Технологии переработки отходов


О. А. Власов













        ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ




Учебник






















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 502/504
ББК 30.69+38.9
     В58



Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. каф. обработки металлов давлением Ю. В. Горохов; д-р техн. наук, проф., начальник лаборатории углеродных
      и футеровочных материалов ООО «РУСАЛ ИТЦ» А. В. Прошкин








      Власов, О. А.
В58 Технологии переработки отходов : учебник / О. А. Власов. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 304 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0807-3





     Рассмотрены процессы сбора, хранения и переработки отходов с применением ручной и механической разборки, особенности хранения на полигонах и термической переработки, включая опасные отходы. Представлен анализ схем сортировки твердых отходов.
     Для студентов экологических направлений подготовки. Может быть полезно работникам жилищно-коммунальных служб, административно-управленческого аппарата для ознакомления с существующими способами утилизации и переработки отходов.

УДК 502/504
ББК 30.69+38.9








ISBN 978-5-9729-0807-3

     © Власов О. А., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие.....................................................5
1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОТХОДОВ...........................6
1.1. Морфологический состав ТКО.................................6
1.2. Фракционный состав.........................................9
1.3. Химический состав.........................................10
1.4. Теплотехнические свойства ТКО.............................13
1.5. Физические свойства ТКО...................................18
2. НОРМЫ ОБРАЗОВАНИЯ И НАКОПЛЕНИЯ ОТХОДОВ......................22
2.1. Определение массы, объема и норм накопления отходов..........23
3. ОРГАНИЗАЦИЯ СБОРА И УДАЛЕНИЕ ТКО............................29
3.1. Системы сбора и удаления бытовых отходов..................32
3.2. Расчет количества оборудования и необходимой техники с выбором системы сбора и удаления отходов.....................40
3.3. Технологические комплексы для захоронения, переработки и утилизации бытовых отходов...................................48
3.4. Особенности сбора и переработки вторичного сырья..........48
3.5. Переработка вторичного сырья и рынок продукции на его основе.52
4. РАЗДЕЛЬНЫЙ СБОР МУСОРА.........................................56
5. СОРТИРОВКА ТВЕРДЫХ КОММУНАЛЬНЫХ ОТХОДОВ........................60
5.1. Ручная и механическая переработка ТКО.....................60
5.2. Оборудование для разборки и переработки ТКО...............62
5.3. Способы механической переработки мусора...................65
5.4. Анализ схем сортировки ТКО................................73
6. ПРОЕКТИРОВАНИЕ, ЭКСПЛУАТАЦИЯ И РЕКУЛЬТИВАЦИЯ ПОЛИГОНОВ ТКО..................................................89
6.1. Биогаз....................................................96
6.2. Фильтрат.................................................102
6.3. Дренажная система........................................107
6.4. Перечень документов, по которым осуществляется проектирование, эксплуатация и рекультивация полигонов отходов................111
6.5. Компостирование ТКО......................................114
7. ОБРАЗОВАНИЕ ВРЕДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ ОТХОДОВ.......................................................118
7.1. Механическое сепарирование...............................118
7.2. Образование диоксинов при термической утилизации отходов.123

3

7.3. Превращения тяжелых металлов при термической утилизации отходов .... 127
8. ТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ.........................129
8.1. Слоевое сжигание отходов на механической колосниковой решетке.137
8.2. Сжигание отходов в вихревом кипящем слое.....................142
8.3. Сжигание ТКО в топке с неподвижным подом.....................144
8.4. Пиролиз отходов..............................................146
8.5. Газификация отходов..........................................152
8.6. Плазменная газификация отходов...............................160
8.7. Газификация отходов в печи шлакового расплава................169
8.8. Влияние кислорода на технико-экономические показатели печи шлакового расплава.................................................183
8.9. Теплофизический анализ работы печей шлакового расплава при переработке ТКО................................................190
9. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ И ШЛАКОВ ОТ РАБОТЫ ПЕЧЕЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛЕЗНЫХ ПРОДУКТОВ................................................198
9.1. Получение полезных продуктов из отходящих газов печей шлакового расплава................................................198
9.2. Использование шлаков от сжигания отходов в шлаковом расплаве.202
9.3. Реконструкция существующих ТЭЦ, ТЭС и ГРЭС с целью сжигания углей и отходов для получения тепла и электроэнергии.....211
10. ПЕРЕРАБОТКА ОПАСНЫХ ОТХОДОВ...................................216
10.1. Распределение отходов по классам опасности..................216
11.2. Утилизация медицинских отходов..............................217
10.3. Утилизация опасных радиоактивных отходов....................226
10.4. Переработка опасных нефтепродуктов..........................239
10.5. Термическая переработка хлорсодержащих вредных отходов......250
10.6. Переработка ртутьсодержащих отходов.........................259
10.7. Переработка лежалых отходов.................................272
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..........................................280
ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ.............................................292

4

        ПРЕДИСЛОВИЕ


      Последние десятилетия XX и начало XXI в. ознаменовались обострением экологических проблем: колебаниями климатических условий, загрязнением атмосферы, пылью от работы предприятий различного профиля, огромными свалками на земле и в океанах. Во многих случаях есть ряд соединений, от которых мы не можем отказаться, например, двуокись углерода, являющаяся продуктом жизнедеятельности человека, животных и насекомых, а также от работы тепловых машин и механизмов, тепловых станций и т. п. Как показывают исследования, количество углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу Земли, ежегодно возрастает, что выступает следствием деятельности человека. Аналогичные процессы наблюдаются во всех сферах, в том числе и при накоплении бытового мусора (твердые коммунальные отходы - ТКО), который является продуктом жизнедеятельности человека. И как многое другое количество его превысило нормы накопления для ряда стран. К таким странам относится и Россия, где в современных условиях развития общества используется захоронение бытовых отходов на свалках. Многие из них были созданы более 50 лет назад стихийно, без проведения проектно-изыскательских работ, и давно должны быть закрыты. Открытие новых полигонов затруднено ввиду техусловий, которые к ним предъявляются, а также значительной их удаленностью от городов и населенных пунктов. Такие условия особенно характерны для Европейской части России. В настоящее время в ряде стран ЕС, Израиле, Японии, США и др. успешно применяются технологии разборки мусора с последующей его переработкой и термической утилизацией с получением тепла и электроэнергии. Кроме того, немаловажную роль играют и опасные отходы, являющиеся продуктом работы промышленных предприятий, количество которых растет из года в год. В работе рассмотрены основные принципы переработки отходов потребления и производства и возможные условия применения их в России.
      Книга предназначена для студентов очной и заочной формы обучения, занятых переработкой твердых бытовых и промышленных отходов, работников жилищно-коммунальных служб, административно-управленческого аппарата для ознакомления с существующими способами обезвреживания и утилизации бытовых и промышленных отходов.

5

        ГЛАВА 1


        ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОТХОДОВ



     Для проведения расчетов при разборке и термической переработке отходов в ряде случаев требуются их физико-химические свойства. Особо это требуется для твердых коммунальных отходов (ТКО). Основные их свойства приведены ниже.


1.1. Морфологический состав ТКО


Рис. 1.1 — Морфологический состав ТКО разных стран

      В состав ТКО входят следующие компоненты: бумага, картон 20-30 %, пищевые отходы 28-45 %, дерево 1,5-4 %, металл черный 1,5-4,5 %, металл цветной 0,2-0,3 %, текстиль 4-7 %, кости 0,5-2 %, стекло 3-8 %, кожа, резина, обувь 1-4 %, камни, фаянс 1-3 %, пластмасса 1,5-5 %, смет (< 15 мм) 7-18 %, прочее 1-3 %. Все приведенные выше процентные соотношения морфологического состава ТКО условные, так как на соотношение составляющих влияют степень благоустройства жилого фонда, благосостояние населения того или иного района рис. 1.1, сезоны года, климатические условия. В зависимости от сезона года особенно большие колебания содержания в ТКО пищевых отходов -

6

с 20 % в начале весны до 45 % и более в конце лета и начале осени. В состав пищевых отходов входят отходы картофеля, овощей, фруктов, отходы хранения овощей, фруктов и др. Пищевые отходы содержат в себе жиры, белки, углеводы, крахмал, клетчатку, витамины. Влажность пищевых отходов колеблется от 60-70 % весной до 80-85 % летом и осенью [1]. Влажность пищевых отходов ресторанов, столовых и других предприятий общественного питания может достигать 95 %. Однако пищевые отходы ресторанов, кафе и других предприятий общественного питания практически не содержат балластных включений (бой посуды, стекла, металлических банок и крышек), что не редко встречается в пищевых отходах при валовом сборе у населения. В целях предотвращения гниения и возможности использования пищевых отходов для других целей их следует хранить летом (при температуре 6-7 °C) не более 10 часов, а зимой (при температуре менее 6-7 °C) не более 30 часов. Емкости хранения пищевых отходов необходимо мыть. Тенденции последних лет в изменении морфологического состава ТКО подтверждающиеся опытом зарубежных развитых стран, показывают следующее. Резко уменьшились объемы пищевых отходов. В пищевых отходах практически отсутствуют хлеб и хлебопродукты, очень мало рыбных отходов, увеличился и продолжает увеличиваться объем бумажных, картонных и пластмассовых изделий. В связи с отсутствием сбора макулатуры, а также ростом количества бумажных упаковок в составе ТКО продолжают увеличиваться объемы бумаги и картона. Увеличиваются объемы текстиля и обуви.
Размеры морфологических групп ТКО в начале XXI века следующие:

                 бумага
                 пищевые отходы
                 древесина
                 текстиль
                 кожа
                 резина
                 пластмассы
                 группа неорганических отходов
                 металлы

24-32,3 %
36,5-40,0 %
2,0-2,5 %
3,9-5,0 %
1,5-1,8 %
2,0-2,3 %
7,8-8,5 %
11,0-12,4 %
3,0-3,5 %

7

Рис. 1.2 - Морфологический состав ТКО России

     Данный морфологический состав ТКО считают средней статистической Российской сборкой, т. к. 95 % ТКО, вывозимых на полигоны России в любом регионе в любое время года, имеют морфологический состав, укладывающийся в обозначенные выше пределы (рис. 1.2).
     При проектировании пред

приятий по переработке ТКО необходимы сведения о морфологическом составе ТКО различных климатических зон.
     Сезонные изменения состава ТКО характеризуются увеличением содержания пищевых отходов с 20-25 % весной до 40-55 % осенью, что связано с большим потреблением овощей и фруктов в рационе питания (особенно в городах южной зоны). Зимой и осенью сокращается содержание мелкого отсева с 20 до 7 % в городах южной зоны и с 11 до 5 % в средней зоне.
     Нормы накопления ТКО - это количество отходов, образующихся на расчетную единицу: человек - для жилищного фонда; одно место в гостинице; 1 м² торговой площади для магазинов и складов; в единицу времени - день, год. Нормы накопления определяют в единицах массы (кг) или объема (л, м³).
     На нормы накопления и состав ТКО влияют следующие факторы: степень благоустройства жилищного фонда; этажность, вид топлива при местном отоплении; развитие общественного питания, культура торговли, степень благосостояния населения и т. д.; климатические условия (различная продолжительность отопительного периода - от 150 дней в южной и до 300 дней в северной зонах); специфика питания и др. Для крупных городов нормы накопления ТКО

несколько выше, чем для средних и малых.

8

        1.2. Фракционный состав

     Основная масса ТКО представлена фракциями до 150 мм (80-90 %) и только менее 2 % ТКО имеют фракции более 350 мм (балластные примеси). В таблице 1.1 приведены ориентировочные усредненные данные содержания различных фракций в общей массе ТКО (в % от общей массы).


Таблица 1.1

Ориентировочное содержание различных фракций в общей массе ТКО, %

Наименование           Величина фракций, мм             
 составляющих  350-250 250-150 150-100 100-50  менее 50
     ТКО                                               
Бумага           3-8    9-11    9-11     7-9     2-8   
Пищевые отходы   ---     0-1    2-10     7-9    17-22  
Металл           ---     0-1    0,5-1  0,8-16  0,3-0,5 
Дерево          0,5-1   0-0,5   0-0,5   0,5-1   0-0,5  
Текстиль       0,2-1,3  1-1,5   0,5-1  0,3-1,8  0-0,5  
Кости            ---     ---     ---   0,3-0,5 0,5-0,9 
Стекло           ---    0-0,3   0,3-1  0,5-1,5  0-0,3  
Кожа, резина     ---     0-1    0,5-2  0,5-1,5  0-0,3  
Камни            ---     ---    0,2-1  0,5-1,5  0,5-2  
Пластмасса      0-0,2  0,3-0,8 0,2-0,5 0,2-0,5 0,2-0,5 
Смет и прочее    ---    0-0,5   0-0,5   0-0,4    7-11  
ВСЕГО:          4-10    11-15   18-22   20-30   30-40  

     Как видно из данных таблицы 1.1, фракционный и морфологический состав ТКО взаимосвязаны. Чем больше в ТКО пищевых отходов, имеющих в основном размеры менее 50 мм, тем больше в их составе мелких фракций, и наоборот, при увеличении в составе ТКО различных упаковок, бутылей, крупногабаритных ящиков, журналов и т. п., имеющих размеры более 150-350 мм, значительную долю в массе составляют крупные фракции. В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция увеличения крупногабаритных фракций в основном за счет различных упаковок, бутылок и ящиков. В таблице 1.2 приведен ориентировочный перечень крупногабаритных ТКО.


9

Таблица 1.2

Ориентировочный состав крупногабаритных ТКО

     Преобладающий материал                     Составляющие               
                                  Мебель, обрезки деревьев и кустарников,  
        Дерево (до 60 %)          доски, ящики, двери, скамейки, фанера,   
                                  старые рамы, лестницы                    
                                  Фаянсовые раковины, унитазы, листовое    
   Керамика, стекло (до 18 %)     стекло, лампы дневного света, посуда, бу-
                                  тылки, бой стекла                        
                                  Холодильники, газовые плиты, стираль-    
         Металл (до 9 %)          ные машины, пылесосы, кровати, корыта,   
                                  сетки, баки, бидоны, раковины, трубы,    
                                  радиаторы                                
     Бумага, картон (до 6 %)      Упаковочные материалы, обои, мешкови-    
        Текстиль (до 1 %)         на упаковочная, пальто, одеяло, матрасы  
Кожа, резина, смешанные материалы Шины, чемоданы, сумки, диваны, кресла,   
            (до 5 %)              клеенки                                  
       Пластмасса (до 1 %)        Детские ванны, ведра, тазы, линолеум,    
                                  пленки                                   

     Как видно из приведенной таблицы, большая часть крупных ТКО по своим габаритам не вмещается в стандартные контейнеры и для их временного хранения требуется создание специальных площадок с твердым покрытием и подъездом для автотранспорта и погрузчиков. В крупных городах за год в расчете на каждого человека накапливается до 40-50 кг крупногабаритных ТКО с массой менее 0,2 т/м³. В последние годы отмечается, что среди крупногабаритных фракций ТКО увеличились и продолжают расти особо крупные составляющие, такие как старые холодильники, газовые плиты, мебель, телевизоры, компьютеры и другие предметы долговременного использования.

        1.3. Химический состав

     Усредненные ориентировочные данные химического состава ТКО для ряда городов Европы приведены в таблице 1.3.


10

Таблица 1.3

Усредненный химический состав ТКО

Показатели            Состав в % от сухой массы
Органические вещества           56-80          
Зольность                       20,44          
Общий азот                     0,9-2,7         
Кальций                         2-5,7          
Углерод                         28-39          
Фосфор                         0,5-0,8         
Общий калий                    0,5-1,1         
Другие микроэлементы            < 0,1          

Рис. 1.3 - Химический состав составляющих ТКО

      Как видно из данных таблицы 1.3 и рис. 1.3, ТКО относится к веществам, из которых можно получать органические удобрения.
      Расчет элементного состава ТКО производится в следующем порядке: Рабочая масса ТКО состоит из семи элементов
СР + НР + ОР + NP + SP + AP+ W = 100 %,


11

 где: Ср, Hp, Ор, NP, SP, AP, W - содержание соответственно углерода, водорода, кислорода, азота, серы, золы и влаги в рабочей массе ТКО, %. Влажность [1] и зольность [2] являются балластом рабочей массы.
      Первые 6 членов образуют сухую массу ТКО:
СС + НС + ОС + Nc + Sc + Ac = 100 %,
а первые 5 членов образуют горючую массу ТКО:
Сг + Нг + Ог + Nr + Sr = 100 %.

    Зная морфологический состав ТКО и элементный состав отдельных компонентов всей массы рассматриваемых отходов, % [3]:

 Ср = С1р^ i1 + C2P ..+......... ... + CnP ■ in;  
Hp = H1p- i1 + H2P ■ i2 +......  .... + HnP  ■ in;
Op = O1P ■ i1 + O2P ■ i2 +...... .... + OnP  ■ in;
Np = N1p ■ i1 + N2P ■ i2 +...... .... + NnP  ■ in;
Sp = S1p-i1 + S2P ■ i2 +........ ..... + SnP ■ in;
Ap = A1p ■ i1 + A2P ■ i2 +...... .... + AnP  ■ in;
Wp = W1p^ i1 + W2P ■ i2 + ...    ... + WnP   ■ in,

где: С1р, C2P, CnP - содержание в каждом компоненте ТКО углерода, %; HnP, OnP, NnP, SnP, AnP, WnP - то же водорода, кислорода, азота, серы, золы и воды; ii ,12 ,in - доли соответствующих компонентов в общей массе ТКО.

Zin = 1.
       Пересчет с горючей массы каждого компонента на рабочую производится по формулам:
CnP = Cnr • (100 - Wn - AnP )/100;
ОnP = ОпГ ■ (100 - Wn - AnP )/100;
HnP = Hnr ■ (100 - Wn - AnP )/100;
NnP = Nnr ■ (100 - Wn - AnP )/100;
SnP = Snr ■ (100 - Wn - AnP )/100.

12