Диоксиновая проблема и современные методы термической переработки твердых коммунальных отходов

Образование диоксинов.

Для образования диоксинов необходимо сочетание трех условий: наличие органического углерода, наличие хлорорганических соединений и температура выше 450°С. Такие процессы, как сжигание осадков сточных вод, муниципальных и других промышленных и бытовых отходов (например, изделия из ПВХ, целлюлозно-бумажная продукция и пластические массы) сопровождаются образованием экологически опасных количеств диоксинов.

При нагревании хлор- и бромсодержащих органических веществ диоксины образуются в интервале температур 500-1200°С, причем максимум их образования приходится на 600-800°С.

Из общего количества хлора, который имеется в ТКО, около 50% содержится в пластмассе, до 25% в целлюлозно-бумажной продукции, а остальное в резине и других материалах. 

Снижение образования и разрушение диоксинов.

Основным мероприятием для подавления выделения диоксинов является уменьшение выбросов органического углерода, то есть обеспечение полного его выгорания, а также контроль уровня СО как основного показателя полноты сжигания и остаточной концентрации диоксинов.

Диоксины обладают высокой термостойкостью. Эффективное разложение этих веществ происходит только при температурах выше 1250°С и выдержке более 2 с. Их терморазложение при меньших температурах является обратимым процессом. При охлаждении дымовых газов до 200-450°С они синтезируются вновь.

Для исключения образования диоксинов в зонах максимальных температур газовые смеси должны находиться при температурах выше 1250°С не менее 2 с. В целях предотвращения образования вторичных диоксинов в зоне охлаждения отходящих газов установок по сжиганию время пребывания в интервале температур 200-450°С должно быть не более 1 с. 

Из опыта мусоросжигания известно, что эмиссия диоксинов из дымовой трубы существенно связана с выбросами частиц пыли и углерода. На многих мусоросжигательных заводах газоочистка основана на практически полном поглощении диокинов из дымовых газов при пропускании их через фильтры с активированным углем или тканевыми фильтрами, способными эффективно выделять золу из газа. 

Реальные возможности снижения диоксиновой опасности технологии термической переработки органических отходов:

1.Уменьшение в исходном сырье доз Cl- и Br-содержащих материалов, способствующих образованию диоксинов.

2. Минимизация образования доли золы дымовых газов и уменьшение золоуноса.

3. Обеспечение при сжигании ТКО наиболее полного их сгорания и применение дожигания отходящих газов.

4. Управление температурным режимом процесса переработки исходного сырья с нагревом образующихся продуктов, содержащих диоксины, выше 1250°С с выдержкой более 2 с.

5. Предотвращение повторного синтеза диокинов путем холодной "закалки" дымовых газов или летучих продуктов термической переработки.

6. Удаление и улавливание летучих соединений в замкнутом цикле химической очистки и переработки. 

Современные методы термической переработки ТКО.

• сжигание ТКО в печи с колосниковыми решетками (КР) или котлоагрегате на колосниковых решётках разных конструкций;

• сжигание отходов в кипящем слое (КС) инертного материала (обычно песок определённой крупности);

• сжигание в барботируемом расплаве;

• сжигание-газификация отходов в плотном слое кускового материала без его принудительного перемешивания и перемещения;

• высокотемпературное сжигание в плазме;

• пиролиз отходов. 

Сжигание ТКО в печах с колосниковыми решетками (процесс КР) ввиду сравнительно низких температур (600 – 900°С) практически не решает диоксиновой проблемы. Кроме того, при этом образуются вторичные (твёрдые несгоревшие) шлаки и пыли, которые требуют отдельной переработки или направляются на захоронение с последующими негативными последствиями для окружающей среды. Эти недостатки в определённой мере присущи и процессу КС, протекающему при несколько более высоких температурах. Здесь добавляется необходимость подготовки сырья к переработке с целью соблюдения гранулометрического состава.

Для разрушения диоксинов после печей КР и КС используются дополнительные дожигатели, работающие на жидком или газовом топливе. Согласно Нормативам Европейского Союза (НЕС) геометрия горячей зоны дожигателя должна обеспечить пребываете газов в зоне с температурой не ниже 850°С в течение не менее 2 секунд (правило 2 секунд) при концентрации кислорода не менее 6%.

При этом следует иметь в виду, что требование 2 секунд подразумевает, что концентрация диоксинов в отходящих газах должна быть приемлемой для их очистки до регламентируемых 0,1 нг/м³. Однако при этом не учитывается особое свойство диоксинов - способность к повторному синтезу в холодной зоне.

Реально снижают содержание диоксинов в отходящих газах только угольные фильтры, на которых диоксины необратимо связываются, а также специальные каталитические дожигатели. Именно в силу трудностей их улавливания очистные сооружения современных заводов стоят очень дорого. 

Основным достоинством технологии термической переработки ТКО в барботируемом расплаве шлака, протекающем при температуре 1400-1600°С, является решение диоксиновой проблемы: уже на выходе из барботажного агрегата практически отсутствуют высокотоксичные соединения (диоксины, фураны, полиароматические углеводороды). К недостаткам процесса относятся необходимость сортировки и дробления отходов до определённых размеров и потребность в дорогостоящей системе очистки выходящего из печи синтез-газа, представляющего собой смесь окиси углерода и водорода. 

Сжигание-газификация отходов в плотном слое кускового материала в шахтной печи (аналог доменной печи) совмещает процессы пиролиза и газификации. Температура газов в нижней части печи достигает 1600-1800°С и по мере движения вверх через стой материала снижается до 150-200°С. Соответственно материал по мере опускания нагревается и подвергается сначала сушке, затем пиролизу и в нижней части сгорает с образованием расплава металлов и шлака. В зоне высокотемпературного пиролиза имеются условия для синтеза диоксинов, хотя и в меньших количествах по сравнению с горением на колосниковых решетках и в кипящем слое. 

Плазменная или плазмохимическая технология является высокотемпературной разновидностью технологии пиролиза (газификации). По этой технологии в реакционной камере осуществляется пиролизный процесс с образованием при высоких температурах (от 1300 до 2000°С) пиролизного газа, который дожигается в реакторе либо в специальной камере дожигания. Применение данной технологии для утилизации ТКО ограничивается требованиями специальной подготовки загружаемых отходов, высоким энергопотреблением, малой надежностью и трудностями очистки продуктов сгорания от тяжелых металлов.

В результате процессов сжигания в барботируемом расплаве, сжигания-газификации отходов в плотном слое кускового материала и высокотемпературного сжигания в плазме образуются горючие газы ( в основном окись углерода и водород), требующие дополнительного устройства их сжигания, а также узла улавливания летучей золы. 

Пиролиз - термическая переработка отходов в герметичных пиролизных печах без доступа кислорода при температуре до 1000°С, имеет перед прямым сжиганием существенное преимущество: при таком процессе диоксинов образуется на несколько порядков меньше.

При проведении низкотемпературного пиролиза при температуре до 450-500°С полностью исключаются условия синтеза диоксинов. 

Резюмируя вышеизложенное:

1. На ПВХ приходится только 50% диоксинов, образующихся при термической утилизации ТКО.

2. Диоксины образуются в интервале температур 500-1200°С, причем максимум их образования приходится на 600-800°С.

3. Геометрия горячей зоны камеры дожига должна обеспечить пребывание газов в зоне с температурой не ниже 850°С в течение не менее 2 секунд при концентрации кислорода не менее 6%.

4. Полное разложение диоксинов происходит только при температурах выше 1250°С и выдержке более 2 с. Их терморазложение при меньших температурах является обратимым процессом. При 200-450°С они синтезируются вновь.

5. Вероятность образования диоксинов при пиролизе ТКО ниже, чем при сжигании, ввиду отсутствия кислорода. Пиролиз при температуре до 450-500°С полностью исключает условия синтеза диоксинов.