изыскиваются все более приемлемые пути и способы решения проблемы ликвидации городского мусора - твердых бытовых отходов (ТБО). Однако, до настоящего времени магистральный путь ее решения так и не определился. Ни одна технология не стала доминирующей, поскольку их использование, как оказывается, не только не решает проблемы, а приносит и ряд новых, зачастую негативных последствий. 

Разработанные и освоенные в мировой практике методы промышленной переработки ТБО (компостирование, биотермика, сепарация и разделение на компоненты вторсырья, низко- и среднетемпературный пиролиз, а также мусоросжигание) в рамках современных экологических и социально-экономических требований не обеспечивают удовлетворительного решения проблемы по следующим основным причинам: 

• низкая интенсивность процессов;
• низкая удельная производительность; 
• малая степень утилизации материально-энергетических ресурсов отходов; 
• значительный уровень вторичных отходов и загрязнение окружающей среды; 
• высокая стоимость удельных затрат при переработке отходов. 

Именно поэтому, дальнейшее использование, а тем более наращивание мощностей и количества таких традиционных мусороперерабатывающих предприятий загоняет решение проблемы в тупик. Оптимальное же решение этой сложной и актуальной проблемы видится в непременном и одновременном достижении: 

• высокой интенсивности, 
• высокого энергетического КПД, и практической безотходности процесса переработки ТБО. 

В этом плане, с начала 80-х годов группой независимых ученых и специалистов на основе изучения и анализа механизма и кинетики термохимических процессов и смежных областях техники (пиролиз нефти и нефтепродуктов, газификация угля с жидким шлакоудалением, доменное производство чугуна, производство металлургического кокса и др.), а также используя последние достижения высокотемпературной техники и технологии, было обосновано и разработано нетрадиционное инженерно-технологическое решение проблемы - комплексный высокотемпературный энерготехнологический процесс термохимической переработки любых твердых материалов, включая и разнообразные твердые отходы, условно (для краткости) названный - процесс "Пурвокс". 

Техническое существо этого решения заключается в нагреве исходных ТБО в реакторе (типа домны) до температур порядка 1650-1750'С без доступа воздуха (кислорода и азота). Традиционное, воздухосодержащее горячее дутье в этом решении полностью заменено восстановительным газом (смесь синтез газа с водяным паром), нагретым предварительно вне реактора до указанных выше температур. Высокий уровень температур, отсутствие свободного кислорода и азота (балласт) в реакторе полностью исключает процессы горения и создает идеальные условия интенсивного протекания чистого процесса пиролиза - термического разложения органической части ТБО на газообразный продукт (горючий газ - пирогаз) и твердый мелкозернистый углеродистый остаток - пикарбон в интервале температур 500 -1100° С Опускаясь вниз по шахте реактора под собственным весом твердый углеродистый остаток в интервале температур 1200 - 1500'С полностью газифицируется по реакции "водяного газа" в синтез газ (смесь СО и Hg). 

Наконец, еще ниже - в интервале температур 1500 - 1650'С все твердые минеральные составляющие ТБО расплавляются до жидкого состояния и выводятся из реактора через специальные летки, расположенные в нижней его части. Объединение в реакторе всей этой последовательности термохимических превращений ТБО в заданных режимных условиях приводит к качественно новым показателям процесса "Пурвокс": многократно возрастают скорость и глубина, полнота и завершенность всего многообразия протекающих здесь процессов и реакций - нагрев, испарение, пиролиз, восстановление, газификация, плавление ... 

Вся смесь газообразного продукта в парогазовой фазе, отводимая из верхней части реактора при температуре около 180'С, по своему составу слабо зависит от возможного колебания состава исходных данных ТБО. В среднем, по сухому объему она содержит: синтез-газа - 90-94%, углекислого газа - 3-5%, углеводородных газов (преимущественно летучих) - 2-3%, врдородосодержащих соединений типа НСl, HF, H2S, и др. - 1-2%, а также следы азота. Малое содержание негорючего балласта обеспечивает ей высокое качество как топливу или технологическому тазу, в ее составе не содержится окисных соединений типа SO2, NO); и др., а также нет условий образования таких канцерогенов как диоксин, фуран, бензапирен и др. 

Газоочистка от водородосодержащих соединений достаточно хорошо освоена (с утилизацией товарных химпродуктов), учитывая при этом, что их и общие объемы образуемых газообразных продуктов в процессе "Пурвокс" на порядок меньше объемов газов, образующихся при горении. В системе газоочистки загрязненная конденсируемая углеводородными соединениями вода очищается и повторно используется в технологическом цикле. Сами же органические загрязнители воды (масла, смолообразный конденсат и пр.) собираются и направляются в горячую зону реактора для полной их газификации. 

Расплав минералов в жидкой фазе, отводимый из нижней части реактора при температуре около 1550'С, представляет собой почти стерильный продукт, не содержащий остаточного углерода. Заметная разность удельных весов металлов и шлаков позволяет их разделить. В жидком виде металлы передаются на последующий передел, а из обезуглероженного шлака производятся высокого качества строительные материалы - шлаковата, гранулы, плитки... 

Высокая интенсивность термохимических превращений и оптимально построенная взаимосвязь управляемых энергопродуктовых потоков всего технологического цикла обеспечивают предельно высокие значения энергетического КПД=86% и КПД суммарного процесса пиролиз + газификация = 94%. Анализ показывает, что при переработке среднестатистического состава ТБО (с калорийностью их порядка 2000 ккал (кг) потенциальная энергия получаемого товарного газообразного продукта (как топлива) почти вдвое превосходит энергетические затраты собственных нужд всего технологического цикла схемы процесса "Пурвокс". Свободный товарный газовый продукт тут же на газотурбинной установке преобразуется в электроэнергию и используется по потребностям.

Технико-экономические и экологического плана исследования показывают, что новый процесс "Пурвокс" по сравнению с освоенными методами мусоропереработки и мусоросжигания обладает следующими существенными преимуществами: 

• перерабатывается любой морфологический и химический состав ТБО без какой-либо их предварительной подготовки; 
• достигается полная утилизация материально-энергетических ресурсов ТБО, энерго- и ресурсоавтономность всего технологического цикла;
• производится из ТБО высокого качества продукция, а иногда и энергия;
• исключается загрязнение окружающей среды и потери земли под свалки;
• высокий уровень механизации и автоматизации, замкнутость схемы и компактность оборудования определяют возможность размещения такого предприятия в черте любого города, а также обеспечения безопасности, комфорта и престижности обслуживающему персоналу.

Практическое основание процесса "Пурвокс" несомненно позволит успешно решать проблемы не только вновь выделяемых - текущих бытовых и промышленных отходов (пластмассы, автопокрышки, медицинские, химические, сельскохозяйственные отходы и т.д.), но, пожалуй впервые приступить к эффективной переработке и утилизации ценных ресурсов многочисленных старых городских свалок, терриконов угольных шахт, отвалов горнообогатительных фабрик, высвобождая, восстанавливая и возвращая к полноценной жизни ранее загубленные земельные угодья и материально-энергетические ресурсы. Это определит качественный переход от нарастающе убыточных предприятий сегодняшнего дня к высокорентабельным, экологически чистым полнфункциональным предприятиям, органически вписывающимся в жизнеобеспечивающие системы городов, создавая перспективы устойчивого эколого-экономического их развития.