Полихлорированные дибензодиоксины (polychlorinated dibenzodioxins, PCDDS) и полихлорированные дибензофураны (polychlorinated dibenzofurans, PCDGS) часто не различают между собой, используя общий термин диоксины?. Однако в действительности в этом случае приходится иметь дело с обширным семейством химических соединений, образуемых в процессе горения различного рода хлорсодержащих веществ. Семейство так называемых диоксинов? состоит из 75 различных диоксинов в прямом смысле этого слова и 135 различных фуранов [2]. Эмиссия и концентрация диоксинов? часто выражается в так называемом токсичном эквиваленте (TEQ), с помощью которого фактические значения приводятся к 2,3,7,-тетрахлордибензо-p-диоксин C12H4Cl4O2 (2,3,7,8-TCDD) — наиболее опасному химическому соединению в указанном семействе. Химические соединения указанного типа, распространяющиеся в объектах окружающей среды в виде мелких аэрозольных фракций, по своей опасности соизмеримы с боевыми отравляющими веществами. Во время войны во Вьетнаме США широко использовали такие виды химического оружия, как ORANGE, PURPLE, GREEN, PINK, DIOXOL, TRINOXOL и др. (всего 15 видов), основой которых являлся TCDD. В соответствии с новым законодательством Агентства по охране окружающей среды США (EPA) в 1997 г. предельно допустимые концентрации 2,3,7,8-TCDD в объектах окружающей среды вновь снижены в 10 раз. Особенностью диоксинов является их активное вовлечение в пищевые цепочки, аккумулирование в почвах и продуктах сельскохозяйственного производства с последующим поступлением в организм человека ингаляционным, алиментарным и контактным путями [1]. При этом диоксины, в отличие от радиоактивных веществ, со временем не разлагаются, представляя собой угрозу не только нынешним, но и будущим поколениям. Все возрастающая опасность накопления диоксинов? в объектах окружающей среды подтверждается результатами анализа донных осадков (особенно в озерах), растительности, шлама городских сточных вод, тканей животных и человека, молока и других продуктов сельскохозяйственного производства [5, 6, 10]. Несмотря на то что, например, в США, медицинские твердые отходы составляют около 1% от общего количества перерабатываемых отходов, они относятся к специальному виду, и их уничтожение совместно с бытовымиотходами категорически запрещено [8]. В настоящее время более чем 25 % медицинских изделий содержат полихлорвинил (ПХВ). Наиболее типичным является использование ПХВ при изготовлении аппаратов искусственного дыхания, мешков для крови, диализных трубок, хирургических перчаток, стерильной упаковки, одноразовых шприцев и т.д. Причиной широкого использования ПХВ в медицинской практике являются его свойства — такие как высокая пластичность, прочность, стерильность, оптическая прозрачность, износостойкость. Согласно отчету RIVM/TNO 770501003 международной организации GREENPEACE, а также опубликованным в периодической печати данным [10] эмиссия диоксина при уничтожении данного вида отходов максимальна (см. табл. 1) и представляет собой, наряду с уничтожением отходов кабельного производства, наиболее серьезную опасность с точки зрения воздействия на окружающую среду. Термическое уничтожение отходов кабельного производства в настоящее время запрещено санитарным законодательством большинства стран. Что касается медицинских отходов, то на начало 2001 г. в США установлено 2400 инсинераторов специального назначения (medical waste incinerators, MWI). Годовые расходы на переработку медицинских отходов составляют $ 912,9 млн. Прогнозируется увеличение данных расходов до $ 1,3 млрд [9]. Если для уничтожения твердых городских отходов сооружаются, как правило, мусороперерабатывающие заводы (МПЗ) высокой производительности (например, в Санкт-Петербурге МПЗ в поселках Янино и Горелово по 450 тыс. т/год каждый), то уничтожение медицинских отходов требует, прежде всего, высокой эффективности пиролитического разложения, исключающего, либо максимально сокращающего выход промежуточных, наиболее токсичных продуктов такого рода переработки. Теория и численные методы оптимизации процессов инсинерации твердых отходов достаточно глубоко разработаны [7]. Основные рекомендации к конструктивному оформлению инсинераторов повышенной эффективности сводятся к необходимости исключения флуктуации температур за счет более равномерной загрузки перерабатываемых материалов и стабилизации процессов горения, которое на первой стадии должно происходить в условиях дефицита кислорода и с последующим его избытком. Температура пиролиза должна поддерживаться не менее установленных пределов (950С и более) в течение заданного промежутка времени (одна и более секунды). Отходящие газы должны быстро охлаждаться во избежание вторичного образования диоксинов. На мировом рынке в настоящее время предлагается целый ряд инсинераторов, существенно различающихся между собой как по конструктивному исполнению, так и по достигаемой эффективности работы. Компания INFRATECH Corp. (Канада) наряду с инсинераторами промышленного назначения производит специальные медицинские инсинераторы (Pathological Incinerators), оснащенные двухступенчатой камерой сгорания и обеспечивающие пиролиз при температуре 980С в течение 1 с. На производстве медицинских инсинераторов серий P25, P25-M1, P60-M1 и P60-M2 специализируется компания Shenandoah Manufacturing Co., Inc. (США). Указанные инсинераторы, снащенные двухступенчатой камерой, при средней производительности от 225 кг/сутки до 680 кг/сутки обеспечивают пиролиз при температуре от 980 до 1100С° в течение от 0,3 до 2 с. Известны также инсинераторы VESTA MAX 25S, GOLAR OG 200 (Норвегия), UNEX F-1 (Финляндия), ATLAS ASW 1402AS (Дания), RC/M IMEF (Италия). Компания PETROSPEK предлагает в качестве оборудования для уничтожения отходов в местах их образования многозонные инсинераторы швейцарской фирмы HOVAL . Они позволяют осуществлять экологически безопасное сжигание от 300 до 8000 кг/сутки (37,5–1000 кг/ч) твердых и жидких органических отходов, включая бытовые, общепромышленные и специальные, такие как медицинские отходы, пластмассы, растворители, автопокрышки и текстильные материалы. Конечным твердым продуктом сжигания является экологически чистый утилизируемый остаток, который можно использовать при изготовлении строительных блоков. Вес твердого остатка составляет лишь 5% от общего веса перерабатываемых отходов. HOVAL Инсинераторы выпускаются 7 типоразмеров — см. табл. 2. Недостатком сжигания отходов в обычных мусоросжигающих печах является то, что в силу гетерогенного характера сжигаемого материала, сложности и огромного разнообразия химико-термодинамических процессов, протекающих в камере сгорания с различной продолжительностью, и являющихся, следовательно, неуправляемыми, в дымовых газах может содержаться достаточно большое количество мельчайших недогоревших горючих частиц отходов (недожог), окисей углерода и серы, сероводорода, хлористого водорода, органических соединений — альдегидов, фенолов, эфиров, углеводородов, в т.ч. полициклических углеводородов ароматического ряда, наиболее опасные из которых, как уже отмечалось, диоксины. Все недостатки обычных печей для сжигания отходов были учтены в инсинераторах HOVAL, что обеспечило их высокую экологичность и соответствие самым строгим требованиям по охране окружающей среды. Экологическая безопасность Экологическая безопасность инсинераторов HOVAL достигается за счет следующих факторов: 1. Индивидуальное проектирование каждой установки в зависимости от конкретных требований заказчика, включая состав отходов, действующие санитарно-технические нормативы по предельно-допустимым выбросам в атмосферу, вид топлива (газ или дизельное), цель использования утилизируемой тепловой энергии и др. 2. Разделение всех стадий процесса сжигания отходов, как по локализации, так и по времени, что определяет название оборудования — многозонные инсинераторы, и отличает их от обычных мусоросжигательных печей. 3. Управление каждой стадией комплексного процесса сжигания. 4. Использование вместо обычного процесса сжигания пиролитического разложения отходов в первичной (пиролизной) камере. 5. Полное сгорание горючих составляющих газового потока в термическом реакторе путем поддержания в нем необходимых температуры и времени горения. 6. Комплектация инсинераторов в зависимости от состава отходов и действующих санитарных норм различными системами очистки абгазов. В процессе работы инсинераторов HOVAL гарантируется: 1. Соблюдение следующих величин выбросов в атмосферу (без системы газоочистки/с системой газоочистки): ??пыль и аэрозоли — ?125 мг/нм3/ 10 мг/нм3; ??сажа — ?20 мг/нм3/10 мг/нм3; ??СО — ?150 мг/нм3/20 мг/нм3; ??диоксины — ?0,1 мг/нм3. 2. Практически идеальный в экологическом отношении твердый продукт сгорания. Индивидуальное проектирование При проектировании каждого инсинератора HOVAL учитываются индивидуальные характеристики подлежащих переработке отходов: количество, морфологический состав, влажность, теплотворная способность, плотность. В результате рассчитывается средняя теплотворная способность гетерогенной смеси и устанавливаются возможные химические реакции, которые будут протекать в процессе горения, а, следовательно,определяется состав возможных газовых выбросов. Оптимальная величина теплотворной способности смеси отходов — 10–18 мДж/кг. Если теплотворная способность слишком мала, т.е. материал содержит большое количество влаги или золы, для пиролитического разложения веществ и преобразования их в газообразное состояние понадобится дополнительное количество тепловой энергии, что реализуется установкой дополнительной горелки и устройством подогрева первичного воздуха. В случае высококалорийных отходов энергия, затрачиваемая на нагрев и карбонизацию отходов, значительно ниже, чем энергия, выделяемая при горении. В результате может происходить избыточный рост температуры внутри пиролизной камеры, что предотвращается автоматическим устройством впрыска воды, предназначенным для температурного регулирования. Многозонность и возможность управления каждой стадией Основные стадии многозонного сжигания отходов в инсинераторах HOVAL: ??нагрев, осушение и дегазация отходов (пиролиз) в первичной камере; ??смешивание, воспламенение и полное окисление горючих газов в термическом реакторе. Поскольку все стадии процесса сжигания в инсинераторах происходят отдельно друг от друга, представляется возможным индивидуальное управление каждой стадией, их оптимизация и мониторинг. В результате достигается устойчивый режим сгорания и низкое содержание вредных веществ в продуктах сгорания. Постадийно процесс инсинерации можно характеризовать следующим образом. После загрузки в первичную камеру отходы поджигаются при помощи запальной горелки, которая автоматически выключается при достижении рабочей температуры. Небольшое количество так называемого первичного воздуха, необходимого для поддержания субстехиометрического пиролитического разложения отходов, подается через сопла в колосниках пиролизной камеры. Расход первичного воздуха автоматически регулируется специальным регулирующим клапаном в зависимости от температуры. Горячие газы, образующиеся на этой стадии частичного сжигания, проходят через расположенные выше отходы, которые при этом осушаются, нагреваются и подвергаются термическому разложению. Горючие газы, выделяемые при пиролизе, попадают в термический реактор, где находятся зоны смешения, воспламенения и окисления (горения). В зоне смешения газы смешиваются со вторичным воздухом, в результате чего образуется горючая смесь. Поскольку подача первичного и вторичного воздуха обеспечивается воздуходувкой параллельно, то расход вторичного воздуха соответствующим образом регулируется и оптимизируется путем управления подачей первичного воздуха. При предварительной установке параметров учитывается теплотворная способность отходов. Горючая смесь воспламеняется при помощи модулируемой горелки, отключаемой после достижения заданной температуры, и затем сжигается в зоне окисления при обогащении кислородом за счет подачи третичного воздуха, расход которого также регулируется в зависимости от температуры. Распределение третичного воздуха происходит по всему сечению зоны сжигания. Пиролизная камера На первом этапе переработки в инсинераторах HOVAL отходы подвергаются пиролизу, т.е. термической деструкции под действием высоких температур с целью получения горючих углеводородов. Особенности процесса пиролитического разложения отходов по сравнению с обычным сжиганием в печах [4]: 1. Сжигание обычно происходит при 50% избытке воздуха и температуре около 950С , в то время как пиролиз — при дефиците кислорода и температуре 500–750С ; 2. Твердый остаток пиролиза является нетоксичным, в том числе за счет того, что, в отличие от сжигания, при пиролизе не происходит окисления нетоксичного трехвалентного Cr в шестивалентный токсичный. 3. Часть образующихся летучих продуктов пиролиза окисляется с выделением тепла, и процесс в значительной степени автотермичен, т.е. выделяемого тепла достаточно и на пиролиз и на сушку материала. Пиролизная камера в инсинераторах HOVAL является одним из основных компонентов оборудования. В ней отходы нагреваются и разделяются на газообразную и твердую составляющие при недостатке воздуха и температуре 300–800С . Камера состоит из стального корпуса с воздушным охлаждением, жаропрочным внутренним покрытием и теплоизоляцией. Вентилятор первичного воздуха, расположенный в верхней части камеры, всасывает воздух через каналы в корпусе камеры между внешним и внутренним кожухами и нагнетает его в камеру через сопла колосниковых плит. При этом достигается охлаждение внешнего кожуха камеры и подогрев первичного воздуха. Колосники представляют собой охлаждаемые воздухом подовые плиты с перфорированными соплами, изготовленные из специальной нержавеющей технической стали, устойчивой к температурам до 1100С . Сопла расположены таким образом, чтобы получить равномерное распределение первичного воздуха в целях обеспечения субстехиометрического соотношения по всему объему отходов и достижения их полной дегазации. Небольшая запальная горелка с управляющим устройством расположена в непосредственной близости с загрузочным люком. Ориентировочный расход газообразного топлива для горелки — 0,03–0,15 м3 на 1 кг отходов. Образующаяся внутри первичной камеры зола практически стерильна. При непрерывной работе инсинератора зола может удаляться вручную или ваккумным способом при помощи поставляемых пеплоотсасывающих агрегатов различной мощности.Большая дверь для удаления золы и загрузочный толкатель находятся с противоположных сторон первичной камеры. Процесс удаления золы упрощается благодаря гладкой поверхности колосников. Устройство впрыска воды для температурного регулирования включает магнитные клапаны, термостойкие впрыскивающие форсунки, медные трубопроводы, датчики уровня и расхода воды, расположенные на кожухе первичной камеры. Термический реактор дожига Термический реактор изготовлен из нескольких цилиндрических стальных секций с жаропрочным внутренним покрытием и теплоизоляцией и спроектирован таким образом, чтобы обеспечить при необходимой степени турбулизации быстрое смешение горючих газов с воздухом, в результате чего реакция окисления протекает по всему сечению потока. Оптимальные условия достигаются в том случае, когда все горючие составляющие газового потока полностью окисляются. Для этого требуется, прежде всего, достаточное время пребывания горючих компонентов в реакторе. Время пребывания, в свою очередь, определяется объемом реактора и поддерживаемой в нем температурой. Величина объема рассчитывается в зависимости от требуемой производительности установки, расхода образующегося газового потока и свойств сжигаемых отходов. Базовыми параметрами термического реактора являются следующие: ??0,5 с — минимальное время пребывания газов в реакторе; ??1000С — минимальная температура, поддерживаемая в реакторе. В зависимости от конкретных требований инсинераторы могут комплектоваться термореакторами со временем выдержки дымовых газов до 1 с и до 2 с. В результате аккумуляции тепловой энергии в термореакторе достигается температура, значительно превосходящая величину 1000С (до 1400С ), которая необходима для обеспечения минимального содержания вредных веществ в продуктах сгорания. При достаточной теплотворной способности перерабатываемых отходов, обладающих хорошей способностью к дегазации, требуемая температура достигается без дополнительных энергетических затрат, либо при минимальных их значениях. Только при запуске или временной остановке агрегата,а также при плохом качестве горючего газа, как результат низкой теплотворной способности сжигаемых материалов, необходимая температура достигается посредством введения в действие модулируемой горелки реактора. Ориентировочный расход газообразного топлива для горелки — 0,06–0,29 м3/кг отходов. Расход третичного воздуха, необходимого для поддержания горения, регулируется автоматически. Загрузка В зависимости от модели инсинератора загрузка отходов может осуществляться либо вручную (модели CV), либо механически (модели GG). В моделях CV загрузка отходов производится с лицевой стороны агрегата через загрузочную дверцу один раз за цикл сгорания (2–3 раза в день). После загрузки дверца автоматически блокируется до окончания цикла, поэтому последующая загрузка возможна только после надлежащего охлаждения первичной камеры. Инсинераторы моделей GG могут механически загружаться как твердыми, так и жидкими отходами. Твердые отходы подаются в блокирующуюся камеру с помощью толкателя через вертикальную дверцу. Система автоматики синхронизирует открытие внутреннего люка и работу толкателя, который на период вскрытия камеры перекрывает сечение люка, что предотвращает выброс дыма и пламени, а также попадание наружного воздуха в поддерживаемую в условиях дефицита кислорода первичную камеру. Загрузка выполняется с 10–20-минутными интервалами в расчете на 6–10-часовой рабочий день. Существует несколько способов загрузки жидких отходов, что определяется их типом: ??горючие жидкости впрыскиваются, испаряются и сжигаются в первичной камере; ??горючие жидкости, обладающие повышенной чистотой и теплотворной способностью, впрыскиваются непосредственно в термический реактор; ??негорючие жидкости обычно впрыскиваются в первичную камеру и выполняют функцию охлаждения, как и впрыскиваемая туда же вода. При переработке жидких отходов в инсинераторах предусматриваются впрыскивающие сопла, специальный червячный насос с приводным двигателем плавного регулирования, ротационный фильтр, магнитные клапаны и дополнительный блок управления, встраиваемый в распределительный шкаф. Рекуперация тепла Рекуперация тепла, образуемого при сжигании отходов, применяется для снижения эксплуатационных затрат за счет экономии первичной энергии при получении горячей воды и пара, или в некоторых случаях для охлаждения дымовых газов перед попаданием их в блок очистки. При комплектации инсинераторов HOVAL используются рекуперативные теплообменники горячей воды (70/90С ), перегретой воды (150С ) и пара. Очистка отходящих газов В зависимости от существующих санитарно-технических норм по выбросам в атмосферу инсинераторы HOVAL могут проектироваться без системы газоочистки, с двухступенчатой мокрой очисткой, с очисткой в сухом фильтре и скруббере. В табл. 3 приведены гарантированные предельные значения выбросов для инсинераторов HOVAL. Все значения приведены в расчете на 11 % содержания кислорода в отходящих газах. Перед попаданием на сухой фильтр дымовой газ охлаждается во впрыскивающем охладителе при помощи сточной воды из скруббера. При превышении допустимой температуры (240?) происходит байпасирование рукавного фильтра. Еще до поступления дымовых газов в фильтр впрыскивается смесь гидроксида кальция и активированного угля. Гидроксид кальция улучшает очистку и абсорбирующую способность рукавов фильтра. Активированный уголь абсорбирует диоксины и фураны. Корпус фильтра изготовлен из листовой стали, а в качестве фильтрующих элементов используются рукава из тефлона. Для автоматической регенерации фильтра рукава очищаются продувочным воздухом. Накапливающаяся в нижней сборной части корпуса фильтра смесь пыли и присадочных материалов (активированный уголь и гидроксид кальция) прибавляется частично методом циркуляции к потоку необработанных газов. Таким образом, присадочный материал повторно вступает в реакцию с вредными веществами. В рукавных фильтрах осаждаются все частицы аэрозолей размерами до 0,1 мкм. Крупные частицы предварительно отделяются в корпусе фильтра при помощи изменения направления обтекания. После предварительной очистки в сухом фильтре дымовые газы поступают в зону резкого охлаждения — охладитель с трубой Вентури, установленный непосредственно на скруббере. С помощью водяной циркулирующей жидкости с регулированием водородного показателя рН дымовые газы адиабатически охлаждаются до предельной температуры охлаждения 80С . Скруббер представляет собой цилиндрическую колонну с тканевым уплотнителем и контактным фильтром и увлажняется методом противотока циркулирующей жидкостью. Водородный показатель рН циркулирующей жидкости поддерживается в пределах 7–10 путем добавления щелочи натрия. В результате реакции нейтрализации происходит выделение кислотных компонентов дымовых газов (HCI, HF, SO2). Для предотвращения слишком большой концентрации в циркулирующей жидкости таких продуктов реакции, как NaCI, NaF, NаНSО3 и др., определенное ее количество отбирается в накопительную емкость, подпитываемую водой, и впрыскивается перед сухим фильтром в трубопровод дымовых газов для их охлаждения. Это позволяет использовать установку очистки дымовых газов без образования сточных вод. Пульт управления Весь процесс сжигания отходов в многозонных инсинераторах HOVAL контролируется с центрального пульта управления. Переключатель режимов имеет следующие положения: автоматический, ручной, тестирование. Пульт включает все устройства для контроля, установки, регулирования параметров и, если необходимо, регистрации. ТАБЛИЦЫ: 1~1~; 2~2~; 3~3~;


Литература 1. Е.П. Вишневский, И.В. Бильчук, В.Г. Пимкин. Расчетная оценка поступления химических веществ ингаляционным, алиментарным и контактным путями в организм человека с учетом особенностей их миграции в окружающей среде. Журнал Всесоюзного химического общества им. Д.И. Менделеева. 1990, том XXXV, стр. 457–460. 2. Вредные химические вещества. Галогени кислородсодержащие органические соединения. Справочник, СПб, 1994, стр. 686. 3. Защита атмосферы от промышленных загрязнений. Справочник в двух частях, М., «Металлургия», 1988, стр. 759–711. 4. Л.В. Иваненко, П.Г. Быкова. Экологические проблемы города и утилизация отходов, Самара, Кн. изд-во, 1993. 5. Alcock R.E. and Jones K.C. (1996). Dioxins in the Environment: A review of Trend Data. Enviornmental Science & Technology 30/11:3133–3143. 6. Hagenmaier H. and Walczok M. (1996). Time Trends in Levels, Patterns and Profiles for PCDD/PCDF in Sediment Cores of Lake Constance. Organohalogen Compounds 28:101–104. 7. Hepler W. and Smith O. Numerical Simulation of Steady-State Dump Combustion Operation with Auxiliary Fuel Injection. Combust. Science and Technology, 107, 31, 1995. 8. McClennen W.H, Lighty J.S., Summit G.D., Gallagher B. and Hillary J.M. Investigation of incineration characteristics of waste water treatment plant sludge. Combustion Science and Technology, 101, p. 481, 1994. 9. Rink K.K., Kozinski J.A., and Lighty J.S. Biosludge incineration in FBC: Behavior of ash particles. Combustion and Flame, 100, p. 121, 1994. 10. Thomas V.M. and Spiro T.G. An estimation of dioxin emissions in the United States. Toxicol. and Environ. Chemistry 50:1–37, 1995. 11. Thomas V.M. and Spiro T.G. An estimation of dioxin emissions in the United States. Toxicol. and Environ. Chemistry 50:1–37, 1995.