Сумісна утилізація твердих побутових відходів і побічних продуктів коксохімічних виробництв

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел (148 найменувань на 13 сторінках), 7 додатків, має 48 рисунків, 45 таблиць. Обсяг основного тексту становить 166 сторінок.

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи. Сформульовано мету та завдання, визначено об'єкт та предмет досліджень, охарактеризовано наукову новизну та практичне значення одержаних результатів. Надано інформацію щодо апробації та впровадження результатів роботи.

У першому розділі «Стан питання й встановлення задач дослідження» наведено результати аналізу теоретичних та практичних досліджень з проблем утилізації ТПВ. Розглянуто стан проблеми в Україні. Встановлено особливості динаміки утворення ТПВ, їх властивостей та характеристик негативного впливу на стан компонентів довкілля. Визначено світові тенденції в галузі утилізації ТПВ, у т.ч. стосовно застосування різних методів їх переробки (таблиця 1). Констатовано зростаючу роль термічних методів утилізації ТПВ і, насамперед, сумісної - з введенням домішок, що підвищують теплотворну спроможність вторинних палив.

Застосування різних методів переробки ТПВ

Охарактеризовано методи термічної утилізації ТПВ. Визначено достатність обсягів накопичених відходів КХЗ як потенціальної ресурсної бази промислових відходів, що мають бути залучені у процеси сумісної термічної утилізації ТПВ.

Результати проведеного аналізу надали можливість сформулювати значимість поставлених в дисертаційній роботі наукових задач, узагальнити основні світові тенденції у галузі утилізації ТПВ, оцінити ресурсну базу промислових відходів, визначити напрямки подальших досліджень.

Другий розділ «Обґрунтування вибору методів досліджень» присвячено визначенню загальної методичної схеми експериментальних досліджень. З метою одержання достовірних результатів, що характеризують паливні суміші та продукти їх термічного розкладу, застосовувались такі методи дослідження:

- безпосередні виміри морфологічного складу ТПВ, що утворюються у різних районах сучасної розвиненої урбосистеми (на прикладі м. Донецьк);

- технічний аналіз сумішей, що включав до себе визначення (за стандартизованими методикам) таких показників: вміст вологи у суміші (W^а), вміст золи на суху масу (A^d), вихід летких речовин на сухе беззольне паливо (V^daf), вміст загальної сірки (S^a_t), вища теплота згоряння палива (Q^as);

- у якості характеристик якості паливних брикетів на основі сумішей відходів використовувались наступні показники: опір стисненню брикетів (RC), ударна міцність (ShI), поглинання вологи брикетами (X);

- термографічний аналіз зразків сумішей на дериватографі Q-1500Д системи Паулік-Паулік-Ердеі з використанням у якості еталону оксиду алюмінію;

- реєстрація ІЧ-спектрів похідних сумішей на спектрометрі UR-20 в області 400 - 4000 см^-1;

- визначення компонентів газових сумішей, що утворюються при термічній утилізації зразків паливних композицій, проводилось на розробленій лабораторній установці (рис. 1). Деструкція зразків брикетованих сумішей - за стандартними методиками.

Рис. 1. Схема лабораторної установки для визначення компонентів газових сумішей, що утворюються в процесі термічної деструкції зразків: 1, 4 - термоелектричні перетворювачі; 2 - піч; 3 - реакційна колба; 5 - резервуар для смолистих речовин; 6 - димний фільтр; 7 - резервуари для збирання газоподібних компонентів; 8 - кран; 9 - вольтметр; 10 - охолоджувач; 11 - балон зі стисненим повітрям; 12 - редуктор; 13 - ротаметр; 14 - потенціометр

Охарактеризовані у другому розділі роботи методи проведення експериментальних досліджень надали можливість у повній мірі реалізувати поставлені завдання з одержанням достовірних даних.

У третьому розділі «Дослідження властивостей сумішей ТПВ зі смолистими відходами КХЗ» проведено ряд експериментальних досліджень з одержання інформації, необхідної для прийняття технічних рішень і рекомендацій, спрямованих на вдосконалення процесу сумісної переробки відходів, зокрема з погляду екологічної безпеки. Визначено середній морфологічний склад ТПВ (на прикладі м. Донецька). Показники середнього морфологічного складу ТПВ м. Донецьк наведено в таблиці.

Середній морфологічний склад ТПВ м. Донецька

Аналіз результатів дослідження середнього морфологічного складу ТПВ дозволив визначити характер динаміки змін вмісту окремих компонентів у побутових відходах залежно від рівня доходів населення (рис. 2):

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1) збільшення рівня прибутків населення в 1,5 рази призводить до зростання вмісту у ТПВ в 3 рази такого компоненту як папір, що у свою чергу, сприяє використанню відходів у якості палива;

2) відповідно до змін вмісту пластику та паперу зменшується величина насипної щільності ТПВ у середньому в 1,5 рази, зростає у середньому в 5 разів величина об'єму ТПВ, що припадає на одного мешканця міста.

Зазначені результати дозволили підтвердити перспективність використання ТПВ у якості альтернативного палива, а також зазначити необхідність жорсткого екологічного контролю процесу його термічної утилізації.

В якості основних показників технічного аналізу, які характеризують властивості сумішей ТПВ з відходами КХЗ, були обрані: вміст вологи у суміші (W^а,% мас.), вміст золи на суху масу (A^d, мас.%), вихід летких речовин на сухе беззольне паливо (V^daf, мас.%), вміст загальної сірки (S^a_t, мас.%), вища теплота згоряння палива (Q^as, МДж/кг). Результати технічного аналізу паливних композицій наведені на рис. 3-7.

Рис. 3. Залежність вмісту вологи у зразках від характеристик домішок

Рис. 4. Залежність зольності зразків від характеристик домішок

Технічний аналіз показав, що введення відходів КХЗ у паливну композицію з ТПВ надає можливість:

- в 2-2,5 рази підвищити значення вищої теплоти згоряння паливних сумішей;

- в 1,5-2 рази знизити величину вмісту вологи у паливних сумішах;

- в 1,2-1,3 рази зменшити вміст золи у паливних сумішах;

- на 10-50% збільшити показник виходу летких речовин, що сприятиме підвищенню реакційної спроможності паливних сумішей.

Таким чином, застосування у якості теплотворної добавки до ТПВ побічних можливість продуктів коксохімічних виробництв надає підвищити теплоту згоряння, зменшити вміст вологи та золи, збільшити величину виходу летких речовин у порівнянні з безпосереднім використан-ням ТПВ у якості палива.

У якості показників, що визначають фізичні якості паливних брикетів на основі сумішей ТПВ і продуктів КХЗ, використовувались наступні показники: опір стисненню брикетів (RC, МПа), ударна міцність (ShI, %), поглинання вологи брикетами (X, мас.%). Альтернативою додаванню відходів КХЗ розглядалось введення до складу сумішей з ТПВ донних шламів Лисичанського нафтопереробного заводу (НПЗ). Результати випробувань наведено в таблиці.

Результати випробувань фізичних якостей паливних брикетів

Дослідження фізичних якостей паливних брикетів показали, що:

- у цілому добавки відходів КХЗ суттєво покращують механічні характеристики брикету і сприяють зменшенню поглинання ним вологи;

- введення відходів КХЗ у кількості менше 10 мас.% не сприяє повному обволіканню частинок ТПВ і утворенню безперервного адсорбуючого шару для контакту взаємодіючих часток - не забезпечується поглинання вологи брикетами, ударна міцність та інші показники фізико-механічних властивостей брикетів;

- введення відходів КХЗ у кількості більше 40 мас.% веде до формування надлишкового адсорбуючого шару, що надає структурному каркасу брикету підвищену пластичність, взаємодія частинок ТПВ йде через шари смолистої добавки - міцність брикету визначається лише міцністю когезійних зв'язків. Такі характеристики є недостатніми для забезпечення необхідних механічних характеристик брикетів і зменшення поглинання вологи ними;

- підвищення тиску пресування брикету з 10 до 100 МПа сприяє формуванню міцного конгломерату навіть при вмісті відходів КХЗ більше 40 мас.%, однак це призводить до невиправданих витрат енергії та необхідності додавання до паливної композиції додаткових продуктів цільового призначення (графіт, парафін та ін.).

Таким чином, зростання фізико-механічних показників паливних брикетів обмежується насиченням когезійних зв'язків сумішей та припадає на інтервал вмісту відходів КХЗ 35-40 мас.%.

З метою вивчення змін якісних характеристик процесу розкладу сумішей ТПВ і відходів КХЗ були отримані деріватограми зразків з наступним співвідношенням компонентів: ТПВ - 100 мас.%, ТПВ + Кисле смоління - 60+40 мас.%, ТПВ + Фуси кам'яновугільні - 60+40 мас.%. Обробка деріватограм дозволила визначити температурну залежність зміни швидкості втрати маси зразків при їх термічній деструкції.

Аналіз температурної залежності зміни швидкості втрати маси зразків дозволив визначити два головних етапи термічного розкладення сумішей відходів:

1. Перший етап, етап прогріву компонентів ТПВ, що супроводжується екзо- і ендотермічними реакціями, які йдуть з втратою маси та пов'язані з розривом зв'язків в полімерних сполуках компонентів ТПВ. Термічне розкладання деревини, харчових відходів, відходів полімерних матеріалів розпочинається за температури 150-160°C, однак до температури 230-270°C характеризується лише виділенням пірогенетичної вологи та негорючого газу. Реакція розкладення на цьому етапі ендотермічна. Ефективне розкладення деревини, харчових відходів, відходів полімерних матеріалів розпочинається за температури 270-280°C. Розкладення компонентів ТПВ на цьому етапі екзотермічно та продовжується до температури 360°C. Відповідній точці відповідає найбільший екзотермічний ефект. В інтервалі температур 500-600°C виділення тепла практично повністю закінчується.

2. Другий етап є притаманним лише для зразків, що містять відходи КХЗ, він пов'язаний з розкладенням компонентів, які містять фуси кам'яновугільні. Термічне розкладення компонентів, що містяться в кам'яновугільних фусах, розпочинається за температури 340°C, однак до температури 480°C (в випадку фусів кам'яновугільних) йде повільно. Розкладення речовин фусів кам'яновугільних практично повністю завершується за температури 700-720°C.

Для проведення ІЧ-спектрального аналізу одержаних паливних композицій використовувались як чисті речовини, так і їх суміші зі співвідношенням компонентів ТПВ + відходи КХЗ - 60+40 мас.%. Аналіз спектрів сумішей показав, що полоси 1110-1040 см^-1 коливань фрагментів P=O та 650 і 530 см^-1 коливань S=O в сумішах ТПВ + Кисле смоління - 60+40 мас.%, ТПВ + Фуси кам'яновугільні - 60+40 мас.% у цілому зберігаються, але зміщуються, що вказує на утворення когезійних зв'язків при змішуванні різних видів відходів. Виявлена властивість є важливою задля пояснення процесів утворення токсичних речовин при спаленні сумішей.

За результатами дослідження газоподібних продуктів спалення сумішей (експериментально, в лабораторних умовах на установці (див. рис. 1)) була отримана система регресійних рівнянь, що описують залежність виходу компонентів газової суміші від складу і температури її спалення. Одержана система рівнянь дозволила порівняти альтернативи використання сумішей складу: ТПВ + Кисле смоління - 60+40 мас.%, ТПВ + Фуси кам'яновугільні - 60+40 мас.%, виходячи з величини емісії компонентів газової суміші та значення безрозмірного розрахункового показника YL, що характеризується відношенням концентрації забруднюючої речовини у продуктах спалення сумішей відходів до її летальної концентрації LC₅₀.

Аналіз результатів показав, що найбільш екологічно безпечним варіантом термічної утилізації суміші відходів є спалення за температури 1000°C, а теплотворною домішкою - добавка кам'яновугільних фусів.

Дослідження твердого залишку спалення сумішей проводилось з метою встановлення залежності між уведенням до складу суміші з ТПВ кам'яновугільних фусів і вмістом важких металів в твердому залишку.

Результати вивчення величини рівню вмісту елементів в зразках вказують на те, що величина вмісту валової форми елементів може бути порівняна з аналогічними показниками для шлакового залишку спалення ТПВ.

У якості методу з визначення рухомих форм елементів, що містяться у шлаковому залишку, була запропонована екстракція з шлаку рухомих форм елементів і визначення залишкового вмісту їх валових форм.

Показники вмісту рухомих форм елементів в твердому залишку сумішей наведено у таблиці.

Вміст рухомих форм елементів у твердому залишку спалення сумішей ТПВ і відходів КХЗ

Аналіз отриманих результатів показав, що введення кам'яновугільних фусів до складу сумішей ТПВ з побічними продуктами КХЗ зменшує (в середньому) в 1,3 - 1,5 рази частку фітотоксичної форми важких металів в твердому залишку спалення сумішей за рахунок утворення шлаку з гідрофобними властивостями.

Результати проведених експериментальних досліджень дозволили одержати інформацію, яка необхідна для прийняття технічних рішень та рекомендацій, спрямованих на підвищення екологічної безпеки процесу сумісної переробки відходів.

Четвертий розділ «Імітаційне моделювання викидів забруднюючих речовин, що утворюються в процесі спалювання суміші відходів» присвячено експериментальним дослідженням з встановлення параметрів викидів забруднюючих речовин. Оцінка викидів комплексу з термічної утилізації сумішей ТПВ і відходів КХЗ була реалізована у вигляді відомих (за М.Е. Берляндом) розрахункових залежностей щодо прогнозування рівня забруднення атмосферного повітря. За одержаними рівняннями була розроблена імітаційна модель процесу спалення сумішей ТПВ і відходів КХЗ (рис. 10), що вирізняється урахуванням стохастичності процесів емісії продуктів спалення, а також вірогідності вихідних даних залежно від складу ТПВ.

Результати моделювання рівня забруднення атмосфери у зоні впливу гіпотетичного підприємства з термічної утилізації ТПВ дозволили встановити:

- у якості рекомендованого слід розглядати варіант з внесенням до паливної суміші кам'яновугільних фусів при наступному співвідношенні компонентів: ТПВ - 60-65 мас.%, кам'яновугільні фуси - 35-40 мас.%;

- рекомендованою температурою спалення суміші «ТПВ + кам'яновугільні фуси» є температура 1000°С.

Зазначені характеристики паливних композицій забезпечують найбільш прийнятний варіант з точки зору зниження екологічної небезпеки, сформованої внаслідок забруднення атмосферного повітря в зонах впливу сміттєспалювальних підприємств.

Результати імітаційного моделювання стали основою для розробки технологічного регламенту процесу сумісної утилізації ТПВ і відходів КХЗ.

У п'ятому розділі «Розробка технологічного процесу сумісної утилізації ТПВ і побічних продуктів коксохімічних виробництв» проведено узагальнення й аналіз даних експериментальних досліджень, досвіду роботи установок з сортування та спалення ТПВ, комплексів брикетування відходів, що дозволило:

- розробити технологічну схему виробництва (рис. 11);

- обґрунтувати характеристики кінцевої продукції (таблиця 5);

- розробити вимоги до сировини та вихідних матеріалів;

- розрахувати матеріальний баланс процесу;

- провести калькуляцію технологічних та вентиляційних викидів виробництва.

Характеристика кінцевої продукції

Кінцевою продукцією процесу сумісної переробки ТПВ з відходами КХЗ є брикети.

Результати п'ятого розділу роботи використані при підготовці проекту технологічного регламенту процесу сумісної утилізації ТПВ і смолистих відходів КХЗ.

Таким чином, за результатами теоретичних узагальнень, експериментальних та прикладних досліджень досягнуто мету роботи, а саме - розроблено новий технологічний процес сумісної утилізації ТПВ з побічними продуктами коксохімічних виробництв, реалізація якого дозволить забезпечити високу ефективність термічної переробки ТПВ за умов підвищення рівня екологічної безпеки цього процесу.