Сравнительная оценка способов и устройств обеззараживания и утилизации отходов различного происхождения

Введение 

Одним из важных проблем является создание экономически и  научно обоснованная  технология сбора, сортировки, транспортировки, переработки мусора и  различных видов, агропромышленных и бытовых органически и неорганических составляющих отходов, которые связана с антропогенной деятельностью. Для этого необходимо создать такие условия, чтобы населения различных регионов Республики Татарстан и России были заинтересованы в использовании технологии производственных систем направленные на создание заводов и комплексов,  обеззараживающих и утилизирующих отходы  с  превращением их альтернативных, возобновляемых на различные источники энергий.  Новыми техническими решениями получаемые источники энергий должны быть и   обеспечивать экологическую и техносферную  безопасность на урбанизированных территориях России. Одной из   важных, и возможных рациональных технических решений, учитывая  выше поставленных целей и задач, является и  разработка комплексной  технологии переработки и использования отходов  животноводства, растениеводства и других отходов агропромышленного комплекса и производства, в перерабатывающих предприятиях сельскохозяйственную отходную продукцию [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10].

Для чего и  может быть использованы    известные  технологии,  и они все должны   относятся, к переработке отходов и получению углеводородов из бытовых и промышленных органических отходов путем пиролиза. Известные научные разработки могут быть, и  использованы для утилизации бытовых, сельскохозяйственных и промышленных отходов органического происхождения с получением в процессе переработки отходов хозяйственно-полезного биологического газа, жидких нефтепродуктов в виде топлива и масла, твердых топливных компонентов [12].  

Современные методы  технического решения проблемы переработки и утилизации бытовых и промышленных отходов, в частности таких, как навоз, отходы мясопереработки, опилки, торф, резина, бытовые отходы (очищенные от металлов) и др., в основном базируются на таких подходах, как прессование и захоронение в могильниках, биодеструкция на уровне микроорганизмов и высокотемпературная переработка.

В связи с ростом объема  отходов различных отраслей  народного хозяйства, предпочтительным становится принцип высокотемпературного разложения в заводах или комплексах по переработке  с целенаправленным получением альтернативных и возобновляемых источников энергий. Исходя их того, что  захоронение в могильниках и ферментное разложение отходов требуют значительных площадей и не считаются экономически целесообразными, хозяйственно- полезными и в  социальном отношении рентабельными.

Целью настоящей работы  является  сравнительная оценка способов и устройств   обеззараживания и утилизации    отходов  различного происхождения. 

Исходя, из поставленной цели и  задач   требуется,  разработка новых и    эффективных технологии сбора, переработки, обеззараживания, утилизации и экономически  обоснованного способа и устройства для  использования  промышленных, бытовых и  органических отходов  агропромышленного комплекса на  урбанизированных территориях России. Разработки должны быть направлены на  перспективное  развитие высокотехнологичных кластеров и на  разработку хозяйственно – полезной  моделей развития, позволяющих эффективно трансформировать промышленный и технологический потенциал в высокое качество жизни населения [11, 13, 14, 21, 23].

Материал и методы исследований  

В настоящее время, в основе методов  утилизации ТБО на полигонах, вне зависимости от экономического развития государства, республики лежат следующие ключевые позиции: создание свалочного тела путем захоронения ТБО с укатыванием в грунте; неподвижность свалочного тела («пассивность»); процесс разложения свалочного тела на геотехногенном уровне осуществляется бесконтрольно и нерегулируемо, занимает из-за «пассивности» свалочного тела длительное время (десятки — сотни лет), протекает на больших территориях, сопровождается эмиссией ксенобиотиков и проявлением видоизменения флоры и фауны. Таким образом, дешевизна полигонов — понятие относительное, и, в последнее время все больше подвергается критике со стороны экологов, т.к. их аргументы становятся все более убедительными. Известны различные технические решения в области утилизации ТБО [12, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 22].

Результаты и обсуждение. 

Одним из таких технических решений  является  пиролизный комплекс для утилизации ТБО (патент РФ на изобретение J492406747, МПК С10В53/00, В09ВЗ/00, F23G5/027, опубликован. 20.12.2010).     

Настоящий  комплекс включает наклонный пиролизный реактор для термического разложения ТБО с загрузочными и разгрузочными устройствами, устройство нагрева отходов с использованием собственного пиролизного газа, блок охлаждения и очистки пиролизного газа и газовую горелку, кроме того, пиролизный реактор, смонтированный на борту высотной свалки, выполнен из бетонных колец, загрузочные и разгрузочное устройства выполнены в виде герметичных питателей ящичного типа, газовая горелка расположена в основании пиролизного реактора, при этом параллельно пиролизному реактору расположен трубчатый секционный коллектор, соединенный с пиролизным реактором при помощи многочисленных патрубков, оснащенных перфорированными термоустойчивыми прокладками, предназначенный для отвода паров воды в атмосферу из верхней зоны пиролизного реактора, где производится сушка отходов, и для отвода пиролизного газа в газовую горелку из нижней зоны пиролизного реактора, где производится термохимическое разложение отходов [19].

Известна установка утилизации ТБО на полигонах (заявка РФ на ПМ JsTe 2013126297 от 20.05.2013) и этот комплекс включает удлиненную камеру, расположенную наклонно на склоне естественного возвышения конкретной местности, в верхней части которой имеется подъездной путь для засыпки отходов в камеру через люк, в нижней части которой имеется заслонка для отсыпки переработанной и обезвреженной массы ТБО. Удлиненная камера состоит из секции — аэробной переработки отходов, секции анаэробной переработки отходов, секции пиролиза и секции накопления продуктов переработки и отходов.

Существует способ переработки ТБО (патент РФ на ИЗ 2294319, МПК C05F9/00, В09ВЗ/00, опубликован. 27.02.2007). Способ переработки ТБО, состоящий из сортировки отходов, биотермической санации в биобарабанах с внесением активирующего состава и последующего компостирования в буртах, отличающийся тем, что в качестве активирующего состава используют композицию из легкодоступных источников углерода, азота и фосфора и активаторов роста микроорганизмов в виде растворов в дозировках, обеспечивающих активную колонизацию субстрата аборигенными термофильными микроорганизмами.

В настоящее время используется  способ утилизации отходов, содержащих органические материалы, в том числе хлорсодержащие и инфицированные, включающий загрузку отходов в камеру термического разложения (КТР), нагрев и разложение органики в КТР — пиролиз, с образованием газообразных и твердых продуктов, их сжигание, каталитическое обезвреживание, охлаждение в теплообменнике и пылеочистку дымовых газов, отличающийся тем, что загрузку отходов в камеру термического разложения производят через шлюзовое устройство, постоянно промываемое инертным газом, отходы подвергают бескислородному термическому разложению — пиролизу, при температуре 550-700°С в металлической камере, нагреваемой снаружи комплексно дымовыми газами от сжигания внешнего топлива в расположенной в непосредственной близости к ней горелки, дымовыми газами из циклонной топки, полученными от сжигания в ней при температуре 1200-1300°С газообразных продуктов пиролиза, и дымовыми газами от сжигания на колосниковой решетке твердых продуктов пиролиза, причем теплообмен во внутреннем объеме камеры термического разложения интенсифицируют постоянным перемешиванием отходов и созданием искусственной циркуляции газовой фазы за счет подачи в ее нижнюю часть нагретого до 600- 700°С инертного газа, приготовление которого осуществляют за счет теплового потенциала дымовых газов, газообразные продукты из камеры термического разложения вводят в циклонную топку посредством инжекции, причем в качестве инжектирующей среды используют нагнетаемый под давлением воздух, предварительно подогретый до 350-400°С, отходящими дымовыми газами, уловленный в скруббере шлам направляют на повторный пиролиз в камеру термического разложения, а весь технологический процесс проводят под разрежением.

Известен способ переработки твердых бытовых и промышленных отходов, включающий их подготовку и загрузку в вертикальную шахтную печь, подачу топлива и горячего воздуха в нижнюю часть шахтной печи, вывод пиролизного газа и парообразных компонентов, образующихся в результате горения в ее верхней части (патент РФ Ns 2105245, МПК F 23, G 5/00, опубликован. 20.02.98). Существенным недостатком известного способа является не очень высокая эффективность процесса получения и использования пиролизного газа, обусловленная использованием в качестве газифицирующего агента горячего воздуха, что приводит к снижению производительности технологического процесса переработки отходов. Известен способ переработки твердых бытовых и промышленных отходов, (патент РФ JVs 2213908, МПК F 23, G 5/00, опубликован. 10.10.03), включающий предварительную обработку и загрузку отходов в реактор, нагрев, сушку, пиролиз и сжигание с образованием продуктов переработки в газообразной и жидкой фазе, вывод продуктов переработки из реактора. При этом нагрев, сушку и пиролиз ведут в реакторе при абсолютном давлении 0,08 — 0, 095 МПа, а предварительную обработку производят путем измельчения, смешивания с флюсом и прессования. Указанный способ имеет достаточно высокую производительность при одновременной экологической безопасности процесса переработки за счет ряда предварительных действий по обработке отходов и создания условий по интенсификации процессах[15]. Однако процесс деструкции отходов не является достаточно эффективным с точки зрения безопасности и технологичности процесса. Известна установка для переработки органического сырья в топливные компоненты (патент РФ Ne 2182684, МПК F 23, G 5/027, опубликован. 20.05.2002), содержащая средство для подачи сырья, реактор пиролиза, снабженный кольцевой топочной камерой, систему разделения парогазообразной смеси, средство для выгрузки. 

Размещение кольцевой топочной камеры непосредственно в реакторе пиролиза ведет к повышению эффективности процесса, однако в указанной установке процесс деструкции отходов не позволяет добиться их качественной переработки, поскольку конструкция реактора не рассчитана на применение пиролиза с высокими температурами [17]. Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой группе — изобретений является способ и устройство для получения углеводородов из бытового мусора или отходов и/или отходов органических материалов (патент РФ JVb 2202589, МПК F 23, G 5/027, опубл. 10.10.2003) путем двухстадийного крекинга при различных температурах с последовательными загрузкой и выгрузкой [16]. Указанный способ включает в себя стадию загрузки отходов в горизонтальный вращающийся реактор для осуществления реакции первого крекинга и загрузки остатков от первого крекинга в реактор с винтовой мешалкой для осуществления реакции второго крекинга. При этом крекинг представляет собой реакцию пиролиза и/или каталитический крекинг. Устройство для реализации данного способа содержит главным образом горизонтальный вращающийся реактор и реактор с винтовой мешалкой. Указанные способ и устройство являются более эффективными с точки зрения безопасности и технологичности процесса переработки отходов, поскольку реакции крекинга осуществляются в две стадии в отдельных реакторах при разных температурах. Отсутствие высоких температур при первой реакции крекинга положительно сказывается на состоянии первого реактора. 

Однако данный способ для получения углеводородов из бытового мусора или отходов и устройство для его реализации являются критичными с точки зрения эффективности процесса разрушения отходов, в частности таких составляющих как скорость и качество, а также технологичности и безопасности процесса переработки. Дополнительным фактором, влияющим на качество переработки отходов, является наличие вращающегося реактора. Вращающийся реактор является дорогостоящим и сложным в изготовлении, а процесс эффективной деструкции при воздействии высоких температур зависит от соблюдения условий безопасности процесса, определяемых отсутствием деформаций реактора при высоких температурах. Указанные проблемы могут быть разрешены с помощью заявляемой группы изобретений. Раскрытие изобретения основной задачей заявляемой группы изобретений является создание способа и устройства переработки бытовых и промышленных отходов органических материалов, позволяющих повысить качество процесса переработки отходов и наиболее полно переработать и извлечь полезные продукты, например, такие как жидкие и газообразные углеводороды, и твердые продукты. В технический результат  входит повышение эффективности и надежности за счет проведения процесса переработки отходов в две стадии при совмещении различных воздействий на сырье — пиролиза и электромагнитного, что позволяет ускорить и наиболее полно производить деструкцию отходов, а также наиболее оптимально разделять и структурировать различные, полезные выходные продукты. 

Указанная задача решается тем, что в способе переработки бытовых и промышленных органических отходов, включающем проведение первой и второй стадии пиролиза, разделение продуктов пиролиза на фракции, и переработку каждой фракции с получением полезных продуктов, вторую стадию пиролиза проводят при одновременном  электромагнитном воздействии на продукты пиролиза. Предпочтительно осуществлять периодическое электромагнитное воздействие электрическим разрядом с напряжением пробоя разряда от 10 до 50 кВ с частотой разрядов от 3 до 500 Гц. Предпочтительно обе стадии пиролиза проводить в неподвижном реакторе, разделенном на две части, в которых первичный пиролиз осуществляют при температуре 200-300°С, а вторичный при температуре 400 — 1200° С. Разделение продуктов пиролиза на фракции осуществляют путем отделения среды жидких углеводородов от воды, отвода газообразных продуктов, их охлаждения и конденсации, вывода твердых продуктов из реактора. Предпочтительно бытовые и промышленные отходы органического происхождения подвергать предварительной обработке, включающей в себя, например, измельчение и перемешивание. Оптимально проводить переработку отходов в присутствии катализатора, который выбирают в зависимости от состава отходов в соотношении от 2 до 15 % от массы отходов. При этом оптимально в качестве катализатора использовать натриевую щелочь. Предпочтительно осуществлять пиролиз при избытке давления в пределах от 0,15 до 0,7 атм. 

Поставленная задача решается также тем, что в устройство для переработки бытовых и промышленных отходов органического происхождения, содержащее реактор пиролиза, состоящий из двух частей и систему разделения парогазовых продуктов пиролиза, дополнительно введен источник электромагнитного воздействия,  установленный на второй части — реактора, выход которой соединен с системой разделения парогазовых продуктов пиролиза. Предпочтительно реактор пиролиза выполнить неподвижным оборудованием. Устройство может дополнительно содержать узел подготовки сырья, соединенный с первой частью реактора, который может быть выполнен в виде экструдера. Предпочтительно снабдить устройство узлом выгрузки твердого продукта, выполненным в виде газоплотных шиберов. Система разделения парогазовых продуктов пиролиза может содержать конденсатор парогазовой смеси, являющийся ее входом, горелочное устройство и узел разделения жидких сред, соединенные с конденсатором парогазовой смеси. 

Первая часть реактора предпочтительно может быть выполнена в виде приемной емкости, герметичных внешнего цилиндра и внутреннего цилиндра, в котором содержится шнек с переменным шагом, имеющий полый вал, соединенный с приводом, полый вал содержит входной и выходной патрубки шнека, между внутренним и внешним цилиндрами расположена спиралевидная направляющая, на внешнем цилиндре установлена группа патрубков ввода горячих газов и патрубок отвода горячих газов, а с внутренним цилиндром соединен выходной патрубок. 

Вторая часть реактора пиролиза может быть выполнена в виде герметичных внешнего цилиндра и внутреннего цилиндра, содержащего шнек, расположенный на валу, соединенном с приводом, между внутренним и внешним цилиндрами расположена спиралевидная направляющая, внешний цилиндр содержит группу патрубков ввода горячих газов и патрубок отвода горячих газов, внутренний цилиндр содержит патрубок с фланцем для соединения с первой частью реактора, патрубок отвода парогазовых продуктов и патрубок для выхода твердых продуктов. Источник электромагнитного воздействия оптимально выполнить в виде генератора, соединенного с группой разрядных устройств, установленной на патрубке с фланцем для соединения с первой частью реактора [12]. Предпочтительно выполнить конденсатор парогазовой смеси в виде внешнего и внутреннего цилиндров, между которыми расположена спираль для циркуляции парогазовой смеси, внутренний цилиндр выполнить содержащим патрубки подвода и отвода охлаждающей жидкости, а внешний цилиндр снабдить патрубками ввода-вывода парогазообразных продуктов, патрубком отвода жидких продуктов, при этом внешний цилиндр выполнен с кожухом, в котором установлены патрубки подвода и отвода охлаждающей жидкости. Оптимально первую и вторую части реактора снабдить утеплителем. Предпочтительно шнек второй части реактора выполнить лопастным. Заявляемые способ и устройства позволяют повысить эффективность процесса переработки отходов путем повышения качества переработки отходов и ускорения процесса их деструкции. Это достигается за счет того, что применяемое в процессе пиролиза электромагнитное воздействие позволяет ускорить процесс деструкции, провести более качественную переработку отходов и повысить надежность отделения различных фракций углеводородов. 

В заявляемом устройстве в предпочтительном варианте выполнения отсутствует вращающийся реактор, который сложен в изготовлении и является весьма дорогостоящим, поскольку в нем затруднена герметизация при таких размерах и он критичен с точки зрения обеспечения экологических параметров. Во вращающемся реакторе также затруднена очистка его стенок от возникающего нагара. Переработка отходов в две стадии позволяет повысить безопасность процесса и перейти к электромагнитному воздействию на продукты переработки, находящиеся в твердом и газообразном состоянии во второй части реактора. В заявляемом устройстве выполнение конструкции реактора в виде двух частей, имеющих внутренние и внешние цилиндры, позволяет улучшить жесткость конструкции, что создает условия для использования реактора пиролиза при более интенсивных тепловых нагрузках. Наличие спирали между цилиндрами дополнительно укрепляет конструкцию и создает возможность для равномерного распределения тепла в реакторе пиролиза. При более низкой по сравнению с прототипом температурой проведения первой стадии пиролиза отсутствует коксообразование и получается большее количество жидких углеводородов, что улучшает экологическую безопасность процесса переработки за счет низкого выхода углекислого газа. Заявляемые способ и устройство для переработки бытовых и промышленных органических отходов взаимосвязаны настолько, что образуют единый изобретательский замысел. Действительно, специально для реализации способа переработки отходов, было создано устройство с оригинальной конструкцией, позволяющей реализовать качественную и надежную переработку отходов [12]. 

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение комплексной непрерывно-ускоренной переработки ТБО на полигоне, на основе созданной установки по производству биогаза и пирогаза, естественного продвижения отходов в процессе интенсивной переработки с одновременным перемешиванием отходов, введения корректирующих растворов и отбора из них газов и фильтрата, путем наклонного расположения установки с удлиненной камерой [20]. Технический результат предлагаемого изобретения заключается в ускорении утилизации ТБО, в расширении и улучшении инженерно-технологических возможностей предлагаемой установки, в предотвращении попадания в окружающую среду загрязняющих веществ. Достигается технический результат тем, что в способе утилизации ТБО на полигонах, включающем загрузку отходов в установку, биологическое разложение и термическое разложение с образованием газообразных и твердых продуктов, обезвреживание, охлаждение и накопление продуктов переработки, согласно изобретению, перед загрузкой проводят радиационный и дозиметрический контроль массы ТБО, утилизацию ТБО проводят в две стадии, причем отходы из одной зоны утилизации в другую поступают естественно и непрерывно под действием собственного веса, в процессе падения порции переработанной или отработанной массы ТБО при очередной выгрузке.  На первой стадии утилизации ТБО подвергают аэробной и анаэробной переработке, в результате чего получают биологический газ, который затем поступает на выработку тепловой и электрической энергии, на второй стадии утилизации ТБО проходят термическое разложение, при котором не переработанная в зоне биологического разложения часть отходов, под действием горячего газа, проходит интенсивную просушку и прогрев, затем пиролиз, результатом которого является пирогаз, который, после охлаждения и очистки, также поступает на выработку тепловой и электрической энергии. Полученный в результате пиролиза пирокарбонат, используется в очистке фильтрата, который выделяется в процессе биологического разложения. Другие обезвреженные в установке твердые фракции отходов, после охлаждения выгружают и отправляют на захоронение.

Выводы 

1.Исходя их того, что  захоронение в могильниках и ферментное разложение отходов требуют значительных площадей и не считаются экономически целесообразными, хозяйственно- полезными и в  социальном отношении рентабельными.

2.Несмотря на положительные стороны, предлагаемых известных технических разработок все они еще не обеспечивают контроль всего технологического цикла с различными  датчиками, которые должны быть направлены на обеспечение техносферной и экологической  безопасности в самих устройствах: количества, объема поступающего отхода, температуры, скорости пиролиза, давления в предлагаемых установках.

 3. Новые технические решения в форме различных инноваций  должны быть направлены на   получение экологически безопасных, альтернативных, возобновляемых источников энергий. При этом ни все технические решения выработают эффективную и дешевую тепловую и электрическую энергию.

4. Инновационные технологические приемы должны быть направлены на получение полезных продуктов,  ценных материалов, товаров и веществ, что является основным требованием для экономического обоснования новых технических решений и  инновационных разработок.