Энергетический потенциал бытовых отходов.

Редактор: cepbiu
Опубликовано: 20.03.2011

Молекулярный дезинтегратор бытовых отходов.

Классический подход к «утилизации» отходов ТБО – это борьба с
ветряными мельницами: просто производится отчуждение земель под мусороотвалы и в лучшем случае проводится гидроизоляция ложа.
Свалочные полигоны, заложенные 40–50 лет назад, уже переполнены и не справляются с нарастающим объемом отходов, образующихся
в мегаполисах, городах и поселках. Заполнение вновь созданных полигонов идет с угрожающей быстротой,а территорий для создания
дополнительных становится все меньше и меньше.
Очевидно, что применяемые методы утилизации и размещения ТБО не способны справиться с нарастающим валом этих отходов. Конечно,
можно строить мусороперерабатывающие заводы (МПЗ) и размещать их на окраинах городов, но от этого ТБО не исчезнут, а извлеченные
полезные фракции (металл, полимеры и стекло) не уменьшат рост объемов отходов – все равно потребуются новые полигоны захоронения.

В поиске новых путей утилизации отходов нужно взвешивать результаты возможного негативного воздействия на окружающую среду. Так,
например,идея преобразования свалочных полигонов в фабрики по производству газа метана очень опасна из-за возможности возникновения
взрывоопасной концентрации смеси «метан-кислород».По сути, полигоны – это законсервированные отходы, в которых бесконтрольно
продолжаются микробиологические, термохимические и биохимические процессы. Другими словами,размещая ТБО на полигонах, мы создаем
мину замедленного действия, и никто не знает, когда она рванет.

Жаркое лето 2010 г. в России привело к самовоспламенению многих мусорных полигонов, и отравляющий дым с характерным ядовитым запахом
гари окутал многие города. Это неудивительно, ведь в захороненных пластах мусора происходит синтез токсичных и опасных химических
веществ, которые просачиваются в грунтовые воды,накапливаются в водоемах, по законам биогенного круговорота веществ в природе
поступают в растения, в домашний скот и птицу и, в конечном итоге, попадают в организм человека.
Следует учитывать также бактериологическую и вирусную угрозу: живущие на полигонах собаки, грызуны и стаи птиц являются разносчиками
самых страшных вирусных инфекций,а питательная среда полигонов, влага и тепло способствуют размножению известных бактерий и возникнове-
нию новых штаммов бактериологических культур, против которых пока не созданы средства защиты для человека. Возможно, сама природа та-
ким образом борется с человеком за право выживания.

Существующие технологии утилизации и размещения отходов не соответствуют современным экологическим требованиям. Нужны новые безопасные
технологии, не оказывающие негативного воздействия на окружающую среду и здоровье человека.Правильный подход к решению проблемы утили-
зации и размещения ТБО – это уже решение половины проблем, возникающих при обращении с отходами.
По своей сущности бытовые отходы – это высококалорийное топливо,смесь органических веществ природного или искусственного происхож-
дения, теплотворность которой сопоставима с теплотворностью бурых углей. Рассматривая ТБО как источник энергии, учитывается экономи-
ческий аспект, так как ежегодный рост тарифов на энергоносители подталкивает население страны к поиску дешевых видов топлива или
альтернативных источников энергии. В этом случае бытовые отходы (как вид альтернативного топлива) органически впишутся в решение
социальной проблемы энергообеспечения. При таком подходе, во-первых, решается проблема утилизации и размещения ТБО, во-вторых,
вырабатывается дешевая тепловая энергия на обеспечение коммунальных потребностей и,в-третьих, что немаловажно, снижаются расходы на
вывоз и размещение ТБО на полигонах. Поэтому использование отходов в качестве вторичных энергетических ресурсов как нельзя лучше решает
проблемы утилизации отходов в экологическом аспекте. Следует отметить, что недопущение образования опасных и токсичных веществ обходится
дешевле, чем последующая их нейтрализация и (или) обезвреживание. Исходя из этого, в процессе утилизации отходов или их использовании в
качестве альтернативного топлива не должны синтезироваться опасные вещества.

Как решить эту проблему? Изобрести «молекулярный дезинтегратор бытовых отходов»!

Для молекулярной дезинтеграции бытовых отходов требуется получение высокотемпературной плазмы, но это сложный и дорогостоящий процесс.
Однако органические вещества можно подвергнуть бескислородному высокотемпературному пиролизу в инертной среде, получив при этом
газообразную смесь водорода, окиси углерода, кислорода, а затем сжечь эту смесь в кислородной среде. Получится вода, да еще газированная!
При проектировании утилизационной установки были поставлены только практически выполнимые задачи:
а) получение тепловой энергию из отходов простым, дешевым путем
б) недопущение в процессе работы установки синтеза токсичных летучих веществ, диоксинов и других ароматических углеводородов.

Утилизатор-генератор горячего воздуха.

Положив в основу эти постулаты,был разработан утилизатор высокотемпературного пиролиза органических отходов, дополненный генерато-
ром горячего воздуха для работы сушильной камеры (в производстве строительных материалов).В качестве топлива были использованы дре-
весные отходы, опилки, щепа. В таблице приведены технические характеристики сконструированной установки.

На рисунке показана работа установки утилизатора-генератора горячего воздуха. Отходы закладываются в топливник 1, в процессе работы
они опускаются под действием силы тяжести в камеру пиролиза 2 до уровня 3. Газообразные и жидкие продукты пиролиза проходят через
раскаленный слой углерода 4. Полученный синтез-газ, смешиваясь с кислородом воздуха в камере горения 5 и сгорая,создает высокую темпе-
ратуру. Дымовые газы проходят через теплообменник генератора горячего воздуха. Вентиляторы 6 прокачивают воздух через теплообменник 7.
Работа установки на сушильную камеру показала как достоинства, так и недостатки данной конструкции,что было учтено при конструировании
следующей модификации – утилизатора-мини-котельной. За время работы в течение месяца комплекса «сушильная камера-генератор горячего
воздуха» получена следующая информация:

• можно применять древесные отходы и опилки влажностью до 50 %;
• максимальная температура подачи воздуха в сушильную камеру –145 °С;
• температура воздуха подачи в сушильную камеру – 60–75 °С;
• в процессе рабочих испытаний горение было бездымным.

Утилизация влажных отходов, в данном случае опилок или щепы, показала, что испаряемая влага существенно влияет на режим работы ути-
лизатора. Например, при загрузке очередной порции отходов в топливник уже вышедшей на рабочий режим установки происходит температур-
ный «провал» как в пиролизной камере, так и в камере горения, что влияет на стабильность температуры производимого горячего воздуха,
подаваемого в сушильную камеру. Повышенное количество зольного остатка (до 8–10 % от массы утилизируемых древесных отходов) – следствие
температурной нестабильности процесса пиролиза.
На рис. 2 изображен температурный график процесса пиролиза отходов. Время от начала розжига установки до выхода ее на максимальную
температуру составляет в среднем 30 мин., что зависит от влажности отходов. Для ускоренного выхода на рабочий режим закладывается сухое
топливо, и по мере ухода влаги из отходов температура поднимается до 780 °С (точка 1) и держится на этом уровне в процессе активного горения,
затем медленно снижается. При снижении температуры до 500 °С (точка 2) остаток топлива (отходов) составляет 20 % от общей загрузки,после чего
производят дозагрузку отходов.После дозагрузки отходов вновь наблюдается температурный провал до 350 °С (точка 3), затем медленно,
по мере ухода влаги, температура поднимается до740 °С (точка 4) и держится на этом уровне 30–40 мин, после чего снижается до 500 °С (точка 5)
по мере выгорания до следующей загрузки. Дымление уходящих газах не наблюдается, даже при 350 °С над дымовой трубой видно только марево го-
рячих газов. Измеренная температура уходящих газов в дымоходе достигает 230–250 °С. Весь цикл утилизации одной загрузки составляет в среднем
2 часа, что зависит от степени влажности отходов. Масса разовой загрузки составляет 50 кг в сыром весе.

Нестабильность выходной мощности – существенный недостаток для практического применения данного утилизатора-генератора горячего воздуха. В то
же время успешная утилизация древесных отходов влажностью до 50 %, а также отсутствие углеродных образований в уходящих газах помогли доработать
и изготовить установку со стабильными рабочими параметрами независимо от содержания влаги в бытовых отходах. При проектировании была постав-
лена конкретная задача: построить котельную для обогрева небольшого производственного помещения, работающую как на древесных, так и на
бытовых отходах.

Утилизатор – мини-котельная, работающая на бытовых отходах.

В модели утилизатора–мини-котельной, работающей на бытовых отходах, была получена температура в камере горения с меньшей амплитудной
зависимостью от цикла загрузки отходов. Проблема влияния влажности отходов на процесс пиролиза и температурные провалы в камере горения были
решены за счет двухкамерности топливников установки.
Для обеспечения стабильного рабочего режима установки одна из камер загружается сухим топливом,вторая – отходами с влажностью до 60 %. Отходы
в процессе работы утилизатора поочередно загружают в топливники, где они проходят этап предварительной просушки и затем подвергаются высокотем-
пературному пиролизу.

Рассмотрим температурный график работы утилизатора-мини-котельной (рис. 3). Отмечается плавный подъем температуры в камере горения на начальном
отрезке до 470 °С(точка 1). Этот период времени сопровождается выходом из трубы пара,который образуется в результате выпаривания влаги из отходов
(обеих загрузочных камер). С этого момента прекращается выход пара, наблюдается резкий рост температуры до 890 °С (точка 2), идет активная фаза
образования и последующего горения пиролизных газов. На следующем отрезке времени происходит снижение температуры до760 °С (точка 3), так как в
первой камере объем топлива(отходов) уменьшился и требуется ее дозагрузка.
Для безопасности проведения дозагрузки применяется шлюзование.В течение определенного отрезка времени происходит дальнейшее снижение температуры
в зоне горения до 610 °С (точка 4), а затем наблюдается резкий рост температуры за счет активной работы обеих камер пиролиза – до 1 070 °С (точка 5).
Загрузка второй камеры происходит при температуре 975 °С (точка 6), отмечается снижение температуры до 845 °С (точка 7). Работа утилизатора-мини-
котельной происходит в диапазоне температур от 950 °С до 1 150 °С.
Таким образом, принцип двухкамерности установки позволяет сделать режим пиролиза более стабильным, высокотемпературным, исключающим синтез диоксинов,
а горение синтез-газа предотвращает повторный синтез диоксинов в канале теплообменника. Добавление количества камер обеспечит повышение температуры
пиролиза и более стабильную работу утилизатора.
Дополнительная особенность утилизатора-мини-котельной – независимость от внешних энергоносителей(газа, электроэнергии, жидкого и твердого топлива).
Надежность конструкции и простота эксплуатации,возможность мобильного исполнения (при установке на прицеп) позволяет применять утилизатор-мини-ко-
тельную для отопления производственных и жилых помещений, а также в условиях чрезвычайных ситуаций. Топливом может быть любое органогенное вещество,
включая торф и бурый уголь.

А. В. Смагин, инженер-конструктор ЗАО «Ломмета»,
В. В. Гусева, инженер-эколог ООО «Сиболакт»