Отходы как вторичный энергетический ресурс

Традиционная обработка твердых бытовых отходов в Европе включает раздельный сбор и сортировку, производство компоста и/или биогаза из собранной биологически разлагаемой фракции, утилизацию и/или сжигание остатка. Однако эта традиционная система недостаточно сокращает количество отходов, подлежащих захоронению. Значительная часть отходов захоранивается без обработки, а сжигание остатка экономически невыгодно из-за его низкой теплотворной способности и высокой влажности. Указанные факты сделали необходимым внедрение технологий подготовки для производства топлива из твердых бытовых отходов, биологической стабилизирующей обработки остатка твердых бытовых отходов для снижения его влажности и производства альтернативного топлива более высокого качества. В статье приведены итоги опыта механической подготовки и механико-биологической стабилизации, проведенных в Венгрии.

Введение.

Наиболее актуальной проблемой в управлении отходами в Венгрии является обработка и переработка твердых бытовых отходов. В развитых странах значительная часть этих отходов используется как ценные вторичные сырьевые материалы, а также как вторичный источник энергии.
В начале в Европе была разработана более или менее единая система обработки твердых бытовых отходов. Согласно этой системе, твердые бытовые отходы можно разделить на три основные группы с точки зрения единой обработки:

1. Упаковки: 30…40% твердых бытовых отходов; стекло: белое, коричневое, зеленое; бумага: печатная продукция, картон, гофрированная бумага; легкие упаковки: металлы: железные и алюминиевые банки для напитков и пластиковые упаковки;
2. Биоотходы: 40…50%; биологически разлагаемые материалы (растительные отходы, пищевые остатки и т.д.);
3. Остаток: 10…30%.
   

Соответственно, основными элементами системы являются: раздельный сбор и сортировка упаковок; раздельный сбор и обработка биологически разлагаемой части (компостирование и производство биогаза); сжигание и/или захоронение остатка.

Эта традиционная система имеет несколько недостатков:

• Она не обеспечивает достаточного уменьшения количества отходов, подлежащих захоронению (если нет сжигания).
• Значительная часть отходов (40…60%) захоранивается без обработки.
• Из-за вышеупомянутых фактов затраты на захоронение высоки.
• В то же время остаток твердых бытовых отходов состоит из сельскохозяйственно и энергетически полезных компонентов, а именно биологически разлагаемых и неразлагаемых или трудноразлагаемых органических веществ (последние с более высокой теплотворной способностью).
• Из-за неблагоприятных свойств сжигания необработанного остатка твердых бытовых отходов (низкая теплотворная способность и высокая влажность), его сжигание невыгодно как с технической, так и с экономической точек зрения.

Эти факты приводят к новым комплексным решениям: внедрению механической и механико-биологической обработки остатков твердых отходов. Оставшиеся отходы могут быть обработаны следующими способами:

• Механическими процессами,
• Биологическими процессами,
• Термическими процессами,
• Или комбинацией вышеуказанного.

Механическая обработка обычно предшествует или следует за биологическим процессом обработки отходов. Во время процесса обработки отходов важно отделить металлы от потока материала, а также выделить фракцию с высокой теплотворной способностью и менее ценные фракции, такие как камни, керамика и стекло.

Биологические процессы направлены на уменьшение количества разлагаемых отходов, снижение влажности и содержания летучих веществ. Они также минимизируют или полностью устраняют вредные выбросы, которые могут возникнуть при образовании фильтрата и метана на свалках. Для этого используются аэробные микроорганизмы, которые активно разлагают отходы. Этот процесс называется биологической стабилизацией.

Основная цель аэробной биологической обработки, дополняющей механические процессы, заключается в эффективном преобразовании органических материалов. Благодаря этому процессу, CO2 и водяной пар образуются из органических веществ через аэробное биологическое разложение. В результате общее количество остатка уменьшается на 40%, влажность снижается до половины или даже трети от исходного уровня. Теплотворная способность обработанного материала увеличивается более чем в два раза, что делает его более ценным и экологически чистым.

Комбинация механических и биологических методов называется механико-биологической стабилизацией. Целью этого метода является получение фракции, богатой компонентами с высокой теплотворной способностью. Обычно материал стабилизируется биологически (компостированием), а затем обогащенная фракция извлекается из стабилизированного материала путем просеивания и разделения.

Крупномасштабные экспериментальные испытания.

Основная цель механико-биологических экспериментов, проведенных в Венгрии, состояла в разработке технологии производства вторичного топлива из остатков муниципальных отходов после биостабилизации.

Во время экспериментов на полигоне Полгарди ученые разработали методы отбора проб и анализа состава отходов. Они также создали способ измерения теплотворной способности материалов. Для этого использовали специальный котел, который позволяет определить параметры сгорания, состав золы и дымовых газов.

Экспериментальная механико-биологическая стабилизация включала следующие этапы:

• Предварительная обработка: В качестве первого шага механико-биологической обработки проводилось измельчение ТБО с использованием молотковой дробилки.

• Создание аэрируемой кучи: Затем измельченные и гомогенизированные ТБО складывались в кучу объемом 300-400 м3. Здесь происходила интенсивная аэробная деградация и стабилизация в течение 3...4 недель. Принудительная аэрация применялась с использованием аэрационных каналов.

• Установка датчиков: После создания кучи устанавливались датчики температуры и содержания кислорода, необходимые для контроля аэрации.

• Покрытие кучи: Оснащенная датчиками куча накрывалась трехслойным полупроницаемым мембранным покрытием GORE Cover.
• Аэрация: После покрытия насыпи начинала работать система аэрации, управляемая данными датчиков температуры и содержания кислорода.
• Процесс компостирования: В течение периода созревания (2-4 недели) аэрация регулировалась в соответствии с предельными значениями температуры и содержания кислорода. В этот период не требуется контроль влажности насыпи и перемешивание материала.
• Разборка кучи: Через 2–4 недели деградации насыпь разбиралась.

Материал был просеян. Мелкая фракция представляет собой компостоподобный материал, который может быть использован для сельскохозяйственных целей и рекультивации земель (в настоящее время проводятся эксперименты в этом направлении). После удаления черных металлов из крупной фракции с помощью магнитной сепарации получалось вторичное топливо RDF, богатое компонентами с высокой теплотворной способностью.

Результаты экспериментов показали следующее:

• В процессе аэробного биологического разложения количество отходов уменьшается на 20...40%, выделяются водяной пар и углекислый газ.
• Наибольшая массовая доля – 45...50% – стабилизата представлена компостоподобной мелкой фракцией (< 20 мм).
• Другая значительная доля (около 45%) состоит из биологически неразлагаемых или трудноразлагаемых крупных (> 20 мм) органических продуктов, богатых горючими материалами.
• Содержание влаги уменьшилось с 27…30% до 8…10%, а теплотворная способность увеличилась с 3,5…6 МДж/кг до 12…13 МДж/кг (с указанной влажностью).
• Металлы составляют 4–5% от общего массы материала.

 С точки зрения технологического процесса, детали, а именно свойства фракций по размеру частиц, очень важны. Можно утверждать (Таблица 1), что

• теплотворная способность значительно увеличивается с размером частиц, а содержание золы и влаги ведут себя противоположным образом: они увеличиваются в более мелких фракциях;
• что касается материального состава, стоит отметить, что пластик и текстиль концентрируются в самой крупной фракции (> 100 мм), бумага – в средней фракции (20...100 мм), а компостоподобный материал – в самой мелкой фракции (< 20 мм).

 Результаты селективного измельчения крупного стабилизата для повышения качества топлива из отходов с помощью молотковой дробилки.

Исследование селективного измельчения крупного стабилизата.

В процессе механико-биологической стабилизации крупный (> 20 мм) продукт вторичного топлива, полученный на барабанном грохоте, дополнительно измельчался с помощью молотковой дробилки для получения после дробления продукта, богатого материалами с высокой теплотворной способностью (пластик, текстиль, резина и т.д.), путем сепарации (селективного измельчения) для цементных заводов.

Таблица 1. Технологические характеристики фракций по размеру зерна

БИО-СТАБИЛИЗИРОВАННЫЕ ОТХОДЫ

ИСХОДНЫЕ СЫРЫЕ ОТХОДЫ

Технология подготовки отходов для производства топлива из отходов (RDF)

«Хвосты» сортировки отходов на сортировочных заводах подвергаются биологической стабилизации. Из стабилизированного материала с помощью процессов подготовки (грохочение, а также магнитная, вихретоковая и воздушная сепарация, избирательное измельчение) могут быть получены стабилизированные биоотходы, металлические продукты, горючая фракция, а также негорючие инертные компоненты, которые нежелательны в вышеуказанных продуктах.

Выводы.

Согласно приведенным результатам можно сделать следующие выводы:

• Необходимо стремиться к полной утилизации твердых бытовых отходов.
• Благоприятное решение этой проблемы предлагает раздельный сбор и дальнейшая сортировка, а также комбинированная технологическая система механико-биологической стабилизации.
• Качество RDF (топлива, получаемого из отходов), производимого из муниципальных отходов, можно сознательно контролировать с помощью технологических процессов.
• Горючая фракция, извлеченная таким образом, может быть термически утилизирована в различных отраслях промышленности (цементные заводы, электростанции, металлургия и т.д.), особенно если она формируется — вместе с другими промышленными отходами — в реальное, всегда хорошо гомогенизированное топливо с заданным составом.

Автор: Барнабаш Чоке
Университет Мишкольца, Институт подготовки сырья и экологической переработки
Мишкольц, Венгрия

Ключевые слова: RDF топливо, сжигание ТБО, топливо из отходов