Моделирование натурных топочных условий для оценки экологической безопасности выбросов в атмосферу при сжигании ТБО

УДК 662.7:628.47

И. В. Ламзина, В. Ф. Желтобрюхов, И. Г. Шайхиев МОДЕЛИРОВАНИЕ НАТУРНЫХ ТОПОЧНЫХ УСЛОВИЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ ПРИ СЖИГАНИИ ТБО

Ключевые слова: твердые бытовые отходы, альтернативное топливо, моделирование, химический анализ.

Использование твердых бытовых отходов в качестве альтернативного топлива позволяет экологически и безопасно утилизировать многие виды отходов. Это позволит не только сократить экономические затраты производства за счет сокращения потребления традиционных источников энергии (уголь, нефтяной кокс, природный газ), но и снизит нагрузку на окружающую среду вследствие уменьшения эмиссии парниковых газов и уменьшения количества отходов, идущих на захоронение. Практика альтернативного замещения ископаемых энергоресурсов широко распространена за рубежом, что свидетельствует об успешности данных технологий.

Keywords: municipal solid waste, alternative fuel, modeling, chemical analysis.

The use of solid waste as alternative fuel allows the environmentally safe disposal of many wastes. This will not only reduce the economic costs of production by reducing consumption of traditional energy sources (coal, petroleum coke, natural gas), but it will also reduce the burden on the environment by reducing greenhouse gas emissions and reducing the amount of waste that goes to disposal. Practice alternative substitution of fossil energy has been widely used abroad, which testifies to the success of these technologies.

Термическая переработка отходов это процесс, при котором предварительно размельченный мусор подвергается термическому разложению. При эффективном ведении процесса сжигания происходит обеззараживание и снижение

токсичности отходов. Получаемый инертный минерализованный остаток (зола и шлаки) после определенных переделов, с целью достижения приемлемого класса опасности и заданного качества, может использоваться взамен первичных инертных материалов. При достаточно большом содержании

горючих фракций в сжигаемых отходах возможно использование их энергетического потенциала в виде тепловой и электрической энергии [1].

Для целей моделирования топочных условий, возникающих при использовании в качестве альтернативного топлива переработанных твердых бытовых отходов (ТБО), применена малогабаритная передвижная установка, предназначенная для утилизации (термического уничтожения) различных промышленных и бытовых отходов непосредственно в местах их образования. Такие установки компактны, мобильны, не требуют больших площадей отвода земли, широкой санитарно-защитной зоны и, как показали нижеприведённые результаты испытаний, экологически безопасны.

В качестве экспериментального прототипа использовалась установка ЭКО «ФОРСАЖ - 2М», применяемая для утилизации медицинских и промышленных отходов (за исключением галогеносодержащих отходов и отходов, содержащих тяжелые металлы, а также поливинилхлорида). Конструктивные особенности установки позволяют сжигать отходы калорийностью до 5500 ккал/кг; при этом предельное содержание нефтепродуктов в

сжигаемых отходах не должно превышать 30 % (по массе).

Принципиальная схема установки по сжиганию ТБО приведена на рисунке 1.

Рис. Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует. - Принципиальная схема установки ЭКО «ФОРСАЖ - 2М»

Установка состоит из следующих узлов:

1. Камера сжигания (топка) - предназначена для непосредственного сжигания отходов. Представляет собой цилиндрическую ёмкость диаметром - 1100 мм, высотой - 1200 мм и толщиной стенки - 4 мм. По верхнему краю ёмкости и на расстоянии 400 мм от края размещены ребра жесткости. Камера сжигания оборудована шиберной задвижкой, предназначенной для аварийного отсечения пламени и патрубком для подсоединения дизельной горелки. Камера сжигания оборудована ручками для её поворота при выгрузке зольного остатка.

2. Крышка - закрывает камеру сжигания сверху и обеспечивает выход горючих газов в камеру дожигания. Крышка включает в себя замки и смотровые отверстия.

3. Камера дожигания - предназначена для дожигания несгоревших в камере сжигания частиц и газов. Представляет собой трубу диаметром - 520 мм, высотой - 350 мм и толщиной стенок - 3 мм. В верхней части камеры дожигания расположено выпускное отверстие, в нижней части камеры дожигания дефлектор. Во время работы установки в камере дожигания создаётся воронкообразный поток газов, которые вдоль стенок направляются в камеру сжигания. Встречный поток газов направленный снизу вверх, обогащается кислородом воздуха, поступающим из воздуходувных патрубков, температура горения при этом достигает 1400 оС, что обеспечивает практически полное сгорание.

4. Дефлектор - предназначен для отклонения потока несгоревших газов и частиц, поднимающихся через центр воронки к периметру камеры дожигания. Дефлектор представляет собой диск диаметром - 350 мм.

5. Воздуховодные патрубки - предназначены для соединения гибкого рукава подачи воздуха к камере дожигания. Геометрия крепления патрубков обеспечивает необходимое направление потоков воздуха в камере сжигания.

6. Сетчатый фильтр-искрогаситель -предотвращает вылет мелких несгоревших частиц из установки и производит дополнительный дожиг отходящих газов. Фильтр представляет собой частую сетку с размером ячейки 3-4 мм. Изготовлен из жаростойкого нихрома (данный материал служит катализатором, на котором происходит дожиг).

7. Механизм подъема крышки - предназначен для подъема и опускания крышки. Представляет собой рычажно-винтовой подъемник со штоком, верхняя часть которого приварена к крышке установки.

8. Пульт управления - представляет собой агрегат, закрытый защитным кожухом, включающим в себя несущий каркас и реверсионные камеры.

9. Дизельная горелка - предназначена для поджигания и увеличения температуры горения отходов. Горелка необходима для первоначального розжига или для уничтожения особо плотных отходов. После стабилизации процесса горения горелка может быть отключена. Дальнейшее горение поддерживается путем интенсивного нагнетания кислорода воздуха.

10. Рукава воздуховодные - предназначены для подвода воздушного потока, создаваемого в реверсионных камерах к выпускным патрубкам камеры дожигания. Подача воздуха может использоваться и для быстрого охлаждения камеры сгорания при работе в летних условиях.

11. Труба дымовая - высотой 1800 мм устанавливается на верхнюю часть крышки установки и предназначена для отводов продуктов сгорания, изготовлена из стали.

Установка размещается на небольшой рабочей площадке на открытом воздухе (не ближе 100 метров от селитебной зоны). Расстояние между

камерой сжигания и пультом управления должно составлять не менее 3 - 4 метров. Топливный бак заполняется дизельным топливом. Пульт управления подключается к сети переменного тока (220 В, 50 Гц). С помощью механизма подъема поднимается крышка. На поддон камеры сжигания размещаются отходы, предназначенные для утилизации (объем загружаемых отходов не должен превышать 3/4 объема камеры сжигания). Далее включается горелка с дизтопливом, розжиг отходов осуществляется в течении 5-15 минут в зависимости от калорийности отходов, интенсивность процесса горения регулируется подачей воздуха в камеру дожигания воздуховодами из ресиверных камер. Далее горелку можно отключить и снять с установки до следующего цикла.

При утилизации низкокалорийных отходов в процессе горения необходимо периодически ворошить отходы специальным стальным стержнем через смотровые отверстия. После окончания процесса горения необходимо закрыть шиберную задвижку, прекратить подачу воздуха, после остывания камеры сгорания загрузить новую порцию отходов.

По мере накопления зольного остатка в камере сжигания необходимо произвести его выгрузку.

В крышке камеры сгорания встроен специальный фильтр, обеспечивающий очистку отходящих газов от механических загрязнений, образующихся при горении отходов.

Эффективная очистка газов происходит за счет специальной конструкции камеры сжигания, имеющей две ступени:

а) непосредственное сжигание отходов в камере сжигания;

б) дожиг отходящих газов при высокой температуре (до 1400 оС) в камере дожигания, расположенной в крышке камеры сгорания.

Данное технологическое решение обеспечивает практически полное сгорание отходов (остаток в виде золы составляет не более 3-5 % от объема загруженных отходов).

Отбор проб на химический анализ отходящих в атмосферу газов производится на верхнем обрезе трубы (высота от поверхности земли 3 метра). Всё это обеспечивает соответствие выбросов в атмосферу нормам предельно допустимой концентрации в рабочей зоне (ПДКрз).

Базовым критерием применения альтернативного топлива является экологический фактор, т. к. при сжигании топлива в атмосферу могут попадать различные отравляющие и ядовитые вещества, такие как диоксины, фураны, фосген, цианиды и др.

Наряду со стойкими органическими загрязнителями (например, диоксинами) и некоторыми тяжелыми металлами (например, РЬ, Си, С^ Сг, Ы1, Нд), в составе выбросов можно обнаружить оксиды серы (ЭОх), оксиды азота (ИОх), летучие органические соединения (ЛОС) и метан, СО, СО2, Ы2О, НС1 и ЫН3. Выбросы оксида углерода происходят в тех случаях, когда углерод, содержащийся в сжигаемых отходах, не проходит окисления в диоксид углерода. Высокие уровни СО

указывают на то, что газообразные продукты сгорания не находились при достаточно высокой температуре в присутствии кислорода в течение периода, достаточного для протекания реакции перехода СО в С02. Концентрация оксида углерода служит наглядным доказательством эффективности сгорания и является важным показателем неустойчивости и неравномерности протекания процесса сжигания.

Оксиды азота образуются как конечный продукт любого процесса сгорания топлива /воздуха. Оксид азота (N0) является главным компонентом ЫОх; однако, образуются, хотя и в меньших количествах, двуокись азота (N0^ и закись азота (^О). В процессе горения отходов происходит параллельное окисление азота в составе ТБО и атмосферного азота с последующим образованием оксидов азота. Процесс химического превращения азота в отходах протекает при сравнительно низких температурах (менее 1090 °С), в то время как процесс окисления атмосферного азота протекает при более высоких температурах. Из-за сравнительно низких температур эксплуатации коммунальных мусоросжигательных установок, до 80 % образовавшегося в них N0^ связано с присутствием в сжигаемой массе отходов соединений азота. В ТБО представлено все разнообразие органических соединений, включая хлорбензолы, полихлорбифенилы, хлорфенолы, полициклические ароматические углеводороды. Следы органических веществ в газообразных продуктах сгорания могут быть обнаружены в паровой фазе, в виде конденсата или абсорбированы на тонкодисперсных частицах [2].

Основными загрязняющими веществами, выделяющимися при сжигании ТБО, являются соединения, представленные в таблице 1.

Таблица 1 - Основные загрязняющие вещества, выделяющиеся при сжигании ТБО

линий равных концентраций по каждому веществу (графическое представление расчетов).

Основными исходными данными для расчета являются перечень и максимальный выброс (в г/с) загрязняющих веществ каждым источником выброса и параметры источников выброса.

Химический анализ загрязняющих веществ в выбросах из трубы установки по сжиганию ТБО ЭКО «Форсаж - 2М» представлен в таблице 2.

Таблица 2 - Химический анализ загрязняющих веществ в выбросах из трубы установки по сжиганию ТБО ЭКО «Форсаж - 2М»

Примечание: Загрузка 1 - 30 кг хлопчатобумажной ветоши и 50 кг отработанного масла; Загрузка 2 -

15,5 кг полипропилена и 25 кг отработанного масла; Загрузка 3 - 12 кг полиэтилена + 10 кг замасленной ветоши + 5 кг сухой ветоши.

Результаты химического анализа загрязняющих веществ в рабочей зоне оператора установки ЭКО «Форсаж - 2М» представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Химический анализ загрязняющих веществ в рабочей зоне оператора установки по сжиганию ТБО ЭКО «Форсаж - 2М»

№ п/п Поллютант Концентрация, мг/м3 ПДК мг/м

1 Взвеш. в-ва 1,27 4,0

2 БО2 <5,0 10,0

3 КО2 <1,0 2,0

4 СО 0,47 20,0

Результаты химического анализа загрязняющих веществ в приземном слое в санитарно-защитной зоне на расстоянии 100 м от установки ЭКО«Форсаж - 2М» по сжиганию ТБО представлены в таблице 4.

№ Наименование ПДК мг/м ПДКт Класс

п/п мг/м3 опасности

1 Взвеш. в-ва - - -

2 N0 5,0 0,4 3

3 Э02 10,0 0,5 3

4 С0 20,0 0,5 4

5 N43 20,0 0,2 4

6 Фосфорный ангидрид 1,0 0,15 2

7 Фенол 1,0 0,01 2

8 Формальдегид 0,5 0,035 2

9 Бенз(а)пирен 0,00015 0,000001 1

10 Углерод (сажа) 4,0 0,15 3

Расчет приземных концентраций загрязняющих веществ в атмосфере проведён в соответствии с «Методикой расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах промышленных предприятий (ОНД-86)» с использованием программы УПРЗА «Эколог» (Фирма «Интеграл»).

Приземные концентрации рассчитываются в конкретных точках на предмет соответствия нормативу предельно допустимым выбросам (ПДВ) и в узлах сетки расчетной площадки для построения

№ Вещество, Концентрация, мг/м3

п/ п параметр Загрузка 1 Загрузка 2 Загрузка 3

1 Взвеш. в-ва 53,0 40,0 65,0

2 Кислород (О2) % (избыток) 11,9 9,0 9,5

3 Э02 8,9 2,5 5,7

4 оксиды азота N0x=N0+N02 90,0 237,0 63,0

5 Суммарное содержание углеводородо в в пересчете на углерод 45,0 289,0 3,0

6 Оксид углерода (СО) 661,0 53,0 65,0

7 Тяжелые металлы: - Кадмий - Ртуть - Свинец 0,010 0,002 0,150 0,010 0,002 0,120 0,010 0,001 0,060

8 Температура дымовых газов,оС 460 490 467

Таблица 4 - Результаты химического анализа загрязняющих веществ в приземном слое на границе санитарно-защитной зоны на расстоянии 100 м от установки по сжиганию ТБО

№ п/п Поллютант Концент рация, мг/м3 доли ПДК в атмосф. воздухе

1 Диоксид серы (ЭО2) 0,032 0,063

2 Диоксид азота (ЫО2) 0,047 0,236

3 Зола летучая 0,381 0,761

4 Группа суммации (ЫО2+ЭО2) - 0,298

5 Группа суммации (ЫО2 + ЫО + мазутная зола + ЭО2) 0,325

изделий), как наиболее токсичных компонентов ТБО.

Результаты проведенных химических анализов выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от установки по сжиганию ТБО свидетельствует, что для таких условий достаточно организации санитарно-защитной зоны в 100 м. Эта зона должна корректироваться с учетом увеличения масштаба установки до промышленной, а также фонового загрязнения на конкретной территории.

Литература

Прикладная

1. Я.И. Вайсман, Вестник ПНИПУ. экология. Урбанистика, 1, 6-22, (2015).

2. Карло Троцци Руководство по инвентаризации выбросов ЕМЕП/ЕАОС 2009. Сжигание бытовых отходов [Электронный ресурс]. - 2009. - Режим

Вышеприведенные результаты исследования доступа:

позволяют констатировать возможность file:///C:/Users/%D0%98%D1%80%D0%B8%D0%BD%D0

безопасного сжигания ТБО, а также других жидких %B0/Downloads/6.C.c%20Municipal%20waste%20incinera

и твердых отходов производства на установке ^/оМОтм^т^.^

«Форсаж - 2М», в частности, для сжигания нефтесодержащих отходов (промасленной ветоши, опилок, отработанных фильтров и бумажных

© И. В. Ламзина - аспирант кафедры промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности, ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет», lamzina_irina@inbox.ru, В. Ф. Желтобрюхов - д.т.н, профессор кафедры промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности того же вуза, И. Г. Шайхиев - д.т.н., заведующий кафедрой инженерной экологии КНИТУ.

© I. V. Lamzina - postgraduate student, Department of industrial ecology and life safety, "Volgograd state technical University, lamzina_irina@inbox.ru, V. F. Zheltobryukhov - doctor of technical Sciences, Professor of Department of industrial ecology and life safety of the same University, I. G. Shaikhiev - doctor of technical Sciences, the chairperson of the environmental engineering of department "Kazan national research technological University".