В.В. Мясоедова, Л.М. Эйзрикер. Вспомогательное твердое топливо из сортированных отходов

Трибуна энергоэффективности / РЭЭ №4, 2018

Вспомогательное твердое топливо из сортированных отходов

Вера Мясоедова и Леонид Эйзрикер

Реформа системы обращения с отходами, начатая в конце 2014 г. введением Федерального закона «О внесении изменений в закон «Об отходах производства и потребления» № 458-ФЗ от 29.12.2014 и серии подзаконных актов, до настоящего времени не привела к ощутимым результатам. Последующее принятие решений по территориальным схемам и программам обращения с отходами субъектов РФ в условиях отложения заключения договоров до 2019 г., а также запрет с 1 января 2019 г. ввода в эксплуатацию объектов по обезвреживанию, утилизации и захоронению отходов, не соответствующих НДТ, пока только усугубили ситуацию.

Главный научный сотрудникмФГБУН ИХФ РАН, эксперт Российской академии наук, профессор, д.х.н.

Вера Васильевна Мясоедова

В 2017 г. был издан указ Президента РФ «Об экологической стратегии до 2025 г». В связи с этим возник вопрос о том, как развивать экологическую стратегию в регионах? По нашему мнению, одним из путей наращивания объемов использования ТКО может послужить пока не в полной мере используемый такой рычаг экологической стратегии как применение существующих и создание:

  • новых базовых технологий термохимической переработки в сочетании с развитием нормативно-правовых приемов (в частности, стандартизации отходов в качестве вторичного сырья);
  • экономических условий для повышения рыночного потенциала и актуального рыночного спроса на приоритетные продукты переработки отходов.

Приоритетные твердые топлива из ТКО согласно ГОСТ:

  • Вспомогательное топливо – горючие вещества, которые замещают часть традиционных ископаемых видов топлива (RDF-1).
  • Горючие отходы, прессуемые в виде гранул, брусков, кубиков, брикетов разнообразной формы (RDF-5).
  • Твердое восстановленное топливо (SRF).
  • Топливо, получаемое при переработке изношенных шин (TDF) и куски шин (TCh).

Таким образом твердое топливо бывает различных видов, в зависимости от источника его получения. И если говорить о наиболее распространенных в мире видах, то на первый план, однозначно, выходит вспомогательное топливо на основе различных смесей и композитов из ТКО, а также на основе возобновляемого сырья и торфа и их смесей. Оборудование для производства такого топлива весьма распространено в промышленных кругах Канады, США и европейских стран. Российские производители тоже начинают искать пути конкуренции своим зарубежным соперникам по сортировке ТКО и изготовлению композитных и смесевых топливных изделий.

Горючие отходы как вспомогательное топливо широко используются многими предприятиями за рубежом, и это связано не только с тем, что его легко получить и оно имеет сравнительно низкую себестоимость по сравнению с другими видами альтернативного топлива (причем в стоимость вспомогательного топлива входит также его транспортировка). Если же на предприятии установлена своя собственная линия вспомогательного топлива, то получение энергии требует еще меньших затрат. Таким образом, твердое топливо из ТКО – это реальный выход для тех предпринимателей в регионах России, которые не могут или не считают целесообразным закупать дорогостоящие ископаемые углеводородные ресурсы или уголь. Вспомогательное топливо из ТКО позволит экономить существенные средства.

У потребителей в регионах есть два варианта получения продуктовой линейки топлива из твердых бытовых отходов. В первом случае – это заказ топлива у сторонних производителей. В таком случае предприниматель получает уже готовое к использованию топливо по цене поставщика. Второй вариант – это самостоятельное производство. При этом нужно приобрести специальное оборудование для сортировки и мусоропереработки. Однако существующий опыт показывает, что любая, даже дорогостоящая линия производства твердого топлива из отходов окупается довольно быстро. Менее, чем через 4–5 лет оборудование начнет приносить прибыль за счет экономии ресурсов. Впрочем, срок окупаемости рассчитывается индивидуально и в каждом конкретном случае он будет различным.

Твердое топливо из ТКО представляет собой отличную замену стандартным ископаемым ресурсам (более дешевую, но вполне конкурентоспособную по отношению к мазуту, природному газу и углю в ряде промышленных отраслей).

Мы занимаемся созданием стандартов организаций с целью разработки технических требований, предъявляемых к твердому топливу из возобновляемого сырья и его смесей с торфом и ТКО. Эти технические требования определяются, исходя как из технологии изготовления твердотопливных изделий, так и из вида термохимической технологии и вида устройств для энергоэффективного применения:

  • в котельном оборудовании для малой распределенной энергетики, в обжиговых печах цементных и металлургических предприятий (прямое сжигание);
  • в пиролизерах (пиролиз, т.е. термическая переработка без доступа кислорода);
  • в газификаторах (высокотемпературная термохимическая конверсия в токе кислородо-воздушной или паровоздушной смеси).

В одних случаях, когда котельное оборудование предназначено для прямого сжигания топливных изделий из возобновляемого сырья, например, отходов лесо-, деревопереработки, технические условия диктуют необходимость экологически чистого состава топлива. При этом задается диапазон значений: теплота сгорания, плотность, зернистость или влажность.

А для газификаторов и обжиговых печей цементных заводов исключительно важны такие показатели, как химический состав компонентов, входящих в состав изделия, теплоемкость, теплопроводность, температура сгорания композита.

Основные этапы необходимой предподготовки вторичного сырья – ТКО к использованию, а именно: сортировка (сепарация), измельчение, сушка и брикетирование у всех типов производств твердотопливных изделий RDF являются главными и необходимыми.

Охарактеризуем каждый из вышеперечисленных технологических этапов с позиций их характерных особенностей. Сортировка является одним из первых необходимых этапов производства продуктовой линейки твердотопливных изделий. Задача этого этапа – распознать и удалить из общей массы ТКО следующие непригодные к переработке в топливо компоненты: металлы, камни, стекло, песок, керамика, а также извлечь элементы, которые при сжигании своими продуктами горения оказывают отрицательное воздействие на окружающую среду: хлорсодержащие материалы (например, на основе поливинилхлорида, взрывчатые и лекарственные вещества, автомобильные запчасти и комплектующие, лампы и т.д. Благодаря сортировке (сепарации) в силу вступает самый важный и ключевой фактор – экологический. Это принципиальный критерий производства твердотопливных изделий, чтобы при их сжигании исключалось попадание в атмосферу различных отравляющих веществ и токсинов, таких как диоксины, фураны, фосген, цианиды и др. Диоксины – бесцветные кристаллы с температурой плавления 320–325°С. Диоксин и близкие к нему по строению соединения – источники загрязнения окружающей среды. Химически они очень инертны, способны накапливаться в организме, высокотоксичны. Цианиды – соли синильной кислоты HCN, чрезвычайно ядовиты. Присутствие в топливе RDF некоторых веществ остается под вопросом и требует тщательного химического анализа. Например, ДСП, ДВП, фанера содержат большие количества формальдегидных смол, которые при горении выделяют цианиды и формальдегиды; предметы, окрашенные масляной краской, содержащей свинец; пищевые отходы, при гниении которых могут образовываться опасные вещества. Экологическая безопасность, отсутствие компонентов, загрязняющих атмосферу, являются существенными факторами при создании топлива RDF, это и характеризует этап сортировки как наиболее важный, требующий компетентного и ответственного подхода.

На этапе отбора инертных и опасных компонентов в топливе должны оставаться горючие фракции, обладающие высокой и теплотворной способностью. Таковыми являются: бумага, древесина, текстиль, полимерные отходы (например, полэолефиновая пленка), ветошь, резина. Часть сырья после сортировки (металлы, стекло) может идти на его вторичную переработку и дальнейшее использование.

Следующий этап производства топлива – это его измельчение (дробление) до необходимого размера фракции. Зачастую технологически целесообразно проводить этот процесс в несколько этапов. Предварительное измельчение может предшествовать этапу сепарации. Иногда на первоначальном этапе измельчения ТБО практикуется применение устройств по разрыванию пакетов, это способствует упрощению дальнейшего технологического процесса и уменьшению размеров крупногабаритных отходов. Наиболее важным является принцип подбора оборудования с техническими характеристиками, удовлетворяющими особенностям конкретного производства. Выбирать здесь стоит из большого разнообразия валовых дробилок и различных конструкций шредеров. Основными требованиями и критериями являются: высокая производительность (на таких предприятиях обычно перерабатываются большие объемы ТБО); способность техники работать с разными видами сырья, ввиду многообразного состава отходов; затраты на приобретение оборудования; простота в техническом обслуживании и, безусловно, качество самого оборудования.

Очередным технологическим этапом переработки отходов ТКО, прошедших процессы сепарации и измельчения, является сушка. Этот этап характеризуется большими потерями влаги, а соответственно, повышением теплотворной способности и энергетических показателей. Процесс сушки влияет на параметры влажности топливных изделий, способствуя востребованности на рынке. Начальное содержание влаги в сырье обычно составляет 20–30%, но необходимая для топлива высокого качества влажность не должна превышать 5–11%. При подборе сушильного оборудования надо учитывать, что эти агрегаты зачастую характеризуются высоким потреблением энергии. Необходимо учитывать вид энергопотребления и энергоносителя этой установки. Применение изделий из ТКО в виде основного топлива для агрегата сушки нежелательно, так как достигаемых значений температур недостаточно для борьбы с выделением опасных компонентов, да и действующие там системы очистки газов не способны предотвращать выброс вредных продуктов горения в атмосферу; а топливо на основе ВИЭ и их смесей с торфом вполне приемлемо и не оказывает отрицательного экологического влияния на окружающую среду.

После сушки топливо типа RDF-1 или SRF можно поставлять заказчикам для дальнейшего использования, окончательным этапом производства восстановленного топлива для обжиговых вращающихся печей типа RDF-5 или топлива, изготваливаемого, например, по патентованному составу [Патент РФ, 2016 г. Мясоедова В.В.] является изготовление топливных брикетов экструзионными методами или прессованием (под высоким давлением на механических прессах). Подбор такого оборудования часто вызывает большие сложности. Ввиду разнообразного, сложного и неоднородного состава топлива многие действующие конструкции механических, а, тем более, гидравлических прессов выходят из строя или появляются проблемы при их эксплуатации. В связи с этим оборудование должно изготавливаться непосредственно для работы с конкретным составом отходов. Возможно возникновение трудностей при поиске связующих для трудносовместимых веществ, содержащихся общей массе топлива, в качестве которых чаще всего выступают различные полимерные пластификаторы или термоэластопласты. ы полимеры и пластики. Иногда, в отсутствие специальных связующих или пластификаторов, изделие не обладает необходимой прочностью и влагостойкостью, может быть биоразлагаемым.

Мы практикуем подбор связующих применительно к составу смеси веществ, входящих в состав для брикетирования, и в результате изделие приобретает целый ряд преимуществ. При этом следует принимать во внимание, какое экологическое воздействие будут оказывать на окружающую среду продукты термохимической конверсии изготовленного топливного изделия на основе композитов, в состав которых входят компоненты сортированных ТКО.

Пеллеты и брикеты целесообразно производить территориально на местах образования отходов биомассы, торфа, ТКО и т.п. Вышеуказанные составы и технологии отличаются простотой и доступностью, которые достигаются за счет совершенствования путем рецептуростроения топливных изделий технологических цепочек на уже существующих видах оборудования экструзии или прессования производства брикетов и пеллет (как и на вновь создаваемых линиях). Использование инновационных составов при этом позволяет увеличить производительность линий по брикетированию (пеллетированию) топливных изделий на 10–15%, повысить абразивную износостойкость до 30%, а также снизить энергозатраты на выпуск изделий на 8–10%. Конкурентные преимущества использования топлива запатентованных составов в различных отраслях промышленности: экологический эффект – снижение экологической нагрузки за счет сокращения объемов отходов биомассы и др. отходов переработки; возможность использования твердотопливных изделий в России и экспортных поставок пеллет и брикетов за рубеж.

Патентная и технологическая база для применения в различных регионах РФ вышеперечисленных инноваций имеется. К настоящему времени число предприятий по производству брикетов, пеллет и других топливных изделий для отрасли распределенной энергетики в РФ на основе отходов растет по экспоненциальному закону, технологии производства топливных изделий и котельное оборудование для них постоянно совершенствуются, законодательство как по управлению отходами, так и по тарификации энергии на основе ВИЭ находится в постоянном развитии, открываются возможности снижения сроков окупаемости создания производств топлива на основе местного сырья для использования в газогенераторах и в обжиговых печах металлургической, цементной и стекольной промышленности, а также некоторых видов из них – для замены котлов на мазуте в ЖКХ и распределенной энергетике и ТЭС с использованием местного топлива на основе возобновляемого сырья.

Одним из основных требований, проистекающих из способа транспортировки материала и типов используемых горелок, является подача топливных изделий в печь. Если для цементного производства уже найдены технические решения, то в главной обжиговой системе металлургического производства (на головке печи или выходном отверстии, при вдувании топлива через форсунку), безусловно, следует провести оптимизацию эксплуатационных условий новых топливных изделий с участием специалистов (с которыми было предварительное обсуждение и направлено соответствующее письменное предложение).

Сырьем для твердотопливных изделий являются отходы: возобновляемого сырья, биомасса лесо-, деревопереработки и древесного угля сельскохозяйственных растений, АПК, биоуголь. Они имеют области применения для замены котельных на мазуте и угле, для ТЭС и газогенераторов. Брикеты и пеллеты, которые имеют в своем составе вышеуказанные виды биомасс в смесях с нефтяными пеками и гудронами, угольными шламами, а также ТКО с оригинальными связующими нами предлагаются в качестве ресурсо- и энергосберегающей добавки к кондиционным топливам (природному газу и каменному углю) в индустриальных отраслях: обжиговых печах цементной, стекольной и металлургической промышленности.

Преимуществом применения предлагаемых технологий ООО «Инжиниринговая компания ВЕМИКС» заключается в выполнении нормирования с учетом законодательства и отчетность в установленные сроки о переработке и утилизации отходов в уведомительном порядке (в соответствии со статьей 10 ФЗ), который установлен федеральными органами исполнительной власти в соответствии с их компетенцией во исполнение Федерального закона №7 ФЗ «Об охране окружающей среды» от 10 января 2002 г. и №89-ФЗ «Об отходах производства и потребления» (в редакции, актуальной с 1 января 2016 г.). Конкурентные преимущества использования топлива запатентованных составов в различных отраслях промышленности обусловливают экологический и социальный эффект за счет снижения экологической нагрузки; возможность выпуска изделий для местного рынка и экспорта за рубеж. Применительно к территориальной схеме обращения с отходами новые топливные изделия отрывают перспективы совершенствования инженерных решений, сочетающих эффективность в энергетическом, химическом и экологическом аспектах, для индустриальных предприятий.

Использование отходов в качестве топлива согласуется с положениями ГОСТ 24640. Причем использование инновационных составов для производства пеллет и брикетов позволяет увеличить производительность линий на 10–15%, повысить абразивную износостойкость до 30%, а также снизить энергозатраты на выпуск изделий на 8–10% и минимизировать срок окупаемости. Качество инновационных твердотопливных изделий соответствует как российским, так и международным стандартам.

Для совершенствования территориальных схем обращения с отходами предлагается создание демонстрационных площадок по переработке порубочных остатков и неделовой древесины на трассах строительства магистральных путей сообщения в продуктовую линейку композитных твердотопливных изделий из сортированных отходов: сельскохозяйственных растений, АПК, возобновляемого сырья и древесного угля, а также ТКО.

Проведение работ в области совершенствования топливных изделий и технологий термохимической конверсии будет содействовать расширению областей индустриального применения в качестве ресурсо- и энергосберегающих добавок для частичной замены кондиционных топлив (природного газа и каменного угля) продуктовой линейкой композитных твердотопливных изделий из сортированных ТКО, включая упаковочные, полимерные, текстильные отходы и макулатуру, активные иловые осадки сточных вод и восстановленное топливо из отходов, отходы АПК и сельского хозяйства и био- и древесный уголь в обжиговых печах цементной, стекольной и металлургической промышленности, для ТЭС, газогенераторов, а также для замены котельных на мазуте.

Кроме того, за счет применения различных методов термохимической конверсии, например, к возобновляемому сырью, очевидна возможность получения разнообразной химической продукции, которая показана на Схеме 1.

Конкурентные преимущества использования топлива запатентованных нами составов (Патент на изобретение, 2016) в различных отраслях промышленности обусловливают экологический эффект за счет снижения экологической нагрузки, а также возможность выпуска изделий для местного рынка и экспорта за рубеж.

Хотите читать больше подобных новостей?

Подпишитесь на электронную рассылку!

Свежий выпуск РЭЭ с доставкой прямо в почтовый ящик