Эко-бюллетень ИнЭкААрхив№ 5 (130) > УПРАВЛЕНИЕ ОТХОДАМИ

Переработка горючих компонентов твердых бытовых отходов в металлургии

Е.П. Волынкина, д.т.н., И.А. Климовская, председатель Комитета охраны окружающей среды и природных ресурсов администрации г. Новокузнецк,
В.П. Долгополов, начальник Управления охраны природы – главный эколог ОАО «ЗСМК»,
Е.В. Протопопов, д.т.н., В.В. Сокоов, начальник сталеплавильного производства ОАО «ЗСМК»,
Л.А. Ганзер, к.т.н., М.А. Щеглов, главный технолог сталеплавильного производства ОАО «ЗСМК» (г. Новокузнецк)

До недавнего времени достаточно молодая отрасль переработки твердых бытовых отходов и отсчитывающая не одно тысячелетие черная металлургия сосуществовали параллельно и не пересекались. Стремительное развитие первой привело к появлению новых технологий и новых материалов из вторичных ресурсов, зачастую эффективно заменяющих традиционные. В настоящее время существует множество технических возможностей переработать отходы бумаги, полимеров, резины и т.д.

Но не все отходы могут быть переработаны в новую продукцию. Например, очень сложно и дорого разделить смешанную упаковку типа тетрапак или состоящую из нескольких видов пластмасс офисную или бытовую технику. Альтернативой переработки является захоронение или сжигание. В соответствии с принципами законодательно закрепленной на международном уровне иерархии управления отходами захоронение является наименее предпочтительной альтернативой [1]. Развитые страны ежегодно сокращают количество захораниваемых отходов и взяли курс свести его к нулю уже в первом десятилетии нового тысячелетия. Сжигание ТБО на мусоросжигательных заводах вызывает, и зачастую вполне обосновано, противодействие общественности вследствие образования токсичной золы, а также обнаруженных в конце XX в. в газообразных выбросах МСЗ таких супертоксикантов, как диоксины.

В рамках Базельской конвенции о контроле за трансграничной перевозкой опасных отходов и их удалением и Программы ООН по окружающей среде (ЮНЕП) разработаны Технические руководящие принципы сжигания отходов [2], согласно которым степень воздействия на окружающую среду при сжигании зависит от следующих четырех важнейших факторов:

  • Характер сжигаемых отходов. Экологически обосновано сжигание топлива, полученного из отходов путем их сортировки и удаления всех негорючих (металлы, стекло и др.) и подверженных гниению (пищевые отходы) компонентов. Рекомендованы для сжигания три вида топлива на основе ТБО: ТТО – топливо из горючих компонентов твердых отходов, ТОУ – топливо из отходов упаковочных материалов, ПТ – полимерное топливо. Во всех случаях из общей массы ТБО перед сжиганием необходимо отсортировывать отходы ПВХ.
  • Условия сжигания. Решающее значение для безопасного сжигания отходов имеют следующие технологические параметры сжигания: температура – от 850 до 1100 0С для углеводородных отходов и от 1100 до 1200 0С для галогенсодержащих отходов; время пребывания газа в печи – не менее 2 секунд; достаточная турбулентность; избыток кислорода.
  • Очистка отходящих газов. Рекомендуется мокрая газоочистка с обработкой газов щелочными растворами (известь, бикарбонат натрия) или просто водой, что обеспечивает удаление водорастворимых токсичных компонентов – диоксид серы, фтористый водород, хлористый водород.
  • Удаление зольного остатка. Зольный остаток после сжигания ТБО всегда считается опасным и удаляется на захоронение только после проверки на выщелачивание, т.е. на содержание водорастворимых токсичных соединений. В случае установления его токсичности необходимо предварительное обезвреживание, например путем стабилизации цементом.

Таким образом, при выполнении перечисленных рекомендаций сжигание рассматривается ООН в качестве возможного и экологически обоснованного способа удаления (утилизации) горючего остатка от сортировки общей массы ТБО. В таблице 1 представлены данные об энергетической ценности различных видов отходов и традиционных видов топлива (уголь, древесина).

Таблица 1 Энергетическая ценность горючих компонентов ТБО и традиционных видов топлива
Наименование материала, символ
международной экомаркировки
Теплота сгорания, МДж/кг
Полиэтилен, HDPE/LDPE45
Полипропилен PP45
Смесь LDPE, HDPE, PP (упаковка пищевой продукции)45
Смесь PP, ABS, HDPE (компьютеры)43
Полистирол PS41
Пластмасса АБС, ABS40
Резина (отработанные автошины, транспортерные ленты)37
Смесь LDPE, PP, PVC (смешанная упаковка)37
Смесь PP, LDPE, PVC (упаковка непищевой продукции)37
Смесь PP, PVC, ABS, PUR (бамперы/топливные баки)33
Уголь27-30
Полиэтилентерефталат, PET25
Поливинилхлорид, PVC23
Топливо ТОУ22
Текстиль22
Топливо ТТО20
Бумага20
Древесина19
ТБО несортированные8-10

Представленные данные показывают, что энергетическая ценность входящих в состав ТБО горючих компонентов очень высока и для ряда отходов существенно превышает теплоту сгорания такого традиционного топлива как уголь. ЮНЕП отмечает, что многие из уже построенных мусоросжигательных установок не предназначены для того, чтобы выдерживать температуры, получаемые при использовании столь высококалорийного топлива в чистом виде. В то же время несортированные ТБО характеризуются крайне низкой величиной теплоты сгорания, что связано с высокой влажностью входящих в их состав пищевых компонентов. Процесс сжигания такого топлива в обычных слоевых топках мусоросжигателей характеризуется нестабильностью и требует ввода дополнительного топлива.

С точки зрения выполнения остальных условий обычные мусоросжигатели также не являются совершенными. Профессор Московского института стали и сплавов В.А. Кудрин отмечает [3]: «Cуществующие методы сжигания ТБО не могут быть признаны совершенными … вследствие низких температур сжигания, плохого теплообмена в топке, использования для сжигания атмосферного воздуха, что приводит к образованию больших объемов дымовых газов и необходимости строительства громоздких газоочистных сооружений. Необходимость мощной и многоступенчатой газоочистки обуславливает высокие капитальные и эксплуатационные затраты, что делает мусоросжигательные заводы дотационными и препятствует их распространению в российских регионах. На всей территории России по-прежнему более 90 % ТБО захораниваются на свалках. Решению проблемы в целом способствовало бы использование для сжигания высокотемпературных металлургических агрегатов».

Развитие черной металлургии всегда было тесно связано с использованием собственных отходов или отходов смежных отраслей. Металлургия является отраслью, полностью перерабатывающей отходы потребления из черных металлов, замыкая таким образом их жизненный цикл. Как отмечает профессор Московского института стали и сплавов Ю.С. Юсфин, «с переработки стального лома в мартеновских печах, конвертерах, а затем и в электропечах началась эра промышленного рециклинга» [4].

В последние годы вовлечение металлургических агрегатов в переработку различных видов отходов наблюдается во всем мире. Металлурги разных стран мира, начиная со второй половины ХХ века, предлагают и успешно реализуют идеи утилизации в высокотемпературных металлургических агрегатах различных горючих компонентов ТБО. Это обусловлено тем, что ни один мусоросжигатель не может конкурировать с такими высокотемпературными металлургическими агрегатами как кислородный конвертер или доменная печь по условиям обезвреживания токсичных отходов, включающим температуру до 2500 – 2700 0С, активную окислительную или восстановительную атмосферу, интенсивный тепло – и массообмен, наличие высокоактивных основных шлаков, связывающих негорючий остаток от сжигания отходов и переводящий его в остеклованный шлак. В таких условиях практически невозможно образование диоксинов. Кроме этого, мощные металлургические агрегаты оснащены полным набором оборудования для улавливания и очистки выделяющихся газов, а также имеют замкнутую систему водоснабжения.

Известно, что металлургические компании Германии и Японии уже более 10 лет перерабатывают отходы пластмасс в доменных печах [5-8]. Германская фирма «Stahlwerke Bremen GmbH» перерабатывает в доменных печах свыше 70 тыс. т. в год отходов пластмасс. Регулярный мониторинг выбросов в атмосферу показал, что количество выбросов пыли, SO2 и NOx при использовании пластмасс находится существенно ниже уровня предельно допустимых выбросов. В выбрасываемых в атмосферу газах были обнаружены следовые концентрации диоксинов – менее 0,001 нг/м3, что более чем в 100 раз ниже уровня ПДК диоксинов в атмосферном воздухе, составляющего в Германии 0,1 нг /м3. Фирма «Eko-Stahl» в г. Айзенхюттенштадт вдувает отходы пластмасс в доменные печи с 1996 г. с устойчивым расходом 30-60 кг/т чугуна. В Японии использование отходов пластмасс в доменных печах ведется с 1993 г. Металлургическая компания «Ниппон Кокан» в г. Кейхане более 10 лет вдувает отходы пластмасс в доменную печь объемом 4907 м3 с расходом до 200 кг/т чугуна, в 2004 г. на переработку на металлургический комбинат было направлено около 20 % муниципальных отходов. По мнению руководителей компании, металлургические предприятия, расположенные вблизи крупных городов, находятся в зоне образования большой массы отходов и их уникальные технологические возможности должны быть использованы для их утилизации. В настоящее время система рециклинга пластмасс, разработанная этой компанией, широко используется другими японскими металлургическими предприятиями, поддерживающими международный стандарт ISO 14001. В состав типичных пластмассовых отходов, утилизируемых в доменных печах, входят офисное оборудование, бутылки и контейнеры, пленка и др. В настоящее время Япония приближается к уровню 1 млн. т в год отходов пластмасс, перерабатываемых в доменных печах, что составляет 10 % от уровня их ежегодного образования.

Компания Nippon Steel (Япония) использует в сталеплавильных печах отработанные автопокрышки как заменители части железосодержащего скрапа и угля, утилизируя таким образом около 5 млн. шин в год. Компания Stebbing Engineering Division Accelerated Technologies Corporation (США) перерабатывает отработанные автомобильные покрышки в электродуговых печах [9]. Германия утилизирует в доменных печах туши инфицированных животных.

В России разработки в области переработки отходов в черной металлургии традиционно ведутся государственными техническими университетами – Московским институтом стали и сплавов (МИСИС), Сибирским государственным индустриальным университетом (СибГИУ) и др. Учеными МИСИС разработан ряд технологий переработки отходов пластмасс, отработанных масел и других видов отходов в доменных печах [5, 6]. Проведенные исследования с использованием метода математического моделирования при помощи программ IVTANThermo, позволяющих рассчитать равновесное состояние сложных систем в условиях металлургических агрегатов, показали, что в условиях доменной печи концентрация диоксинов и фуранов составляет менее 10-30 %. На основании полученных результатов учеными МИСИС сделан вывод о том, что появление в отходящих газах доменной печи суперэкотоксикантов (фуранов, диоксинов, HCN, COS и др.) при вдувании в печь пластмасс исключено.

Известная под названием «печь Ванюкова» – совместная разработка институтов «Гинцветмет» и МИСИС при участии Академии коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова – предусматривает сжигание ТБО в условиях, характерных для сталеплавильных агрегатов: высокая температура, наличие шлакового расплава, использование кислородного дутья, мокрая система газоочистки и др. Проведенный комплекс промышленных испытаний данной технологии на печи Ванюкова, установленной на Рязанском опытно-экспериментальном металлургическом заводе, показал, что применение технического кислорода при температурах 1400 – 1700 0С приводит к полному разрушению всех токсичных компонентов отходов. Установлено отсутствие диоксинов на выходе пылегазового потока, в жидких продуктах плавки (шлак, металлосодержащий продукт), а также по газоходному тракту, что свидетельствует о том, что их вторичное образование также не происходило. Это объясняется тем, что условия сжигания ТБО в печи Ванюкова приводит к такому разрушению структурной решетки диоксинов, что их обратимая фрагментация становится практически невозможной.

Учеными СибГИУ совместно со специалистами Западно-Сибирского металлургического комбината разработаны и внедрены в производство технологии переработки в кислородных конвертерах отработанных автомобильных покрышек и горючих компонентов твердых бытовых отходов [7-15]. Технология выплавки стали в кислородных конвертерах заключается в обработке расплава жидкого чугуна, имеющего температуру 1400-1500 0С, технически чистым кислородом (99,5 % О2), вдуваемым в конвертер через специальную фурму. В конвертере на большой реакционной поверхности, возникающей в процессе продувки, с высокой скоростью протекают реакции окисления примесей, содержащихся в жидком чугуне, в результате чего выделяется тепло и достигается высокая температура – до 2700 0С. Наводимый в конвертере высокоактивный жидкоподвижный шлак, содержащий более 50 % СаО, обеспечивает рафинирование жидкого металла от соединений серы, фосфора и др., связывая их в нерастворимые соединения. Выделяющиеся по ходу плавки конвертерные газы подвергаются охлаждению и очистке от пыли в трехступенчатой газоочистке мокрого типа, включающей узел предварительного охлаждения, орошаемый газоход, высоконапорную трубу Вентури. Охлажденные до 40-60 0С газы при помощи дымососа направляются в свечи, где дожигаются на дожигающих устройствах при температуре 1500 0С. Шламосодержащие воды газоочистных установок после очистки в радиальных отстойниках возвращаются в оборотный цикл. Таким образом, условия в кислородном конвертере являются еще более благоприятными для полного разрушения токсичных соединений, включая диоксины, чем в печи Ванюкова.

Отработанные автомобильные покрышки и горючие компоненты ТБО (полиэтилен, полипропилен, полистирол, бумага, картон) использовались на ОАО «ЗСМК» в качестве дополнительного энергоносителя в технологии выплавки стали с пониженной долей жидкого чугуна. Специально проведенные исследования пылегазовых выбросов из конвертеров показали, что ввод отработанных автопокрышек в конвертер в ограниченном количестве (до 3 кг/т стали) не влияет на качество выплавляемой стали, а также на содержание в выбрасываемых в атмосферу газах пыли, оксидов серы и углерода. Высокая температура и избыток кислорода в конвертерной ванне способствовали полному сгоранию автопокрышек и продуктов их термического разложения, что исключило возможность загрязнения атмосферы продуктами неполного сгорания топлива (сажа, оксид углерода, углеводороды). В 2004 г. технология переработки отработанных автопокрышек в кислородных конвертерах признана лауреатом конкурса «Национальная экологическая премия» в номинации «Экология города» за вклад в укрепление экологической безопасности и устойчивое развитие России. В 2005 г. в конвертерах ОАО «ЗСМК» было переработано около 40 тыс. шт. покрышек, что составило всего лишь 0,3 кг/т стали.

В ходе проведенных испытаний в конвертерах горючих компонентов ТБО были выполнены исследования шламов из газохода на содержание полихлорированных дибензо-пара-диоксинов (ПХДД) и полихлорированных дибензофуранов (ПХДФ). Полученные результаты показали отсутствие влияния отходов на концентрации данных токсичных соединений. Выполненные с учетом полученных результатов и рекомендаций «Методического руководства по выявлению и оценке выбросов диоксинов и фуранов», разработанного ЮНЕП в рамках программы ООН по окружающей среде [10], расчеты показали, что при расходе горючих компонентов ТБО 0,8-0,9 кг/т стали суммарная величина эмиссии диоксинов более, чем в 13000 раз ниже, чем при самом высокотехнологичном способе сжигания ТБО на МСЗ, оборудованном сложной системой очистки газов.

Таким образом, металлургические агрегаты обеспечивают более безопасное сжигание горючих компонентов отходов, чем мусоросжигательные заводы. Идея использования металлургии для утилизации наиболее трудноутилизируемых видов отходов, включая особо токсичные, принадлежит самим металлургам. Сжигание горючих компонентов отходов в металлургических агрегатах более 10 лет используется в наиболее промышленно развитых странах мира, известных строгим отношением к защите окружающей среды. Отечественный опыт подтверждает возможность и эффективность использования высокотемпературных металлургических агрегатов для утилизации и обезвреживания целого ряда отходов, что позволяет металлургическим предприятиям помочь в решении острых экологических проблем в регионах, на территории которых они размещаются. В связи с этим государственным контролирующим природоохранным организациям целесообразно начать рассматривать металлургию как отрасль, способную эффективно и наиболее безопасно утилизировать и обезвреживать такие отходы как отработанные автомобильные покрышки, неутилизируемая горючая часть после сортировки ТБО, отходы лечебно-профилактических учреждений и другие, и содействовать развитию данного направления.

Библиографический список

  1. Йоханнесбургский саммит 2002. 26 августа – 4 сентября 2002 г. (по материалам ООН) [Электронный ресурс] : Режим доступа : http://www.ruscp.ru/sammit2002.htm.
  2. Кудрин В.А. Теория и технология производства стали / В.А. Кудрин. – М. : Мир, 2003.
  3. Юсфин Ю.С. Техногенные отходы и рециклинг / Ю.С. Юсфин // Рынок вторичных металлов. 2002. № 3. С. 34-35.
  4. Инженерная защита окружающей среды / под ред. Ю.А. Бирмана, Н.Г. Вурдовой. – М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2002.
  5. Юсфин Ю.С. Промышленность и окружающая среда / Ю.С. Юсфин, Л.И. Леонтьев, П.И. Черноусов. – М.: ИКЦ Академкнига, 2002.
  6. Disposing of tires as a fuel source in the EAF [Текст]//Stell Times.–2001. – March – С. 93.
 
ПОИСК ПО САЙТУ
© 2001-2017 ООО «ИнЭкА-консалтинг»
Контакты ИнЭкА:
+7 3843 720575
720579
720580
ineca@ineca.ru
создание сайтов