ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЁРДЫХ КОММУНАЛЬНЫХ ОТХОДОВ

THERMODYNAMIC PROBLEMS OF SOLID MUNICIPAL WASTE PROCESSING

Nina Zaitseva

Student, Department of Industrial Heat and Power Engineering, Smolensk Branch of the Moscow Power Engineering Institute,

Russia, Smolensk

Vladimir Mikhailov

Scientific supervisor, Candidate of Technical Sciences, Assoc., Smolensk Branch of the Moscow Power Engineering Institute,

Russia, Smolensk

АННОТАЦИЯ

Цель исследования заключается в раскрытии актуальной проблемы современности - обращение с твёрдыми коммунальными отходами. В статье акцентируется внимание на постепенном ухудшении ситуации в мире и в России, в частности. Также уделяется внимание сопутствующим утилизации и переработке явлениям (выделение токсичных веществ, модернизация существующих термических, химических, биологических и физико-химических методов). Научная новизна – изучение трансформативных процессов переработки твёрдых коммунальных отходов с точки зрения ускоряющихся темпов научно-технического прогресса. В результате выделены и охарактеризованы пути решения проблем переработки и утилизации с учётом требований экономики, экологии и энергоресурсосбережения.

ABSTRACT

The purpose of the study is to reveal the actual problem of our time-the treatment of solid municipal waste. The article focuses on the gradual deterioration of the situation in the world and in Russia, in particular. Attention is also paid to the phenomena associated with recycling and recycling (the release of toxic substances, the modernization of existing thermal, chemical, biological and physico-chemical methods). Scientific novelty-the study of transformative processes of solid municipal waste processing from the point of view of the accelerating pace of scientific and technological progress. As a result, the ways of solving the problems of recycling and recycling are identified and characterized, taking into account the requirements of the economy, ecology and energy conservation.

Ключевые слова: утилизация; твёрдые коммунальные отходы; диоксины; энергетическое использование.

Keywords: recycling; solid municipal waste; dioxins; energy use.

В настоящее время, разросшихся свалок отходов пластмассовых технологий, одной из острейших социальных и экологических проблем является утилизация и, экологически тяжелая, переработка отходов. Этому способствует урбанизация населения, переход на технологии упаковки всего и вся. Удобная для потребителя, а самое главное красивая, как маркетинговый шаг, упаковка является серьезной составляющей конкурентно-способности на жестоком рынке товаров и даже услуг.

Если посмотреть на фотографии относительно недалекого прошлого, начало прошлого века, то задерживает внимание полное отсутствие мусора, да и свалок тоже, на территории поселений. Занятный факт, который позволяет сделать любопытные термодинамические выводы. Была ли упаковка в указанные времена? Да, была, товарное производство, особенно с развитием разделения труда, без неё невозможно. Пластмасса была изобретена в пятидесятые годы прошлого столетия. Поэтому в начале прошлого века её просто не было. Материалом для упаковки служило растительное сырьё, береста (различные коробки, туески), стружка, щепа (большие корзины, ящики), ветки кустарников (корзины как круглые, так и прямоугольные), волокна растений (хлопок, конопля из них получали мешки, сумки), и конечно бумага. Упаковка из природных материалов дорогая, экономический эффект достигался за счет многоразовости употребления и отсутствия альтернативы. Все названные материалы результат хлорофильного выделения углерода из углекислого газа под действием фотонов света. Процесс, имеющий практически 100% коэффициент преобразования и отсутствие какого- либо вредного экологического эффекта. Стоит заметить, листья растений на солнце не горячие и имеют прохладную температуру, это подтверждает высокий КПД. преобразования и отсутствие потерь, как правило тепловых. Другого варианта эволюция не могла себе позволить иначе жизнь погибла бы. (Следует отметить, что человек позволяет себе делать куда более страшные с точки зрения экологии вещи.) Из всех перечисленных материалов для упаковки с точки зрения экологии выпадает бумага, очень экологически грязное производство, но легко и не вредно утилизируется. У любого процесса имеется отрицательная сторона, у названного выше она имеется также. В процесе эволюции накапливается углерод, который без особых энергетических затрат связывается с водородом в результате чего получаются постоянно накапливаемые углеводороды.

Оценим термодинамически производство пластмассовой упаковки. Накопленные природой углеводороды с помощью энергозатратной химической технологии (энергия опять же из углеводородов) с выделением экологически вредных газов преобразуют в пластмассу и упаковку тоже. Этот процесс получения упаковки при сложившейся ценах на технологии весьма экономически выгоден по сравнению получением упаковки из природных материалов. Утилизация пластмассовой упаковки при существующих технологиях неимоверно дорога, поэтому использованную упаковку пока складируют на полигонах, но проблема хранения из-за растущих объемов отходов нарастает и подходит к критической черте.

Пути решения нарастающей проблемы:

Убрать или исключить наличие вредностей. Это возможно переходом в упаковочном бизнесе на технологи начала прошлого столетия. В этом вопросе человечество стоит на новом уровне. Новые биотехнологии и генная инженерия, я думаю, способна получить соответствующие природные материалы, экономически пригодные и экологически приемлемые при утилизации для упаковочных технологий. Этот подход хорош, однако при реализации затрагивает крупные промышленные круги, что в условиях демократического строения общества приведёт пролоббированному сопротивлению новациям.

Кроме названного подхода в мировой практике для утилизации ТКО применяют еще термические, химические, биологические и физико-химические методы. В ТКО содержится до 70% органической (горючей) фракции что приводит к предпочтительной переработке термическими методами. Термическую переработку ТКО осуществляют в специальных печах – термических реакторах при температуре горения 1200 С и плазменных печах при температуре распада 25000 ^оС.

Использование ТКО в качестве сырья для термических реакторов позволяет утилизировать их с получением горючего газа – термогаза (пирогаза) и в плазменных печах с получением синтез газа. Первый подход сопровождается выделением большого количества диоксинов - очень вредных для всего живого газов - и требует дополнительного сжигания тех же углеводородов с дополнительными экологическими и термодинамическими проблемами. Плазменные технологии пока еще находятся лабораторном развитии Переход на предлагаемое использование ТКО вызывает необходимость разработки и применения передовых энергоэффективных технологий и технически совершенного оборудования.

Диоксины - это результат соединения бензола (простейшего углерода) и хлора. Хотя сильно смахивает на бензин, бензол редко используется в производстве нефти, чаще всего - производстве лекарств, пластмассы, резины. Диоксины – легковоспламенимые вещества, которые легко превращается во взрывоопасную смесь, как только соприкасаются с воздухом. Они разрушаются только при температуре 750°С, а полностью безопасными для человека и экологии становятся только после 1100°С.

Конечно, температура горения свалки даже не рядом с этим значением. Более того, постоянно тлеющие полигоны “помогают” токсичным диоксинам разлетаться на многие и многие километры вокруг свалки. Но картина везде примерно одинакова. Уследить за такими монументальными сооружениями человек просто не в силах. И уж совсем нереально преодолеть физические законы. Диоксины + воздух - почти граната в руках у владельцев полигонов ТБО. Не хватает только запала, которым запросто могут стать высокие летние температуры.

Другой вариант развития ситуации является более долгоиграющим. Газы не горят, ничего не нагревается и не тлеет. Со временем свалка постепенно уходит под землю. А там она пролежит долгие годы, при условии, что не будет контакта с водой. Потому что если диоксин вступает во взаимодействие с водой, он мутирует. Что мы получаем на выходе, не знают даже самые авторитетные химики и экологи.

К сожалению, данные вещества не выводятся из организма человека. Они накапливаются в клетках организма, провоцируя со временем различные заболевания.

Возвращаясь к основной теме, нужно отметить, что в Российской Федерации по состоянию на конец 2020 года накоплено более 40 млрд тонн отходов. Темпы роста образования отходов превышают в 2 раза объем их использования. Общий объем затрат на охрану окружающей среды за 5 лет составляет 0,7 – 0,8% от ВВП ежегодно.

Большую группу отходов составляют продукты жизнедеятельности человека - твердые коммунальные отходы (ТКО). Твердые коммунальные отходы - отходы, образующиеся в жилых помещениях в процессе потребления физическими лицами, а также товары, утратившие свои потребительские свойства в процессе их использования физическими лицами в жилых помещениях в целях удовлетворения личных и бытовых нужд. К твердым коммунальным отходам также относятся отходы, образующиеся в процессе деятельности юридических лиц, индивидуальных предпринимателей и подобные по составу отходам, образующимся в жилых помещениях в процессе потребления физическими лицами.

В России до 90% образовавшихся ТКО подвергают захоронению на полигонах и свалках. С 2015г по 2020г объем ТКО увеличился на 20%. Связанное с этим отчуждение полезных земель под полигоны в РФ также возрастает. Увеличение затрат на транспортировку и захоронение ТКО, наличие постоянной экологической опасности из-за размещения больших объемов отходов на свалках приводит к необходимости промышленной переработки ТКО как способу, в наибольшей степени учитывающему требования экономики, экологии и энергоресурсосбережения.

В качестве основных путей решения вышеуказанных проблем можно обозначить:

1. Переход от полигонного захоронения к промышленной переработке является основной тенденцией решения проблемы ТКО в мировой практике, при этом ведущая роль отводится термическим методам, в частности пиролизу и его разновидности – окислительному пиролизу.

2. Эффективность термической переработки определяется степенью подготовки ТКО (начальной влажностью сырья, фракционным составом и др.) и режимными параметрами процесса (температурой материала и теплоносителя, временем пребывания ТКО в реакторе, наличием кислорода в атмосфере).

3. Для создания способов повышения эффективности энергетического использования отходов в теплотехнологии необходимо проведение термического анализа смеси ТКО и отдельных ее компонентов в процессе окислительного пиролиза.

4. Важную роль с точки зрения энергетической эффективности работы реактора играет качественное высушивание исходного сырья. Наличие избыточной влаги снижает калорийность пиролизного газа, использующегося в качестве топлива для теплоэнергетических установок. В теплотехнологии уничтожения ТКО недостаточное внимание уделяется исследованию сушки отходов как наиболее энергозатратному процессу.

5. Для выполнения теплотехнических расчетов печей по переработке отходов необходимо знание эффективных теплофизических свойств ТКО.

6. Разрабатываемые конструкции печей для ликвидации отходов должны быть простыми, надежными и относительно дешёвыми в эксплуатации.

Список литературы:

1. Безмозгин, Э.С. Опыт сбора, транспортировки, переработки и уничтожения бытовых и промышленных отходов и охрана окружающей среды / Э.С. Безмозгин, В.Н. Петров. – Л.: ЛДНТП, 1976. – С. 8–11.
2. Basu, P. Biomass Gasification and Pyrolysis: practical design and theory / P. Basu // Academic Press, 30 Corporate drive, Burlington, USA. – 2010. –365 p.