Установки по сжиганию ТБО могут служить источником загрязнения воздушной среды взвешенными частицами золы и недожога, а также вредными газообразными примесями. Поэтому при проектировании их особое внимание уделяют совершенствованию средств по снижению выбросов вредных примесей. Физико-химические свойства отходящих газов при сжигании ТБО зависят от морфологического и фракционного составов, теплоты сгорания отходов и т. д.

Эти показатели существенно меняются в зависимости от климатических условий района и сезона года. Влажность ТБО колеблется в пределах 52…58 % в зависимости от сезона года, а содержание влаги в дымовых газах меняется в пределах  95…119 г/м3.

Существует три вида выбросов из мусоросжигательных установок: газы, выходящие из дымовой трубы; сточные воды; летучая зола и шлак.

Наиболее вредными выбросами мусоросжигательных установок считают отходящие газы и летучую золу. Поскольку основной вредной составляющей дымовых газов являются содержащиеся в них взвешенные частицы и отравляющие вещества, то их концентрацию и принимают в качестве главного показателя санитарно-гигиенического аспекта работы таких сооружений.

Зола, образующаяся при сжигании ТБО, состоит в основном из минералов и несгоревших частиц органических соединений.

Содержание недожога обычно не превышает 2 %, а при неблагоприятных условиях может достигнуть 15 % и определяется конструктивными особенностями топочного устройства, а также технологическими условиями процесса горения. Концентрация золы в дымовых газах мусоросжигательных установок составляет примерно 2...5 г/м3 сухого газа.

Загрязняющие вещества воздуха образуются в результате неполного сгорания части отходов и из новых продуктов в процессе их горения. Продукты неполного сгорания включают оксиды углерода, амины, органические кислоты, полициклические ароматические соединения и т. д. Частные выбросы могут содержать тяжелые металлы, которые при сжигании не разрушаются.

Конечными продуктами сгорания обычно являются диоксид углерода и водяные пары. Другие продукты образуются в меньших количествах. Хлористый водород и небольшое количество хлора образуются в мусоросжигательных установках в процессе хлорирования углеводородов, фтористый водород – из органических фторидов, бромистый водород – из органических бромидов, оксиды серы, главным образом диоксид серы, – из имеющейся в отходах и дополнительном топливе серы, пятиокись фосфора – из фосфорорганических соединений, оксид азота – при горении на воздухе из соединений азота, входящих в состав ТБО.

В связи с постоянным увеличением в составе отходов доли синтетических материалов в будущем вероятно резкое превышение ПДК вредных газообразных веществ в дымовых газах мусоросжигательных установок (хлористого и фтористого водорода, полициклических ароматических углеводородов).

Выбор газоочистных устройств зависит от объема очищаемых газов, их запыленности, желаемой степени очистки (КПД улавливания), физических параметров газового потока (скорости, температуры, влажности, агрессивности), физико-химических свойств взвешенных частиц (дисперсности, слипаемости, абразивности и т. д.). При выборе газоочистных устройств следует учитывать, что труднее всего улавливаются частицы размером менее 5 мкм, масса которых может достигать 22…25 % общей массы твердых примесей, содержащихся в очищаемых газах.

Выбирают и оценивают работу газоочистительного оборудования в первую очередь по степени очистки уходящих газов и только во вторую – по ее стоимости. Существует различное газоочистительное оборудование. На современных крупных установках по сжиганию ТБО для улавливания твердых частиц, содержащихся в дымовых газах, применяют электростатические фильтраты, позволяющие улавливать до 99,8 % частиц практически любых размеров.

По прогнозам специалистов слоевое или камерное сжигание специально подготовленных отходов в топках котлов или цементных печах в ближайшее время получит широкое применение. В США и Великобритании с 70-х гг. проводятся работы по переработке отходов в гранулированное топливо «Refuse Dering Full» (RDF), которое длительное время можно хранить и транспортировать на относительно большие расстояния и при сжигании которого негативное воздействие на окружающую среду значительно меньше. Однако теплотехнические свойства топлива, получаемого этими странами различны. Так, в США за счет высоких капиталовложений стремятся получить высококачественное топливо, а в Великобритании создают простые дешевые способы получения RDF среднего качества. В США экономичны установки производительностью 1000 т/сут и выше перерабатываемых отходов, а в Великобритании – до 200...300 т/сут.

Технологический процесс получения RDF состоит из двух операций: дробления отходов и сепарации черных металлов. Если ограничиваться только этими двумя операциями, то получаемый в этом случае RDF будет содержать много балластных фракций и иметь низкое качество. Поэтому при изготовлении гранулированного топлива используют дополнительные машины, механизмы и агрегаты, позволяющие обогащать, гранулировать и брикетировать топливо из отходов, при этом возрастают капиталовложения и эксплуатационные расходы, но полученное топливо имеет значительно лучшее качество. Принципиальная схема производства гранулированного топлива приведена на рис. 2.8.

Способ получения гранулированного топлива выбирают в зависимости от вида отходов, их состава, а также последующего способа использования – в качестве основного или дополнительного (вместе с основным – углем, торфом или т.д.) топлива. Теплота сгорания гранулированного топлива колеблется от 5300 до 17700 кДж/кг.

Многие котельные установки нуждаются лишь в небольшой модернизации для работы на гранулированном топливе, т. к. они оборудованы устройствами для удаления шлака и летучей золы.

Наиболее перспективным способом обезвреживания отходов потребления является переработка, состоящая из двух стадий:

1)  аэробного биотермического компостирования органической части ТБО (биотермический метод) с получением компоста или биотоплива;

2)  пиролиза некомпостируемой части бытовых отходов (НБО), включающих резину, кожу, пластмассы, дерево и т. д.

Под пиролизом понимают процесс термического разложения отходов без доступа кислорода, в результате которого образуются пиролизный газ и твердый углеродистый остаток.

Количество и состав продуктов пиролиза зависит от состава отходов и температуры разложения. Пиролиз НБО способствует созданию безотходных и малоотходных технологий и рациональному использованию природных ресурсов.

Пиролизные установки в зависимости от температурного режима процесса разделяют:

• на низкотемпературные (450...500 °С), характеризующиеся минимальным выходом газа, максимальным количеством смол, масел и твердых остатков;
• среднетемпературные (до 800 °С), характеризующиеся увеличенным выходом газа с уменьшенным количеством смол и масел;
• высокотемпературные (свыше 800 °С), характеризующиеся максимальным выходом газов и минимальным количеством смолообразных продуктов.

Процесс пиролиза ИБО состоит из:

• пиролиза НБО в печи с внешним обогревом;
• дожига пиролизных газов;
• утилизации тепла отходящих газов в котле-утилизаторе с получением пара;
• очистки дымовых газов от пыли и химических примесей в пенном абсорбере;
• сушки абсорбционных растворов в распылительной сушилке;
• охлаждения пирокарбона в барабане-холодильнике;
• сепарации черного и цветного металла из пирокарбона;
• сепарации камней из пирокарбона;
• измельчения пирокарбона в конусной инерционной дробилке;
• фасовки пирокарбона в мешки и складирования.

Основной узел пиролизной установки – реактор, представляющий собой шахтную печь со встроенной швельшахтой и системой эвакуации газов, предотвращающей смешивание пиролизных и дымовых газов (рис. 2.9).

Из сортировочного отделения НБО по системе конвейерных транспортеров попадают в приемный бункер пиролизной установки. Из бункера отходы забирают грейферным ковшом, смонтированным на подъемном кране. Кран подает отходы в промежуточный бункер, днищем которого служит пластинчатый питатель, предназначенный для загрузки отходов в верхнюю часть реактора, оборудованную тремя затворами шиберного типа.

В печи пиролизной установки при температуре 500...550 °С без доступа воздуха происходит термическая деструкция (пиролиз) НБО.

В результате образуется парогазовая смесь, содержащая в своем составе летучие вещества, пары смолы и твердый углеродсодержащий продукт – пирокарбон.

Присутствующие в НБО кожа, пластмасса, резина и другие продукты разлагаются, образуя летучие вещества, которые помимо СО2 и Н2О, Сl, Р, SО2 содержат углеводороды (олефины, парафины и т. д.). Пиролизные газы подвергаются дальнейшему окислению в специальной камере дожига, превращаясь в менее опасные вещества. Камера дожига имеет горелку, через которую подают природный газ или мазут и воздух на горение, а для снижения температуры образующихся дымовых газов – воздух.

Камера дожига оборудована рубашкой, в которую поступает воздух, охлаждающий стенки камеры, в результате чего температура газов на выходе из камеры дожига снижается до 800 °С. Воздух на горение и разбавление подают дутьевыми вентиляторами.

Дымовые газы из камеры дожига направляются в рубашку печи пиролиза, где тепло дымовых газов используется для обогрева печи. Из рубашки печи пиролиза

дымовые газы температурой 600...700 °С направляются для утилизации тепла в котел-утилизатор, в котором в результате снижения температуры дымовых газов до 300...350 °С получают пар.

Пар используют для нужд теплоснабжения производства. Затем дымовые газы температурой 300...350 °С поступают на распылитель для сушки абсорбционных растворов, использованных в абсорберах, а затем с температурой 120 °С – на абсорбцию и после очистки выбрасываются в атмосферу.

Тепло дымовых газов используется для проведения процесса пиролиза НБО, что позволяет экономить топливо.

Полученный в печи пирокарбон с температурой 450…500 ºС поступает в холодильный барабан, где охлаждается до 40...50 °С, затем по ленточному конвейеру подается на размол. Пирокарбон пройдя электромагнитный сепаратор для извлечения остатков черного металла, поступает на полигональное сито, где освобождается от крупных камней, которые вывозят на свалку. Затем пирокарбон подается на мельницу, где измельчается до 0,5 мм и менее. После измельчения пирокарбон вновь подают на сепарацию для извлечения цветных металлов, которые накапливают в контейнерах, а пирокарбон расфасовывают и затем направляют на склад готового продукта.

Физико-химические свойства пирокарбона: плотность – 2...2,5 г/см3; удельная поверхность – 2200 см/г; насыпная плотность – 0,6...0,7 т/м3; гранулометрический состав (d > 0,5 мм – 10 %, d < 0,5 мм – 90 %). Теплофизические свойства пирокарбона: теплота сгорания – 12000...13000 кДж/кг; теплопроводность – 0,106 Вт (м·°С); температуропроводность – 11,1 °С·10 –8 м2/с.

Поступающие на установку отходы НБО более чем на 90 % состоят из органических веществ, в основной массе которых соотношение углерод : водород :
кислород приблизительно соответствует их соотношению в целлюлозе (С6Н10О5)n. Целлюлоза – высокомолекулярный полисахарид. Клетчатка – главная составная часть органической части отходов, например бумага почти на 100 % состоит из целлюлозы; хлопчатобумажные и текстильные изделия – более чем на 90 %; древесина – примерно на 50 %. При термической обработке целлюлозы (без доступа кислорода) она разлагается, образуя большое количество различных продуктов.

При быстром подъеме температуры образуется большое количество парогазовой смеси и температура внутри аппарата повышается.

Медленное нагревание сопровождается равномерным выделением продуктов реакции, при этом образующееся тепло удаляется с парогазовой смесью, не оказывая существенного влияния на температурный режим внутри аппарата.

Соотношение и состав получаемых газообразных, жидких и твердых продуктов зависят от условий пиролиза и состава исходного продукта.

К вредным составляющим НБО относят: серу, основным источником которой является резина; хлор, выделяющийся при сжигании полимерных материалов; оксиды азота; соединения фтора и т. д.

Для защиты окружающего атмосферного воздуха от загрязнений дымовые газы необходимо тщательно очищать как от золы, так и от химических веществ.

В качестве реагента для очистки дымовых газов применяют известковое молоко, выбор которого зависит от имеющихся в дымовых газах химических примесей и необходимости вывода химических загрязнителей (слабо - или труднорастворимые соли) дымовых газов. Используя известковое молоко, достигают достаточно высокой степени очистки дымовых газов и обеспечивают доступность нейтрализующего реагента и простоту обращения с ним.

Система, включающая распылительную сушилку и абсорбер, рассчитана на очистку отходящих газов от двух одновременно работающих печей пиролиза. При этом качество выбрасываемых газов характеризуется следующими показателями: пыль – 30 мг/м3; SО2 – 50 мг/м3; NOx – 100 мг/м3; Сl– – 10 мг/м3; F– – 2 мг/м3.

Абсорбция пыли и химических примесей из отходящих топочных газов происходит в пенном абсорбере. В качестве орошающего раствора используют известковое молоко. В результате нейтрализации кислых окислов образуются кальциевые соли соответствующих кислот, раствор которых направляют в распылительную сушилку, где образуется сухой шлам – смесь солей и золы.

Шлам собирают в контейнеры и направляют в отвал для хранения или отправляют потребителю.

Количество загрязняющих веществ, выделяющихся при пиролизе, составляет примерно 50 % от выделяющихся при сжигании таких же объемов ТБО на МСЗ.

Не все отходы, образующиеся в процессе производства, можно отнести к вторичному сырью. Вторичное сырье – это материалы и изделия, которые после первоначального полного их использования (износа) можно применять повторно в качестве исходного сырья (металлолом, отработанные смазочные масла, макулатура, строительные отходы, изношенные шины, полимерные отходы, отходы кожи, стеклобой и др.).

Отсутствие централизованной системы сбора и переработки отходов и снижение промышленного производства в РФ привело к резкому снижению объемов их использования. В настоящий момент отсутствуют условия стимулирования использование вторичных ресурсов в производственной деятельности. Предприятия, занимавшиеся переработкой вторичных материалов, акционировались и частично перешли на другие виды деятельности.

В отличие от промышленных отходов объем образования твердых бытовых отходов в последнее время (8...10 лет) остается практически неизменным. Основную массу ТБО составляют бумага и картон, а также пищевые отходы. Однако в последнее время доля пищевых отходов в ТБО значительно уменьшается, доля макулатуры и полимеров увеличивается, что обусловлено значительным увеличением объема потребления импортных продовольственных и промышленных товаров в современной упаковке.

Наряду с традиционными видами отходов в последнее время появляются и новые их виды, в частности, актуальной стала проблема утилизации брошенного автотранспорта.

Основные критерии выбора видов отходов, подлежащих использованию в качестве вторичного сырья:

• объемы образования отходов и перспективы их увеличения,
• влияние на экологию и загрязнение города,
• возможность эффективного вторичного использования.

Исходя из рекомендаций федеральной комплексной программы «Экологическая безопасность России», в основу создания систем сбора и переработки неопасных отходов необходимо закладывать системы селективной формы сбора отходов потребления, что позволит снизить затраты на подготовку вторичных ресурсов и их переработку.

Система сбора и переработки отходов должна включать стационарные производственно-заготовительные предприятия (ПЗП); стационарные и передвижные приемные пункты; контейнерный парк; транспортные технические средства; погрузочно-разгрузочное оборудование; технологическое оборудование. Число приемных пунктов должно определяться в зависимости от численности населения.

Отходы, образующиеся на промышленных предприятиях и в других крупных источниках их образования, обычно, собирают на основе прямых договоров между поставщиком отходов и перерабатывающими предприятиями.

Промышленная переработка отходов в качестве вторичного сырья сократит объемы их вывоза на полигоны, мусоросжигательные и мусороперерабатывающие заводы, существенно уменьшит негативное воздействие отходов на окружающую среду.

Макулатуру в основном используют при изготовлении различных видов бумаги и картона в целлюлозно-бумажной промышленности (упаковочные виды бумаги и картона; газетная, писчая, печатная и санитарно-гигиеническая бумага) и в промышленности строительных материалов при производстве кровельных, гидроизоляционных и теплоизоляционных материалов, а также различных строительных плит.

За рубежом широко распространены композиции для производства теплоизоляционных плит на основе перлита, в состав которых в качестве армирующего компонента входит макулатура. Также из макулатуры получают гранулированное, брикетированное и порошкообразное твердое, а также жидкое и газообразное топливо. В Германии из макулатуры, отходов древесины и соломы получают топливный спирт – этанол.

Кроме того предлагаются различные способы использования макулатуры как в качестве удобрения, так и для улучшения водных свойств и структуры почвы. внесении макулатуры в почву повышается ее влагоемкость, улучшаются структура и условия обработки. Однако в процессе перегнивания макулатуры отмечается некоторое обеднение почвы азотом, что требует дополнительного внесения азотсодержащих веществ.

Макулатуру также используют в смеси с другими удобрениями для снижения вымывания удобрений из почвы и, следовательно, повышения урожайности. В этом случае макулатуру, опилки и другие целлюлозосодержащие материалы обрабатывают полимерами, придавая им свойства пониженной смачиваемости.

В числе новых направлений использования макулатуры выделяют изготовление из нее теплоизоляционных и конструкционных материалов, заменяющих пенополистирол.

Теплоизоляционный материал выпускают в виде плит различных размеров и толщины (30...100 мм), плотностью 200, 250, 300 кг/м3.

Физико-механические характеристики плит из различных теплоизоляционных материалов приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Физико-механические показатели плит

Конкурентоспособность теплоизоляционных материалов, изготовленных из макулатуры с использованием вяжущих материалов из вторичных полимеров, определяется их относительно невысокой стоимостью за счет дешевизны используемого сырья (отходов), хорошими физико-механическими свойствами, не уступающими традиционным материалам и превосходящими их по экологической безопасности.

Выпускаемые теплоизоляционные материалы предназначены для теплоизоляции при строительстве жилых, промышленных и культурно-бытовых зданий.

Плиты, отделка поверхности которых выполнена под ценные породы древесины методом трафаретной и глубокой печати, нанесения покрытий эмалью, красками, текстурной бумагой, фанерой, пластиками, лаком, тиснением в горячем прессе, могут быть использованы в качестве отделочного материала.

Отходы резиновых изделий делят на отходы производства и отходы общественного потребления. Отходы производства резиновых изделий накапливаются на предприятиях, производящих резинотехнические изделия, автомобильные шины, резиновую обувь. Отходы потребления образуются в результате жизнедеятельности людей.

Отходы производства резинотехнических изделий делят на:

• отходы резиновых смесей, образующиеся на предприятиях в процессе производства резиновых смесей, это бракованные резиновые смеси – отходы, используемые в собственном производстве или продаваемые на сторону;
• невулканизованные резиновые отходы – технологические отходы, образующиеся в процессе вулканизации резины на крупных предприятиях по производству шин, резинотехнических и резиновых изделий (выпрессовки, облой, обрезь конвейерных лент, брак);
• вулканизовамые резиновые отходы – технологические отходы, образующиеся при изготовлении резиновых изделий из вулканизованной резины (брак шин, вырубки при производстве подошвы резиновой обуви и других изделий).

Большая часть отходов производства резинотехнических изделий обычно утилизируется на самих предприятиях, на свалки их не вывозят или вывозят в ограниченных количествах.

Наиболее массовым видом отходов общественного потребления являются амортизированные шины. Ежегодно в мире на производство автомобильных шин расходуется более 15 млн т производимых синтетических и натуральных каучуков, а через определенное время все производимые шины попадают в отходы. Время эксплуатации автомобильных шин меньше, чем время эксплуатации большинства резиновых изделий.

Ежегодно в различных странах мира образуются огромные объемы  амортизированных шин, так с США образуется 16000...18000 тыс. т, в Японии – 600...750 тыс. т, во Франции – более 400 тыс. т, в Германии – 460…510 тыс. т, в Англии – 250…400 тыс. т.

Объемы переработки и использования изношенных шин за рубежом составляют в Японии – до 87 %, в США и большинстве стран Западной Европы – 20...30 %  (в Германии – 50 %).

В мире применяют различные технологии по переработке и утилизации резиновых отходов и изношенных автомобильных шин. В этих технологиях предусмотрено использование изношенных шин и резиновых отходов для получения энергии путем сжигания, измельчение шин и резиновых отходов для получения резиновой крошки, порошка и регенерата.

Целые изношенные шины используют при устройстве искусственных рифов, служащих местом обитания рыб и устриц. У берегов Австралии фирмой «Гудияр» (1970)  был  создан  искусственный риф из  15 тыс. шин, у берегов Флориды – из  215 тыс. шин. Искусственные рифы из шин имеютя также в Новой Зеландии, Греции, Японии, на Ямайке и в других странах. Морская вода при этом не загрязняется.

Иногда изношенные шины применяют как защитные элемент, например при укреплении склонов от эрозионных процессов, этом случае склоны покрывают покрышками, засыпают их почвенным грунтом и сеют травы.

Использование изношенных шин для получения энергии с точки зрения экологии неоднозначно, т. к. это связано с выделением в атмосферу больших количеств цинка и серы. Отмечено содержание в дыме горящих шин канцерогенных веществ и небольшого количества диоксина. При организации полного и безопасного сгорания шин в печах, оборудованных соответствующими фильтрами очистки выбросов, эти проблемы исчезают. Однако создание печей и очистных сооружений для улавливания вредных газов и соединений тяжелых металлов требует больших затрат. Так, при использовании покрышек в качестве топлива затраты составляют 20...25, а иногда 30...35 дол. на 1 т.

Основная причина применения методов сжигания шин для получения энергии во многих развитых странах – отсутствие эффективных технологий комплексной переработки шин с получением продукции высокого качества.

В наиболее развитых странах (Германии, Японии, США, и др.) уже длительное время эксплуатируют опытно-промышленные установки по пиролизу изношенных шин.

Пиролиз кусков шин, резиновой крошки осуществляется в среде с недостатком кислорода. Но так как бóльшая часть этих установок работала в цикличном режиме, а получаемые продукты пиролиза требовали дополнительной очистки перед последующим использованием, а главное – затраты не восполняли стоимость получаемых материалов, пиролиз старых шин практически не применяют.

Измельчение (дробление) старых шин считают наиболее перспективным методом их переработки, поскольку в этом случае в продуктах переработки сохраняются физические свойства резины. Методы измельчения принято разделять на измельчение при положительных температурах и криогенное дробление.

Первая установка по получению резиновой крошки криогенным методом начала функционировать в штате Огайо (США) в 1979 г. В Германии в 1987 г. фирма «Хэльдт» ежесуточно перерабатывала в резиновую крошку около 20 т шин с применением криогенной технологии (замораживание – молотковая дробилка – ножевая дробилка).

Как показала практика, эксплуатационные расходы измельчения при положительных температурах невелики, но стоимость оборудования больше, чем при использовании низкотемпературного (криогенного) дробления. Поэтому позднее разработан комбинированный способ: грубое дробление при положительных температурах с последующим измельчением в порошок при низких температурах.

В нашей стране было разработано и внедрено несколько технологий и технологических линий измельчения изношенных шин с текстильным кордом. Для переработки покрышек использовали технологию измельчения при нормальных температурах с применением валкового оборудования. Предлагаемые линии по переработке шин подразделяют на линии криогенного дробления и линии измельчения при нормальных температурах.

На российском рынке технологические линии криогенного измельчения резины предлагают фирмы «Интек» (Германия), «Виртег» (Швейцария) и «Крамб раббер технологи» (США).

Технологические линии состоят из следующих основных технологических узлов: установка предварительного дробления цельных шин на куски размером 150 х 150 мм, камеры охлаждения резины, молотковые дробилки, системы сепарирования (разделения) измельченной резины на фракции, системы отделения металлического и текстильного кордов.

Для охлаждения резины фирмы «Интек» (Германия) и «Виртег» (Швейцария) используют жидкий азот, фирма «Крамб раббер технологи» (США) – турбохолодильные установки.

На российском рынке технологические линии измельчения резиновых отходов, в том числе и шин с металлокордом, при нормальных температурах предлагают следующие зарубежные и отечественные фирмы: СIМР (Франция), АО «Тушинский машиностроительный завод» (ТМЗ), РИЦ «Росполимер» (Россия).

Стоимость отечественных линий примерно на 30...40 % меньше, а получаемый на этих линиях порошок имеет более высокую дисперсность и более развитую поверхность частиц, чем порошок, получаемый на линиях криогенного измельчения, и обладает хорошей совместимостью с полимерными связующими.

Основной причиной низкого уровня утилизации шин в России, помимо сбора и транспортировки, является отсутствие рынка сбыта продуктов переработки.

Основной продукт при переработке вторичных резин и изношенных шин – резиновая крошка и резиновый порошок различной дисперсности, которые можно применять во многих областях промышленности.