Эксергетическая оценка пожарной опасности и энергетической эффективности твердых коммунальных отходов при захоронении, перевозке и сжигании

БЕЗОПАСНОСТЬ КРИТИЧЕСКИ ВАЖНЫХ И ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ

ЭКСЕРГЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТВЕРДЫХ КОММУНАЛЬНЫХ ОТХОДОВ ПРИ ЗАХОРОНЕНИИ, ПЕРЕВОЗКЕ И СЖИГАНИИ

Л.А. Королева, кандидат технических наук, доцент. Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России. А.Г. Хайдаров, кандидат технических наук, доцент. Санкт-Петербургский государственный технологический институт

Обоснована возможность применения эксергетического метода для оценки пожарной опасности твердых коммунальных отходов при их захоронении и перевозке. Рассчитаны значения химической эксергии твердых коммунальных отходов различного морфологического состава. Представлена зависимость высшей теплоты сгорания от эксергии. Оценена эксергетическая эффективность сжигания твердых коммунальных отходов при различных сценариях извлечения ресурсов.

Ключевые слова: твердые коммунальные отходы, захоронение, перевозка, эксергия, пожарная опасность, эксергетическая эффективность, сжигание отходов

EXERGY ASSESSMENT OF FIRE HAZARD AND ENERGY EFFICIENCY OF MUNICIPAL SOLID WASTE AT THE DISPOSAL, TRANSPORTATION AND BURNING

L.A. Koroleva. Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia. A.G. Haydarov. Saint-Petersburg state institute of technology

The possibility of using the exergy method to assess the fire hazard of municipal solid waste at their disposal and transportation is proved. The values of chemical exergy of municipal solid waste of different morphological composition are calculated. The dependence of the higher heat of combustion on exergy is presented. The exergy efficiency of municipal solid waste burning in different resource extraction scenarios is estimated.

Keywords: solid municipal waste, disposal, transportation, exergy, fire danger, exergy efficiency, burning of waste

Увеличение населения, повышение благосостояния, урбанизация приводят к увеличению количества твердых коммунальных отходов (ТКО). Удельное количество ТКО, образующееся на одного жителя в год, в настоящее время оценивается от 250 до 1 000 кг и ежегодно растёт на 3-5 % [1]. Изменяется морфологический состав отходов.

Доступная, эффективная и стабильная система утилизации ТКО определяет устойчивое развитие страны. Интерес к вопросам управления ресурсами и отходами

постоянно растет. Использование эффективных методов утилизации улучшает качество жизни, предотвращает загрязнение окружающей среды, снижает пожарную опасность, способствует сохранению природных ресурсов, предоставляет преимущества использования возобновляемой энергии.

В настоящее время в России перерабатывается только около 1 % ТКО [1], остальные поступают на официальные и - по большей части - несанкционированные свалки. Особенно остро проблема вывоза и утилизации ТКО стоит в крупных городах.

Сведения о морфологическом составе ТКО являются наиболее общими. Основываясь на них, возможны оценка и прогноз пожарной опасности отходов, эффективности процессов утилизации.

Морфологический состав ТКО изменяется по годам, имеет сезонные колебания и различается по регионам. Данные о динамике изменения морфологического состава ТКО в целом по России за период с 1928 г. представлены в табл. 1.

Таблица 1. Динамика изменения морфологического состава ТКО России [2]

Фракция Содержание фракции, % масс (по сухому весу), по годам

1928 1952 1975 1986 1996 2013

Бумага, картон 18 16 28 39 41 30

Пищевые отходы 12 31 36 31 26 35

Дерево 4 1 3 2 1 5

Металл 2 2 2 3 2 4

Текстиль 3 1 2 3 4 4

Кости 3 1 5 1 1 2

Стекло 4 1 4 5 5 3

Кожа, резина 1 1 2 2 3

Камни 5 6 2 1 2 1

Полимерные материалы - - - 3 8 6

Прочее 49 40 17 10 8 7

Итого 100 100 100 100 100 100

Для оценки пожарной опасности ТКО в работе [3] обоснована возможность и преимущества использования эксергетического подхода.

Эксергетический метод термодинамического анализа основан на применении понятия эксергии для исследования технических процессов. Он опирается на первый и второй закон термодинамики. Его основное преимущество определяется тем, что метод учитывает реальные условия протекания процессов, от которых зависит возможность получения максимальной полезной работы.

Эксергия выступает мерой отклонения параметров состояния термодинамической системы от условий окружающей среды. В современных исследованиях данное понятие связывают с понятиями эффективность, экологичность, экономичность, экологическая целесообразность и пожарная опасность [3].

Эксергия есть часть энергии, равная максимальной полезной работе, которую может совершить система до установления состояния равновесия с окружающей средой. При определении эксергии объектами изучения являются: рассматриваемая система, окружающая среда и внешние объекты в окружающей среде, которые могут быть источниками или приемниками энергии. В реально протекающих процессах работа всегда меньше убыли эксергии.

В отличие от энергии, эксергия не подчиняется закону сохранения, диссимилируясь или затрачиваясь вследствие необратимости любых реальных процессов. Потери эксергии

прямо пропорциональны увеличению энтропии. Эксергия отражает качество и масштабы преобразований энергии внутри системы.

Рассмотрим различные стратегии управления ТКО и дадим эксергетическую оценку происходящих процессов и их пожарной опасности.

1. Захоронение отходов.

Большое количество нелегальных свалок и приближение официальных полигонов к населённым пунктам приводят к ухудшению экологической обстановки и риску возникновения чрезвычайных ситуаций [4].

Пожары на полигонах и свалках являются существенной проблемой. Наличие тепла, кислорода и топлива (то есть твёрдых отходов) создает необходимые условия пожара. Наиболее серьезными считаются подземные пожары, что обусловлено трудностью определения их местоположения и масштаба. Эти пожары в основном вызваны самовозгоранием при высокой температуре. Влажность, концентрация кислорода и продуктов разложения, температура, наличие катализаторов, разнообразие морфологического состава ТКО и различие условий на полигоне влияют на процессы самовозгорания, воспламенения и самонагревания твердых отходов. На мусорных полигонах эти факторы меняются в зависимости от времени и места и трудно поддаются контролю из-за структуры свалок или неоднородности твердых отходов.

Последствия пожаров могут выходить за пределы мусорных свалок, и урон, нанесенный ими, может быть огромен. Быстрое окисление отходов в пределах свалок может ослабить конструкцию и устойчивость мусорного полигона. Кроме того, вследствие высокой температуры, осадки грунта, обезвоживания и противопожарных мероприятий подземные пожары могут повлиять на техническое состояние свалочной крыши, на качество выщелачивания и газовой генерации. Помимо этого, они представляют собой серьезную угрозу для окружающей среды, выпуская в атмосферу продукты неполного сгорания и загрязнители воздуха, такие как угарный газ, диоксины, фураны.

Мусорные свалки содержат смесь твердых отходов, каждый из которых имеет различные тепловые и динамические характеристики, которые влияют на процессы горения. Использование эксергетических характеристик дает возможность дать оценку пожарной опасности ТКО различного морфологического состава.

На основе данных по содержанию различных фракций в составе ТКО в России в различные периоды времени (табл. 1) по методике, предложенной в работе [5], были рассчитаны значения химической эксергии отходов. Результаты представлены на рис. 1.

Полимерные материалы

Кожа, резина

Кости

Текстиль

Дерево

Пищевые отходы

Бумага, картон

20

Эксергия ТБО

18

16

14

12

10

1928

1952

1975 1986 1996 2013

Рис. 1. Эксергия ТКО для России

8

6

4

2

На рис. 2 даны интервальные значения эксергии по фракциям ТКО, рассчитанные по данным работы [5].

Рис. 2. Интервальная оценка значений эксергии ТКО

Как видно из рис. 1 , 2, ТКО обладают высокими значениями эксергии. Наблюдается тенденция неуклонного роста рассматриваемого показателя. Наибольшими значениями обладают полимерные материалы, количество которых неуклонно увеличивается. Большой вклад в величину эксергии вносят пищевые отходы, бумага и картон, что определяется их количеством. Металлы обладают низким значением рассматриваемого показателя, его при расчетах можно не учитывать.

Таким образом, на свалках и полигонах содержатся отходы, которые, с одной стороны, обладают значительным эксергетическим потенциалом и могут быть использованы для получения энергии, с другой - высокой пожарной опасностью. Связь эксергии и теплоты сгорания ТКО была изучена в работе [3]. На рис. 3 представлена зависимость высшей теплоты сгорания от эксергии для ТКО различного морфологического состава.

Рис. 3. Зависимость высшей теплоты сгорания от эксергии для ТКО городов России

Сжигание отходов с получением энергии в крупных городах ограничивается мощностью имеющихся заводов, высокой стоимостью их строительства, возникающими при сжигании экологическими проблемами и мнением общественности. Решением вопроса накопления отходов может стать вывоз мусора из городов железнодорожным транспортом для утилизации их на отдаленных полигонах, мусоросжигательных и мусороперерабатывающих заводах [3]. ТКО при перевозке железнодорожным транспортом необходимо отнести к опасным грузам.

2. Энергетическое использование ТКО.

По технологическим признакам сжигания способы энергетического использования ТКО можно разделить на две группы [1]:

- одностадийное сжигание в специальных топках, применяемое на крупных мусоросжигательных заводах, с целью утилизации ТКО и выработки тепловой и электрической энергии;

- двухстадийное сжигание, предусматривающее на первой стадии преобразование органической части ТКО в смесь горючих газов, а на второй стадии - использование этих газов в различных типах энергетических устройств.

Используются следующие технологии газификации: метановое сбраживание (метанизация) органических отходов животного и растительного происхождения; термохимическая конверсия (газогенерация, пиролиз); анаэробное сбраживание (биоконверсия) натуральных ТКО на полигонах, специально оборудованных для сбора биогаза. Механизм биоконверсии близок к метанизации, только в данном случае необходимые для сбраживания микроорганизмы возникают естественным путём. Такой процесс является многолетним, он длится до 100 лет, причем наибольшее количество биогаза выделяется в первый год процесса и затем убывает по экспоненциальному закону. Горючей составляющей биогаза полигона является метан (СН4) в количестве от 40 до 70 %. В состав биогаза входит от 60 до 30 % двуокиси углерода (С02). Количество примесей незначительно, но они содержат сероводород H2S. Максимальное содержание водяного пара может достигать 7 % [1].

Для сравнительной оценки сжигания сортированных и несортированных отходов были рассмотрены четыре сценария управления ТКО, представленные в табл. 2.

Таблица 2. Схема сценариев извлечения ресурсов из ТКО [6]

Сценарий Сортируемые отходы Технологии переработки

Сценарий А ТКО Отходы в энергию + обработка зольного остатка

Сценарий В ТКО Отходы в энергию + обработка зольного остатка

Металлы (эффективность сортировки: 60 % для алюминиевых банок, 40 % для алюминиевых контейнеров и фольги, 50 % для железных банок, 10 % для других металлов) Установка сортировки металла

Сценарий C ТКО Отходы в энергию + обработка зольного остатка

Металлы

Пластмассы (эффективность сортировки: 50 % для твердых пластмасс, 10 % для мягких и неперерабатываемые пластмассы не сортируются) Установка сортировки пластмассы

Сценарий D ТКО Отходы в энергию + обработка зольного остатка

Металлы (эффективность сортировки: 60 % для алюминиевых банок, 40 % для алюминиевых контейнеров и фольги, 50 % для железных банок, 10 % для других металлов) Установка сортировки металла

Пластмассы (эффективность сортировки: 50 % для твердых пластмасс, 10 % для мягких и неперерабатываемые пластмассы не сортируются) Установка сортировки пластмассы

Органические отходы (эффективность сортировки: 50 % для продуктов питания и растительных отходов) Объект анаэробной переработки

В расчеты включены химическая, физическая и электрическая эксергия. Физическая эксергия заключается в давлении и температуре, отличных от окружающей среды. Химическая эксергия - в эксергии химических связей в веществах, которых нет в чистом виде в окружающей среде. Методика расчета соответствовала предложенной в работе [6]. Потоки материалов и энергии рассчитывали в отношении 1 000 кг ТКО.

Эффективность рекуперации оценивается как отношение эксергии полученных (в результате переработки) полезных ресурсов к эксергии отходов (отправленных на переработку):

Эксергия полезных выходных ресурсов Эффективность переработки ресурсов = ---.

Эксергия входных ресурсов

Эффективность переработки всегда меньше 100 %. Это связано с тем, что в реальной системе необратимые процессы вызывают потери эксергии в процессе переработки.

Потоки потребленной и выработанной эксергии показаны на рис. 4.

В любом сценарии поступающий эксергетический поток ТКО в несколько раз больше потока полученной эксергии. Не считая вырабатываемой энергии (электрической и тепловой), переработка пластмасс имеет высокие показатели эксергии на выходе (37 % всей эксергии переработки в сценарии С и 34 % в сценарии D), благодаря тому, что из пластмасс можно напрямую получать сырье для вторичного производства. Далее идет рекуперация металлов, дающая сравнительно меньшие показатели эксергии на выходе (между 8 % в сценарии D и 13 % в сценарии В).

Анализируя рис. 4, можно сделать вывод, что количество получаемой в конечном итоге эксергии растет от сценария А к сценарию D. Это связано с тем, что если не выделять отдельно металлы, пластмассы, органику, то вся производимая эксергия теряется из-за больших потерь при сжигании и переработке отходов в энергию тепла и электричество. Однако сравнивая сценарии С и D, видно, что последний повышает эффективность переработки только за счет того, что сброженные отходы используются как удобрение.

Показатель эффективности переработки ресурсов для различных сценариев составляет от 17 до 29 % и напрямую зависит от объема перерабатываемых материалов. В основном это связано с высокими потерями эксергии в процессе сжигания отходов (согласно базовому сценарию А).

Рис. 4. Сравнение потребленной (положительные значения) и полученной в ходе переработки эксергии (отрицательные значения) в потоках каждого сценария [6]

На сегодняшний день в России при обращении с отходами преобладает их захоронение на полигонах. Однако рост количества ТКО, изменение их морфологического состава и свойств требует изменений в технологиях управления отходами. Общие тенденции - увеличение эксергии и пожарной опасности ТКО. Решением проблемы может стать вывоз мусора железнодорожным транспортом для утилизации их на отдаленных полигонах, мусоросжигательных и мусороперерабатывающих заводах. Эффективность энергетического использования может быть рассчитана эксергетическим методом.

Литература

1. Владимиров Я.А., Зысин Л.В. Методические вопросы энергетического использования твёрдых коммунальных отходов и продуктов их газификации // Научно -технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2018. Т. 24. № 1. С. 5-16.

2. Козлов Г.В., Ивахнюк Г.К. Морфологический состав твердых коммунальных отходов по регионам мира в XX веке и начале XXI века (обзор) // Известия СПбГТИ (ТУ). 2014. № 24 (50). С. 58-66.

3. Хайдаров А.Г., Королева Л.А., Ивахнюк Г.К. Эксергетическая оценка пожарной опасности перевозок на железнодорожном транспорте // Пожаровзрывобезопасность. 2018. Т. 27. № 10. С. 26-37.

4. Современные технологии сепарирования и переработки твердых бытовых отходов / В.Д. Баширов [и др.] // Известия ОГАУ. 2014. № 3. С. 77-80

5. Eboh F.C., Ahlstrom P., Richards T. Estimating the specific chemical exergy of municipal solid waste // Energy Science & Engineering. 2016. Vol. 4. Issue 3. P. 217-231.

6. Resource recovery from residual household waste: An application of exergy flow analysis and exergetic life cycle assessment / D. Laner [et al.] // Waste Management. 2015. Vol. 46. P. 653-667.

References

1. Vladimirov Ya.A., Zysin L.V. Metodicheskie voprosy ehnergeticheskogo ispol'zovaniya tvyordyh kommunal'nyh othodov i produktov ih gazifikacii // Nauchno-tekhnicheskie vedomosti SPbPU. Estestvennye i inzhenernye nauki. 2018. T. 24. № 1. S. 5-16.

2. Kozlov G.V., Ivahnyuk G.K. Morfologicheskij sostav tverdyh kommunal'nyh othodov po regionam mira v XX veke i nachale XXI veka (obzor) // Izvestiya SPbGTI (TU). 2014. № 24 (50). S. 58-66.

3. Hajdarov A.G., Koroleva L.A., Ivahnyuk G.K. Ehksergeticheskaya ocenka pozharnoj opasnosti perevozok na zheleznodorozhnom transporte // Pozharovzryvobezopasnost'. 2018. T. 27. № 10. S. 26-37.

4. Sovremennye tekhnologii separirovaniya i pererabotki tverdyh bytovyh othodov / V.D. Bashirov [i dr.] // Izvestiya OGAU. 2014. № 3. S. 77-80

5. Eboh F.C., Ahlström P., Richards T. Estimating the specific chemical exergy of municipal solid waste // Energy Science & Engineering. 2016. Vol. 4. Issue 3. P. 217-231.

6. Resource recovery from residual household waste: An application of exergy flow analysis and exergetic life cycle assessment / D. Laner [et al.] // Waste Management. 2015. Vol. 46. P. 653-667