 |
Глава 2. Некоторые физико-химические свойства золошлаковых отходов мусоросжигательных заводов
|
|
|
|
токсичный выброс мусоросжигательный переработка
Термический метод обезвреживания твердых бытовых отходов (ТБО) на мусоросжигательных заводах (МСЗ) сопровождается образованием вторичных золошлаковых отходов. К ним относятся шлак и летучая зола, количество которых зависит от вида топки и режима ее работы, а также от исходного состава ТБО. Кроме шлака и летучей золы присутствуют и продукты реакции, образующиеся в результате взаимодействия специальных реагентов (СаО, Са(ОН)2 и др.) с вредными веществами, содержащимися в ТБО (сера), в дымовых газах (S02, HCI, HF и др). Количество образующихся продуктов реакции зависит от исходного состава ТБО, оборудования и схемы очистки отходящих газов.
В золошлаковых отходах МСЗ № 2 летучая зола совместно с продуктами газоочистки составляет до 15 % (т.е до 3,6 % общего объема ТБО), в том числе продукты газоочистки — до 3 % (т.е. до 0,7 % общего объема ТБО).
При анализе набора оксидов в шлаке (табл. 1) авторами выявлены наиболее вероятные источники происхождения любого оксида, а для некоторых можно предложить организационно-технические мероприятия, снижающие их концентрацию в шлаке. Так, например, основным источником Si02 с большой вероятностью можно считать уличный смет. Отсюда следует, что целесообразно складировать уличный смет отдельно от ТБО.
Уменьшение доли СаО связано с улучшением качества бетонных изделий и дорожных покрытий, где кальций Является одним из распространенных вяжуших. Уменьшение содержания Fe203 прежде всего связано с сокращением объемов стеклянной тары и ростом объемов ПЭТФ-тары для пищевых продуктов. Авторы считают, что поиск наиболее рациональных технологий обращения со шлаковыми отходами МСЗ следует вести в технологиях стекловарения. В табл. 2 приведены данные по составам оконного стекла и шлака, из которых следует, что химический состав шлака близок к химическому составу шихты для изготовления стекла и стеклоэмалей.
|
|
|
Анализ фракционного состава показывает, что температура и время пребывания в топочном пространстве достаточны для плавления стекла. Неплавленное стекло соответствует мелким фракциям, которые проваливаются на первых секциях колосниковой решетки, т.е. там, где средняя температура в слое ТБО ниже 550 — 600 "С. На последних секциях крупные куски стекла подверглись более полному переплаву, и их доля, в общем количестве стекла, резко возросла. Следовательно, полного переплава стекла можно добиться при его переработке внутри слоя горения ТБО, что соответствует данным о температурных режимах стекловаренных печей, т.е. 1000 - 1100 "С.
Из опыта эксплуатации МСЗ № 2 следует, что при термической технологии обращения со шлаком влажность шлака, выгружаемого из шлаковой ванны после шлаковыталкивателя составляет 20 22 г и в значительной мере определяет величину непроизводительных потерь энергии. Также влага впитывает повышенный расход реагентов.
В атмосфере мусоросжигательной печи количество ПО определяется влажностью исходных продуктов.
Другим видом опасных отходов газоочистки является зола с фильтров МСЗ № 2. Состав золы МСЗ № 2 и содержание микроэлементов исследовались на ОАО "ВТИ" и РосНИИЦ ЧСМЗ РФ. Результаты исследований приведены в табл. 3 и 4 соответственно.
Потери при прокаливании (П.п.п) золы включают не только выгорание органических остатков (углерода), но и удаление воды при дегидратации Са(ОН)2 и алюмосиликатов, удаление С02 из карбоната кальция. Повышенное содержание в золе (по сравнению со шлаком) СаО, MgO, К20 и Na20 и пониженное Si02 увеличивает ее основность (однако она остается кислой) и гидрохимическую активность; в отдельных случаях зола может быть отнесена к активным материалам.
|
|
|
В процессе горения отходов соединения тяжелых металлов испаряются при температурах 850 — 1000С и с отходящими газами покидают печь вместе с частицами летучей золы. В экономайзерной части котлоагрегата температура отходящих газов понижается до 200 — 300°С, что приводит к оседанию большей части соединений тяжелых металлов на частицы летучей золы [1].
В настоящее время на большинстве мусоросжигательных заводов мира установлены сложные системы очистки отходящих газов, включающие от двух до пяти стадий (обеспыливание, абсорбция, адсорбция, денитрифи-кация, выделение диоксинов.
Степень опасности отходов мусоросжигания обусловлена как наличием соединений класса полихлорированных бифенилов, типа ПХДД и ПХДФ, так и подвижных форм тяжелых металлов (главным образом свинца, кадмия, цинка, меди и хрома), способных мигрировать в природные среды (почву, поверхностные и фунтовые воды) [3]. Исследования распределения металлов показали, что 78% кадмия, 43% свинца и 38 % цинка, поступивших с ТБО на сжигание, концентрируются на частицах золы [2]. Образующиеся в результате сжигания отходов летучая зола и шлак представляют собой сложные минеральные композиции, имеющие оксидную основу, содержание основных компонентов которых изменяется в широких пределах.
Результаты экспериментов по выщелачиванию металлов из зол МСЗ показали, что наибольшая миграционная активность элементов наблюдалась при контакте отходов с кислыми и слабокислыми выщелачивающими растворами [4]. В водную среду из золы в первую очередь мигрируют легко растворимые хлориды Na и К. В меньшей степени водной миграции подвержены Са и А1. Из токсичных металлов в водных вытяжках присутствуют Pb, Zn, Си, Сг. 0,2 мм (11%); 0,1 - 0,16 мм (17%); 0,063 - ОД мм (1.8%); 0,05 — 0,063 мм (7%); <0,05мм (27%). Преобладают частицы размером 0,02 — 0,04 мм [5].
Абразивность летучей золы зависит от внешних форм ее частиц, а также их прочности. Внешняя форма и прочность частиц зависят от минералогического и химического состава золы, а минералогический состав определяется содержанием Si02 и АЮ3.
Объектами настоящего исследования являются зольные остатки систем газоочистки МСЗ N° 2 и содержащаяся в шлаке колосниковая зола. Зольными остатками систем газоочистки являются смесь летучей золы с известью и активированным углем. Колосниковой (или донной) золой является фракция в шлаке с размером частиц менее 0,25 мм. Отбор проб летучей золы МСЗ № 2 в данной работе осуществляли из бункера-накопителя. Было отобрано пять проб летучей золы. Пробы были многоточечными (20 точек) и случайными как по времени дня, так и по месту сосредоточения отхода.
|
|
|
Поступившие в лабораторию 12 смешанных проб (каждая массой около 6 кг) рассыпали слоем толщиной около 1 — 2 см на листах фильтровальной бумаги и сушили до воздушно-сухого состояния в течение 2 сут. После высушивания проводили операцию квартования. Слой пробы делили на квадраты площадью 8—10 смг и отбирали через 1 в шахматном порядке. Половину пробы отбрасывали. Оставшуюся часть вновь рассыпали слоем около I см, делили на квадраты площадью 6 — 8 см2, затем отбирали через 1 в шахматном порядке, половину отбрасывали. Эту операцию повторяли до тех пор, пока масса оставшейся золы в каждой пробе не составляла около 500 г. После чего пробу помещали во вращающийся барабан для перемешивания в течение 20 мин. Перемешанную пробу хранили в пластиковых или стеклянных емкостях с плотно закрытой крышкой.
До настоящего времени нет утвержденных методик определения химического состава отходов, в частности зол мусоросжигания. В данной работе при определении токсичных элементов, входящих в состав отхода, а также мигрирующих в окружающую природную среду, были выбраны методики анализа качества почв и санитарно-химической оценки стройматериалов с добавлением промотходов РД 52.18.286-91.
Как видно из табл. 1, вытяжки 1 М HNО3 и кислотное разложение не обеспечивают наиболее "жестких" условий извлечения и класс опасности золы МСЗ №2, определенный по этим вытяжкам, оказался четвертым. Однако кислотное разложение дает суммарный показатель степени опасности компонентов к, = 93,39 ± 10, который находится на грани критического значения — 100. При кислотном автоклавном вскрытии извлечение ТМ повышается, что обусловливает увеличение к, до 107,2 ± 11 и отнесение отхода к третьему классу. Заметим, что в том случае, когда результат приближается к критическому значению, может появиться желание использовать верхнюю или нижнюю границы оценки класса, но нужно иметь в виду, что это не всегда правомочно. Элементы, определяющие класс опасности юлы МСЗ № 2. располагаются но значимости к следующем порядке:
|
|
|
• полная вытяжка Pb > Zn > Сг;
• вытяжка ЛЛЬ - Pb > Zn > Cd > Мп > Сг;
• вытяжка I М HNO. — РЬ> Zn>Cd> Cu^Mn:
•. кислотное разложение Pb > Zn > Cd > Си Сг > Ni.
Согласно результатам исследований РЬ и Zn определяют степень опасности золы (84 92 с) по неорганической компоненте.
Содержание в летучей золе растворимых в воде веществ в 20
— 30 раз выше их концентрации в шлаке.
Как следует из результатов исследований авторов, в состав летучей золы входит до 20 < сульфатов, а также большое количество растворимых в воле примесей, таких, как соли свинца, цинка, ртути, особенно кадмия, хлоридов и фторидов. Высокая концентрация в летучей юле растворимых в воде примесей делают ее непригодной для использовании в сельском хозяйстве, а в ряде случаев и в качестве строительного материала. В общем случае летучая зола обладает большей, по сравнению со шлаком МСЗ и юлой уноса энергетического топлива, когезионностью и может быть отнесена к среднеслипающимся пылевидным порошкам.
Содержание опасных для человека диоксинов (к ним относятся первые элементы двумерною гомологического ряда — ПХДД и ПХДФ) в летучей юле может достигать 10 — 20 м кг/кг, в то время как предельно допустимая концентрация диоксинов в России в почве, используемой в сельском хозяйстве, не должна превышать 0,133 нг/кг.-
Учитывая вышеизложенное, можно считать, что содержание ПХДЦ/ПХДФ в образцах почвы, отобранных в районе МСЗ Na 2, является вполне допустимым для жилой зоны города. Шлак по отношению к диоксинам практически безопасен, в то время как зольные отходы содержат ПХДД и ПХДФ в концентрациях, в сотни раз превышающих допустимые. Именно эти данные свидетельствуют об особой токсичности золы с фильтров МСЗ.
Таким образом, для обезвреживания и/или утилизации шлака могут быть использованы существующие технологии обращения с силикатным сырьем для получения промышленных полупродуктов или изделий промышленного назначения, а для утилизации зольных отходов с фильтров МСЗ необходимы технологии, обеспечивающие гарантированную деструкцию молекул диоксинов, создание долговременных условий для предотвращения их рекомбинации и защиту окружающей среды от высокодисперсной силикатной пыли.
|
|
|
Глава 3. Технология "холодной" переработки токсичных зол и шлаков мусоросжигательных заводов
Развитие мусоросжигания во всем мире, позволяющее при сжигании твердых бытовых отходов (ТБО) получить электроэнергию и тепло сдерживается отсутствием технологий переработки опасных токсичных отходов в виде зол, образующихся при сжигании мусора и содержащих значительные концентрации диоксинов, при этом масса зол вместе со шлаками составляет 20-25% массы перерабатываемых ТБО. В настоящее время эти токсичные отходы захораниваются на специальных полигонах и существенно ухудшают экологическую среду.
Предлагается технология переработки токсичных зол и шлаков мусоросжигательных заводов, реализующая идею полной утилизации твердых бытовых отходов, исключение складирования, перевозки и захоронения токсичных веществ, предотвращение загрязнения окружающей среды, производство на базе обезвреженных отходов строительных материалов и изделий.
Преимущества технологии:
· переработка токсичных отходов в безопасные и дешевые материалы и изделия для дорожного строительства и благоустройства (табл. 1,2);
· исключение перевозки и захоронения токсичных зол и шлаков, освобождение земельных участков, оздоровление среды обитания;
· обеспечение безотходной работы мусоросжигательных заводов;
· "холодный" энергосберегающий способ переработки токсичных отходов;
· экономия средств, расходуемых на утилизацию отходов (транспортировка, захоронение на полигонах).
Краткое описание
Разработанная технология переработки токсичных зол мусоросжигательных заводов предусматривает нейтрализацию и связывание вредных токсичных веществ, омоноличивание дисперсных отходов в гранулят в виде искусственного гравия, пригодного как искусственный грунт, крупный заполнитель и щебень для производства бетонов для дорожного строительства и благоустройства.
Технология строится по модульной схеме, что позволяет гибко приспосабливаться к различным объему и токсичности перерабатываемых отходов, изменению их состава и различной комплектацией оборудованием.
Переработка токсичных зол состоит из следующих стадий:
a. нейтрализации токсичных отходов;
b. омоноличивание зол и получение агломерата;
c. капсулирование агломерата и получение искусственного крупного заполнителя;
d. применение искусственного заполнителя (щебня) в изделиях из бетона для благоустройства и дорожного строительства.
Комплектация производства осуществляется на базе отечественного промышленного оборудования и части разработанного не стандартного оборудования.
Мощность предприятий по переработке токсичных зол и шлаков от 25 до 100 тыс./тонн в год.
Мусоросжигательные заводы
В 80-х гг. XX в. в России появились первые заводы термической обработки мусора, или, как их еще называют, мусоросжигательные заводы (рис. 50).
Рис. 50. Схема мусоросжигательного завода:
1 – мостовой кран с ковшом; 2 – парогенератор; 3 – электрофильтр; 4 – дымовая труба; 5 – сепаратор; 6 – склад шлака; 7 – механизм шлакоудаления; 8 – подпорный валик колосниковой решетки; 9 – обратно переталкивающая колосниковая решетка; 10 – приемный бункер; 11 – бункер котлоагрегата.
Сжигание представляет собой наиболее распространенный способ термического обезвреживания бытовых отходов. Сжигание осуществляется в печах и топках различных конструкций.
Промышленные печи – это технологические или энерготехнологические агрегаты, в которых тепло сожженного твердого, жидкого или газообразного топлива или нагрев, производимый электрическим током, используются для технологических либо отопительных целей. В основном мусоросжигательные заводы, оборудованные парогенераторами, включают:
– приемное отделение (предназначено для бытовых отходов). Включает мостовой кран и ковш;
– мусоросжигательный агрегат с топочным устройством;
– тягодутьевое устройство. Включает вентиляторы, дымосос, дымовую трубу;
– газоочистное устройство;
– парогенератор;
– сепаратор. Весь процесс сжигания бытовых отходов можно разделить на 3 основных периода: – подготовка топлива (бытовых отходов) к горению. Во время подготовки отходы прогреваются, из них удаляется влага и выделяются летучие вещества, образовавшиеся в результате нагрева отходов;
– непосредственное горение;
– сжигание горючих остатков. Наибольшая эффективность горения достигается при комбинировании 2 методов:
– слоевого (основного) (рис. 2);
– камерного (дожигание продуктов термического разложения).
Рис. 2. Схема слоевого процесса сгорания бытовых отходов:
1 – летучие компоненты; 2, 8 – первичный воздух; 3 – провал и шлак; 4 – камера догорания; 5 – вторичный воздух; 6 – бытовые отходы; 7 – топочная камера; 9 – шлак.
Метод слоевого сжигания используется для высоковлажных многокомпонентных бытовых отходов. Этот метод имеет целый ряд преимуществ: – стабильность процесса горения бытового мусора можно поддерживать в определенном диапазоне; – сжигание высоковлажных бытовых отходов не требует их предварительной просушки; – сжигать бытовые отходы можно без предварительной подготовки, то есть нет необходимости в отборе и измельчении. Главным недостатком мусоросжигательных заводов является небольшой отрезок времени, который отводится для сжигания бытовых отходов. Вследствие этого дымовые газы наполняются продуктами неполного сгорания бытовых отходов, а в шлаке накапливается большое количество недогоревших горючих компонентов. Несмотря на существующие проблемы, мусоросжигательные заводы действуют сегодня в 20 странах мира, включая и Россию. Доля России в переработке отходов на мусоросжигательных заводах по сравнению с ведущими странами невелика и составляет всего около 2 %. А ведь бытовые отходы являются надежным источником топлива, который способен обеспечить существенную экономию топлива другого вида в каждом городе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Матросов А.С. Управление отходами. М.: Гардарики, 1999.
2. International directory of solid waste management. The 1SWA vcarhook. 1996/97.
3. Некоторые вопроси токсичности ионов метлой / Пол ред. X. Чинит, Л. Чинит. М.: Мир. 1993.
4. Kciniann D.O. Heavy metals teachability from solid waste incineration residues // Waste management and research. 19X9. № 7.
5. Albino el al. Stabilization. Solidification of Hazardous Waste before Landfill Disposal // Journal of Environmental Science and Health.
|
|
|
