Исследование эффективности утилизациипромышленных отходов методом пиролиза

№ 4 (32), 2014

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

УДК 621:628.542

Т. П. Авдеева, А. Е. Розен

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УТИЛИЗАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ МЕТОДОМ ПИРОЛИЗА6

Аннотация.

Актуальность и цели. На земном шаре ежегодно на каждого жителя земли приходится около 20 т отходов. Проблема утилизации отходов является важнейшей международной задачей. В настоящее время в различных странах разрабатываются и используются установки пиролиза, которые позволяют наряду с бытовыми отходами обезвреживать и производственные отходы. Общим для всех установок пиролиза характерно практически полное отсутствие загрязнения воздушной и водной сред. В Пензенском государственном университете изготовлен опытный образец пиролизной установки. Целью данной работы является исследование эффективности утилизации различных отходов на данной установке.

Материалы и методы. Измерения концентрации газообразных загрязняющих веществ и пыли выполнялись лабораторией охраны окружающей среды и промышленной санитарии Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом» ФГУП ФНПЦ «ПО «СТАРТ» им. М. В. Проценко». Комплекс биологических исследований по определению степени уничтожения высокотоксичных отходов из исходной смеси в экологически безопасные компоненты методом высокотемпературного пиролиза выполнен Государственным научно-исследовательским институтом промышленной экологии на базе Регионального центра государственного экологического контроля и мониторинга по Пензенской области. Определение класса опасности отходов проводили экспериментальным методом в соответствии с приказом Министерства природных ресурсов от 15 июня 2001 г. № 511 «Об утверждении критериев отнесения опасных отходов к классу опасности для окружающей природной среды». Экспериментальный метод основан на биотестировании отходов. Опыты проведены на дафниях, пресноводных водорослях и по изменению интенсивности бактериальной люминесценции.

Результаты. Получены результаты эффективности процесса пиролиза для четырех типов промышленных отходов. Проведены исследования класса опасности отхода и показателя безопасности разведения для исходного вещества и вещества, полученного после пиролиза. Проведен химический анализ веществ, поступающих в атмосферный воздух после процесса пиролиза. Измерены концентрации взвешенных частиц после каждой ступени очистки. Дана оценка эффективности очистки пиролизных газов пылеобеспылевающими аппаратами, которыми укомплектована установка. Получены результаты процесса пиролиза по времени и масса убыли вещества для всех исследуемых отходов

Выводы. Проведены промышленные испытания опытного образца пиролизной установки, предназначенной для утилизации отходов. Установлено, что опытный образец установки обеспечивает утилизацию разных твердых промышленных отходов. Дана оценка эффективности метода пиролиза для че-

6 Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Национальная система химической и биологической безопасности Российской Федерации (2009-2014)», утвержденной постановлением Правительства от 27 октября 2008 г. № 791 по научной теме «Разработка технологий, обеспечивающих ликвидацию различных химически опасных отходов, находящихся на территории накопителей, свалок и захоронений, на основе методов сверхкритического водного окисления и пиролиза в восстановительной среде без процесса горения».

Engineering sciences. Machine science and building

137

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

тырех типов отходов. Выполнены исследования состава газообразных загрязняющих веществ, поступающих в атмосферный воздух, измерены их концентрации и проведено сравнение с предельно допустимой концентрацией. Дана оценка примененным в установке конструкций устройств, предназначенных для очистки пиролизных газов от взвешенных частиц. Установлена эффективность протекающего процесса пиролиза отходов по времени и по убыли массы. На основании проведенных исследований установлено, что установка отвечает современным требованиям в решении проблемы переработки и утилизации отходов.

Ключевые слова: утилизация, пиролиз, биотестирование, промышленные отходы, «холодная плазма».

T. P. Avdeeva, A. E. Rozen

RESEARCH OF UTILIZATION EFFICIENCY OF INDUSTRIAL WASTE THROUGH PYROLYSIS

Abstract.

Background. In the world about 20 tons of waste is the annual share of every living person. The problem of waste disposal is a major international problem. Currently, various countries have developed and the pyrolysis units, which allow to utilize industrial waste along with household waste. For all pyrolysis plants is common to produce almost no air and water pollution. In Penza State University there has also been made a prototype of a pyrolysis plant. The aim of this work is to study the disposal effectiveness of various wastes at the given plant.

Materials and methods. Measurement of concentration of gaseous pollutants and dust was performed by the laboratory of environmental and industrial hygiene of the Scientific Production Association “START" named after M. V. Protsenko" under the State Atomic Energy Corporation "Rosatom". Complex biological studies to determine the degree of highly toxic waste disposal from the base mixture into the environmentally safe components through the high-temperature pyrolysis were carried out by the State Research Institute of Industrial Ecology at the Regional Center of State environmental control and monitoring in the Penza region. Determination of the waste hazard class was carried out experimentally in accordance with the law of the Ministry of Natural Resources from June 15, 2001 № 511 "On approval of the criteria for classifying hazardous waste classified as dangerous for the environment." The experimental method was based on biotesting of waste. Experiments were conducted on daphnia, freshwater algae; the changes in intensity of bacterial luminescence were also studied.

Results. The researchers received the results of the pyrolysis process efficiency for four types of industrial waste and carried out a research of the waste’s hazard class and the dilution safety indicator for the source material and the material obtained after pyrolysis. The authors conducted a chemical analysis of substances entering the air after the pyrolysis process and measured concentrations of suspended particles after each stage of purification. The researchers evaluated the effectiveness of the pyrolysis gases’ purification by dedusting devices which are installed in the plant, and obtained the results of the pyrolysis process according to time and weight of diminution for all the investigated waste substance.

Conclusions. The researchers held industrial testing of a pyrolysis plant prototype intended for waste disposal. It was found that the prototype system ensures disposal of different industrial solid waste. The authors evaluated the effectiveness of the pyrolysis method for the four types of waste. The researchers studied gaseous pollutants entering the atmospheric air, measured their concentrations and compared

138

University proceedings. Volga region

№ 4 (32), 2014

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

to the maximum permissible concentration. The authors also estimated the devices installed in the plant, designed to purify the pyrolysis gases from suspended particles and the effectiveness of the ongoing process of pyrolysis of waste according to time and mass diminution. On the basis of the studies it is found that the plant meets the modern requirements concerning waste management and disposal.

Key words: utilization, pyrolysis, biotesting, industrial waste, cold plasma.

На земном шаре ежегодно на каждого жителя земли приходится около 20 т отходов, состоящих из газообразных, жидких и твердых компонентов [1]. Наибольшую часть составляют твердые бытовые и промышленные отходы. Проблема утилизации отходов является важнейшей международной задачей. В настоящее время в различных странах разрабатываются и используются установки пиролиза, которые позволяют наряду с бытовыми отходами обезвреживать и производственные отходы. Общим для всех установок пиролиза характерно практически полное отсутствие загрязнения воздушной и водной сред.

В Пензенском государственном университете изготовлен опытный образец пиролизной установки (рис. 1), которая сейчас прошла промышленные испытания [2].

Рис. 1. Схема пиролизной установки: 1 - реактор; 2 - колонны;

3 - теплообменник; 4 - циклон сухой очистки; 5 - циклон с водяной пленкой; 6 - установка «холодной» плазмы; 7 - вентилятор

Принцип работы установки основан на технологии пиролиза, который представляет процесс предварительного разложения органической составляющей отходов в бескислородной атмосфере, после чего образовавшаяся концентрированная парогазовая смесь направляется в камеру дожигания, где в режиме управляемого дожига газообразных продуктов происходит перевод токсичных веществ в менее или полностью безопасные [3].

Для оценки экологических показателей работы установки и процесса пиролиза проведены опытные испытания для промышленных отходов ОАО

Engineering sciences. Machine science and building

139

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

«Волгохимпром» г. Волгограда, отходов твердого осадка сточных вод ОАО «Маяк» г. Пензы, отходов нефтешлама и древесной пыли.

Измерения концентрации газообразных загрязняющих веществ и пыли выполнялись лабораторией охраны окружающей среды и промышленной санитарии Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом» ФГУП ФНПЦ «ПО «СТАРТ» им. М. В. Проценко».

Комплекс биологических исследований по определению степени уничтожения высокотоксичных отходов из исходной смеси в экологически безопасные компоненты методом высокотемпературного пиролиза выполнен Государственным научно-исследовательским институтом промышленной экологии на базе Регионального центра государственного экологического контроля и мониторинга по Пензенской области. Определение класса опасности отходов проводили экспериментальным методом в соответствии с приказом Министерства природных ресурсов от 15 июня 2001 г. № 511 «Об утверждении критериев отнесения опасных отходов к классу опасности для окружающей природной среды».

Экспериментальный метод основан на биотестировании отходов. Опыты проведены на дафниях, пресноводных водорослях и по изменению интенсивности бактериальной люминесценции.

В процессе пиролиза выполнялся контроль за температурой газа, поступающего в атмосферный воздух. На входе в теплообменник температура газа составляет 190-195 °С. После прохождения газа через теплообменник температура его значительно понижается в среднем на 100 °С.

После прохождения газа в циклоне с водяной пленкой (ЦВП) температура понижается до 26-27 °С. В атмосферный воздух газ поступает с температурой окружающей среды - 27-28 °С (при проведении измерений температура в атмосфере была в среднем 27-29 °С).

Таким образом, несмотря на высокие температуры газа при процессе пиролиза, конструкция установки и ее элементы позволяют снизить температуру газа, поступающего в атмосферный воздух. Это снижает загрязнение атмосферного воздуха тепловыми выбросами.

1. Результаты пиролиза отходов ОАО «Волгохимпром» г. Волгограда

Хлорсодержащие отходы ОАО «Волгохимпром» г. Волгограда представляют собой вещество пастообразной формы серого цвета, отличающееся сильным сложным химическим запахом. В соответствии с приказом МПР № 511 от 15 июня 2001 г. вещество относится ко II классу опасности для окружающей природной среды.

Процесс пиролиза проведен при различной массе отходов, загружаемых в реактор: 5, 13, 15, 20 и 26 кг. Время протекания процесса пиролиза составляет от 30 до 45 мин. Наиболее эффективно процесс пиролиза протекает при температуре газа в реакторе 740 °С.

По окончании процесса пиролиза образуется сыпучее вещество серого цвета без запаха. Показатель безопасности кратности разведения (БКР) для исходного вещества и вещества, полученного после пиролиза, приведен в табл. 1.

140

University proceedings. Volga region

№ 4 (32), 2014

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

Таблица 1

Требуемое разведение водных вытяжек из проб отходов Волгохимпрома

Отходы Показатель БКР до пиролиза Показатель БКР после пиролиза

Для дафний 737 64

Для водорослей 316 28

Для люминесцентных бактерий 1:10000 1:100

На основании исследований, проведенных на биотестах, образовавшееся вещество имеет IV класс опасности, а показатели БКР резко уменьшаются. Таким образом, после процесса пиролиза вещество становится менее опасным.

В процессе пиролиза проведен анализ состава загрязняющих веществ и их количественное содержание, в газе, поступающем в атмосферный воздух. Измерения проведены в газоходе перед выходом газа в атмосферный воздух.

Перечень газообразных веществ, их предельно допустимые концентрации (ПДК) и концентрация в газовоздушной смеси, поступающей в атмосферу, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Перечень газообразных веществ, их ПДК и концентрация в газовоздушной смеси, поступающей в атмосферу

Загрязняющее вещество Концентрация, мг/м3 ПДК в атмосферном воздухе, мг/м3

Хлористый водород 0,23 0,2

Углерода оксид 0,5 5

Оксид азота 0,03 0,4

Диоксид азота 0,012 0,085

Серы диоксид 0,0024 0,5

Из анализа приведенных данных следует, что имеется незначительное превышение концентрации по сравнению с атмосферным воздухом только по хлористому водороду. По всем другим веществам превышение отсутствует.

По массе убыль вещества составляет 40 %.

При пиролизе отходов образуется значительное количество пыли (взвешенных частиц).

Для очистки газа от пыли в установке предусмотрена двухступенчатая очистка. Поэтому измерения концентрации пыли проводились в трех точках: в газоходе перед ЦВП, в газоходе перед плазменной установкой и в отводящем газоходе.

Циклон ЦВП обеспечивает очистку газа от пыли на 89,7 %, а установка плазмы - на 86,5 %. Таким образом, концентрация пыли перед ЦВП, равная 255 мг/м3, снижается до 3,5 мг/м3. Общая эффективность очистки газа от пыли составляет 98,6 %.

Engineering sciences. Machine science and building

141

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

2. Результаты пиролиза отходов твердого осадка сточных вод ОАО «Маяк» г. Пензы

Отходы ОАО «Маяк» представляют собой кусочки размоченного картона с содержанием влажности около 100 %. Вещество относится ко II классу опасности для окружающей природной среды.

Процесс пиролиза проведен при различной массе отходов, загружаемых в реактор: 10, 15, и 20 кг. Время протекания процесса пиролиза составляет около 2 ч. По окончании процесса пиролиза образуется сыпучее вещество серого цвета без запаха. На основании исследований, проведенных на биотестах, образовавшееся вещество имеет IV класс опасности. Показатель безопасности кратности разведения для исходного вещества и вещества, полученного после пиролиза, приведен в табл. 3.

Таблица 3

Требуемое разведение водных вытяжек из проб отходов ОАО «Маяк» г. Пензы

Отходы Показатель БКР до пиролиза Показатель БКР после пиролиза

Для дафний 536 43

Для водорослей 41 15

Для люминесцентных бактерий 1:1000 1 : 100

После процесса пиролиза вещество становится менее опасным.

По массе убыль вещества составляет более 95 %.

В процессе пиролиза проведен анализ состава загрязняющих веществ и их количественное содержание в газе, поступающем в атмосферный воздух.

Перечень газообразных веществ, их ПДК и концентрация в газовоздушной смеси, поступающей в атмосферу, приведены в табл. 4.

Таблица 4

Перечень газообразных веществ, их ПДК и концентрация в газовоздушной смеси, поступающей в атмосферу

Загрязняющее вещество Концентрация, мг/м3 ПДК в атмосферном воздухе, мг/м3

Хлористый водород 0,028 0,2

Углерода оксид 0,6 5

Оксид азота 0,006 0,4

Диоксид азота 0,01 0,085

Сероводород 0,0016 0,008

Из анализа приведенных данных следует, что отсутствует превышение ПДК загрязняющих веществ по сравнению с атмосферным воздухом.

3. Результаты пиролиза отходов нефтешлама

Отходы нефтешлама представляют собой смесь песка и отработанного минерального масла, содержащегося в количестве 20 % от массы отхода. Вещество относится ко II классу опасности для окружающей природной среды.

142

University proceedings. Volga region

№ 4 (32), 2014

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

Процесс пиролиза проведен при массе отхода, загружаемого в реактор, 12 кг. Время протекания процесса пиролиза составило 1 ч. По окончании процесса пиролиза образуется сыпучее вещество без содержания масла.

На основании исследований, проведенных на биотестах, образовавшееся вещество имеет IV класс опасности. Показатель безопасности кратности разведения для вещества, полученного после пиролиза, приведен в табл. 5. По массе убыль масла составила 100 %.

Таблица 5

Требуемое разведение водных вытяжек из проб отходов нефтешлама

Отходы нефтешлама Показатель БКР до пиролиза Показатель БКР после пиролиза

Для дафний 4410 76

Для водорослей 6806 81

Для люминесцентных бактерий 1:10000 1:100

4. Результаты пиролиза отходов древесной пыли

Отходы древесной пыли представляют собой смесь отходов мебельного производства. Вещество относится ко II классу опасности для окружающей природной среды.

Процесс пиролиза проведен при массе отхода, загружаемого в реактор, 28 кг. Время протекания процесса пиролиза составило 3 ч. По окончании процесса пиролиза образуется сыпучее вещество.

На основании исследований, проведенных на биотестах коксозольный остаток пиролизной переработки древесной пыли относится к IV классу опасности. Показатель безопасности кратности разведения для вещества полученного после пиролиза приведен в табл. 6.

Таблица 6

Требуемое разведение водных вытяжек из проб отходов древесной пыли

Отходы древесной пыли Показатель БКР до пиролиза Показатель БКР после пиролиза

Для дафний 74 67

Для водорослей 37 15

Для люминесцентных бактерий 1:10 1:100

По массе убыль древесной пыли составила 98 %.

Время пиролиза и убыль отхода по массе для исследованных отходов приведены в табл. 7.

Выводы

1. Опытный образец пиролизной установки обеспечивает утилизацию разных твердых промышленных отходов. Это отвечает современным требо-ванияу в решении проблемы переработки и утилизации отходов.

2. На основании проведенных исследований установлено, что в процессе пиролиза в атмосферу выделяются газообразные вещества. Однако во всех

Engineering sciences. Machine science and building

143

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

случаях концентрация загрязняющих веществ значительно ниже ПДК атмосферного воздуха.

Таблица 7

Время пиролиза и убыль отхода по массе

Наименование промышленного отхода Время пиролиза Убыль отхода по массе, %

Отходы ОАО «Волгохимпром» г. Волгограда 30-45 мин 40

Отходы твердого осадка сточных вод ОАО «Маяк» г. Пензы 2 ч 95

Отходы нефтешлама 1 ч 100

Отходы древесной пыли 3 ч 98

3. Наличие в установке нескольких ступеней очистки пиролизного газа от взвешенных веществ обеспечивает эффективность очистки на 98 %.

4. В результате исследования установлено, что по времени процесс переработки отходов ОАО «Волгохимпром» протекает более эффективно по сравнению с другими видами отходов.

5. Убыль отходов по массе для исследованных образцов различна. Наиболее эффективно процесс пиролиза протекает при переработке отходов нефтешлама, отходов древесной пыли и отходов твердого осадка сточных вод ОАО «Маяк» г. Пензы. Соответственно процент убыли по массе составил 100, 98 и 95 %.

Список литературы

1. Крюков, Б. Н. Современная технология утилизации твердых бытовых отходов / Б. Н. Крюков, А. В. Леонов // Интеграл. - 2005. - № 5 (25).

2. Авдеева, Т. П. Анализ эффективности утилизации промышленных отходов методом пиролиза / Т. П. Авдеева, А. Е. Розен // Металлургия: технологии, управление, инновации, качество : тр. ХУЛ Всерос. науч.-практ. конф. (14-16 октября 2014 г.). - Новокузнецк : Изд. центр СибГТУ, 2014. - С. 232-239.

3. Авдеева, Т. П. Проблемы утилизации твердых отходов и пути их решения / Т. П. Авдеева, А. Е. Розен, А. Н. Расстегаев // Фундаментальные проблемы науки : тр. VII Междунар. симпозиума (10-12 сентября 2013 г.). - М. : РАН, межрегиональный совет по науке и технологиям, 2013. - Т. 2. - С. 141-143.

References

1. Kryukov B. N., Leonov A. У. Integral [Integral]. 2005, no. 5 (25).

2. Avdeeva T. P., Rozen A. E. Metallurgiya: tekhnologii, upravlenie, innovatsii, kachestvo : tr. KhVII Vseros. nauch.-prakt. konf. [Metallurgy: technology, management, innovations, quality: proceedings of XVII All-Russian scientific and practical conference] (14-16 October 2014). Novokuznetsk: Izd. tsentr SibGTU, 2014, pp. 232-239.

3. Avdeeva T. P., Rozen A. E., Rasstegaev A. N. Fundamental’nye problemy nauki : tr. VII Mezhdunar. simpoziuma [Fundamental scientific problems: proceedings of VII International symposium]. (10-12 September 2013). M.: RAN, mezhregio-nal'nyy sovet po nauke i tekhnologiyam, 2013, vol. 2, pp. 141-143.

144

University proceedings. Volga region

№ 4 (32), 2014

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

Авдеева Татьяна Петровна

доктор технических наук, профессор, кафедра техносферной безопасности, Пензенский государственный университет

E-mail: ot@pnzgu.ru

Розен Андрей Евгеньевич доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой сварочного, литейного производства и материаловедения, Пензенский государственный университет

E-mail: aerozen@bk.ru

Avdeeva Tat'yana Petrovna Doctor of engineering sciences, professor, sub-department of anthropogenic safety, Penza State University

Rozen Andrey Evgenyevich Doctor of engineering sciences, professor, head of sub-department of welding, foundry production and materials science,

Penza State University

УДК 621:628.542 Авдеева, Т. П.

Исследование эффективности утилизации промышленных отходов методом пиролиза / Т. П. Авдеева, А. Е. Розен // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2014. - № 4 (32). -

С. 137-145.

Engineering sciences. Machine science and building

145