Почему Россия, являясь абсолютным лидером в части научных достижений в области утилизации мусора, закупает подобные технологии за рубежом?

Наконец-то сегодня приходит понимание у отечественных экспертов, общественников, ученых, что строительство мусоросжигающих заводов в России, без учета научных, производственных и основных экологических проблем, о которых говорят эксперты, а также исключение из рассмотрения альтернативных (более эффективных и менее дорогих, бесполигонных и беструбных) способов переработки мусора, вместо сжигания, приводит к серьезным управленческим ошибкам, последствия которых придется решать в стране десятилетиями на государственном уровне.

В журнале ЭВР № 8, 2019 г. была размещена публикация «Перевод дискуссии о способах утилизации мусора из плоскости бизнес-решений в сферу научного обсуждения как важнейшая государственная задача». В ней говорилось, что применение прямого сжигания твердых коммунальных отходов (ТКО), от которого отказываются в развитых странах, губительно и для российской природы. При этом особо подчеркивалось, что лукавая риторика «будущие российские мусоросжигающие заводы - точно такие же, как в Европе, и альтернативы этому нет» - позволяет смешать принципиально разные по научной обоснованности решения [1], и, вместо современных отечественных технологий, разместить в стране устаревшие зарубежные заводы, уже не находящие применения в своих странах.

Утверждающим, что нет других технологий утилизации ТКО, кроме сжигания на МСЗ, следует рекомендовать не вводить общественность в заблуждение. Такие технологии есть. Ряд из них уже успешно работает на больших объёмах мусора, для некоторых, наиболее перспективных - нужно найти возможность оказания помощи в проведении опытно-конструкторских работ для обеспечения реализации отечественных разработок на практике. Российская наука в этом направлении может стать передовой, а отечественные технологии – мировыми лидерами.

После выхода упомянутой выше статьи авторы получили множество активных откликов людей, заинтересованных в разумном решении данной проблемы. Письма от российских ученых, технологов, разработчиков новых решений приходили и авторам, и в редакцию журнала с описанием своих последних научных разработок. Это позволило создать экспертную группу из российских ученых, и сегодня уже рассматриваются десятки перспективных проектов.

Совместными усилиями российских ученых и активистов Общероссийского народного фронта (ОНФ) Московской областной региональной организации был проведен Круглый стол по теме «Современные отечественные технологии переработки мусора». Участники Круглого стола попытались совместно ответить на вопрос, какие наиболее эффективные и менее опасные для окружающей среды технологии, позволяющие решать проблему утилизации ТКО, созданы в нашей стране и почему они в настоящий момент не востребованы.

В рамках Круглого стола обсуждались современные проблемы внедрения российских технологий мусоропереработки, импортозамещения, глубины локализации промышленных производств по переработке мусора. Участники Круглого стола выразили обеспокоенность положением дел в отношении использования результатов работ российских ученых и разработчиков оборудования для переработки мусора. К сожалению, негативной тенденцией последнего времени является широкое внедрение зарубежных технологий, как правило, устаревших - при наличии аналогичных российских. В то же время, ученые говорят о необходимости безусловного соблюдения приоритета беструбных, бесполигонных и безотходных технологий с минимальными выбросами вредных для здоровья веществ. Кроме того, в интересах российского населения, следует соблюдать приоритет повторного использования и переработки ряда компонентов ТКО в товары потребительского значения перед сжиганием [2].

Участники Круглого стола подчеркивали необходимость достаточно оперативно организационно и методически оформить перевод дискуссии по предлагаемым без альтернативы и обсуждения проектным решениям по сжиганию отходов - в технологическую и научно-практическую плоскость. Следует задать правильный вектор для выбора наиболее эффективных, безопасных для экологии региона и здоровья населения, экономически целесообразных и оправданных технологических решений в части обращения с отходами [3].

Будущее мусоропереработки – за беспламенными и безотходными технологиями, заявили на Круглом столе российские ученые. Россия в настоящий момент является бесспорным лидером в части таких разработок, причем некоторые технологии основаны на принципиально новых физических принципах и не имеют мировых аналогов. В стране на сегодняшний момент есть полный набор технологий, обеспечивающих безопасную для природы переработку мусора, причем как высоко-, так и низкотемпературную – прежде всего, это переработка мусора плазмой, беспламенная паровая обработка, современный пиролиз, разложение в кипящем слое шлака – и это только часть списка из более десятка предлагаемых нашими учеными современных разработок.

В настоящий момент цепочка между научными работниками и опытным производством, разрушенная в прежние годы, восстанавливается, поэтому создание промышленных установок, основанных на работах российских ученых, не займет много времени. В ряды разработчиков пришло много талантливой молодежи, для которой важно создать разработки, превосходящие зарубежные. Важно и то, что отечественные разработки существенно дешевле. Наконец, кроме пользы для сохранения окружающей среды, новые отечественные технологии позволят не допустить роста затрат населения на оплату утилизации мусора и снизить социальную напряженность, вызванную данной проблемой [4].

Так, одним из перспективных направлений переработки мусора является высокотемпературная паровая обработка ТКО. Новые физические технологии, разработанные в Институте химической физики РАН, позволяют получать из мусора необходимые для строительства компоненты минеральных вяжущих материалов, которые могут использоваться как цемент в строительстве. При этом опасные выбросы в атмосферу, а также токсичные отходы у такого производства практически полностью отсутствуют.

В Подмосковье (в Клину и Орехово-Зуево) уже организованы производства по переработке мусора по другой современной технологии - пиролизу, исключающие сжигание и выбросы в атмосферу.

Именно поэтому российская наука, известные специалисты в области обработки ТКО объединили свои голоса, призывая как следует изучить имеющиеся отечественные альтернативные технологии обращения ТКО, оценить возможности их реализации, сравнить эффективность и уровень воздействия на окружающую среду.

Не менее важная задача, прямо связанная с этим – это импортозамещение, которое следует максимально применять даже в зарубежных технологических схемах, например, по реагентам для нейтрализации отходящих газов.

Нарастающее внимание к проблемам и рискам строительства мусоросжигающих заводов проявляют не только ученые, но и гражданские активисты. Так, в настоящее время активно обсуждается гражданская инициатива экологов-общественников – еще на стадии проектирования заводов по переработке мусора необходимо предусматривать нормы выбросов не выше мировых. Это приведет к строительству заводов по новым технологиям, в том числе вообще беструбных, практически не имеющих вредных выбросов в атмосферу. Одновременно необходимо оптимально решать вопросы по утилизации твердых продуктов сгорания.

«В мире сейчас идет тренд по максимальному использованию самых эффективных методов очистки продуктов сгорания. И мы направим в органы власти предложения о необходимости поддержать отечественные технологии обращения с ТКО и разработать надежные и оперативные методы аналитического контроля наиболее опасных загрязнителей, в том числе с использованием инструментов общественного мониторинга и гражданского контроля.» - заявила модератор тематической площадки «Экология» подмосковного ОНФ Антон Хлынов.

В настоящий момент Россия – мировой лидер в части научных исследований по переработке ТКО. Особенностями российских технологий утилизации ТКО, выгодно отличающихся от импортных, являются полнота переработки, существенное снижение выбросов вредных веществ в атмосферу и пониженное количество шлаков. Использование этих технологий является прямой пользой для населения страны, так как дешевизна строительства предприятий по переработке ТК и пониженные расходы при утилизации мусора позволят существенно снизить тарифы.

Однако, в силу законов рынка, внедрять в регионе следует лишь такие производства, которые обеспечивают получение коммерческого продукта, реализация которого позволит дополнительно снижать тарифы.

Следует обратить внимание органов власти и общественности на пример деятельности российского переработчика пластиковых отходов ООО «ПСК Пластметалл», который, кроме осуществления переработки, вкладывает значительные средства в перспективу – поддерживая научные и экспериментальные разработки, основанные на новых физических принципах, аналогов которых за рубежом не имеется.

Первейшими мероприятиями, которые следует провести на государственном уровне с целью ответственной поддержки российских разработок в области утилизации ТКО, представляются следующие:

● неукоснительное исполнение поручения Президента РФ об использовании наилучших технологий и экспертного обсуждения применяемых технологий и возможных альтернатив; исполнения поручения Президента РФ об изучении современных технологий работы с мусором, данным во время поездки Президента в Хельсинки (Финляндия).

● принятие мер государственного принуждения (природоохранного и прокурорского контроля), мер прокурорского реагирования и государственного принуждения по обнаруженным нарушениям, реагирования на результаты проведённых научных экспертиз.

● исключение применения вредных технологий; внедрять зарубежные технологии стоит исключительно при отсутствии аналогичных российских и это необходимо строго контролировать. Федеральной антимонопольной службе следует активнее использовать инструменты антимонопольной политики для защиты российских производителей от иностранных конкурентов.

● проведение широкого экспертного обсуждения, научных и общественных экспертиз, сравнительного анализа обсуждаемых технологий по работе с мусором.

● изучение опыта Свердловской области о полном отказе от мусоросжигающих технологий в пользу современных отечественных.

● формирование экспертной группы российских ученых для выбора наилучших технологий и сравнительной оценки риска для окружающей среды.

● разработка финансового механизма (налоги, льготы, гранты) стимулирования разработки и внедрения природосберегающих технологий; поддержка научных исследований в области переработки мусора, внедряемых в Подмосковье, и стимулирование предпринимателей, инвестирующих в новые отечественные технологии.

● подключение санитарных служб и специалистов в области санитарной медицины для оценки воздействия продуктов и отходов производства на мусоросжигающих заводах, проведение работ по исследованию санитарных медицинских аспектов влияния технологий мусоросжигания на здоровье населения. Восстановление функционала санитарных врачей и связки «санитарный врач-прокурор» применительно к загрязнению атмосферы и почвенного слоя.

● введение жестких законодательных нормативов - мусоросжигательные заводы должны сжигать только мусор, непригодный к вторичной переработке.

● проведение открытого конкурса на выбор соответствующих таким требованиям технологий утилизации ТКО с привлечением независимых профессионалов – экологов и специалистам смежных специальностей (врачей, химиков, и т.д.).

● разработка типовых комплексных решений по технологиям, составление справочников наиболее доступных технологий с глубокой проектной разработкой.

● ведение реестра отечественных технологий мусоропереработки, и на его основе поддержка НИОКР по выбранным технологиям утилизации ТКО, что позволит реанимировать целую отрасль по переработке ТКО с сохранением отечественного рынка.

В настоящий момент отсутствуют надежные и оперативные методы аналитического контроля наиболее опасных загрязнителей, нет методик их применения. Не созданы и эффективные механизмы независимого, в том числе гражданского контроля загрязнений. Чтобы снять напряженность и опасения граждан по этому вопросу, следует обеспечить надежную независимую систему мониторинга загрязнений от МСЗ, а всем заинтересованным – обеспечить свободный доступ к результатам такого мониторинга, в том числе в режиме текущего времени.

Задача утилизации твердых продуктов сгорания, которые будут образовываться при использовании зарубежных технологий сжигания, в настоящий момент в стране не решена ни научно, ни организационно. Эксперты утверждают, что в России отсутствуют полигоны, готовые принимать продукты сгорания в предусмотренном проектами заводов количестве. В результате есть риск захоронения особо опасных отходов рядом с населенными пунктами.

Таким образом, проекты заводов по переработке мусора должны не декларативно, а технически соответствовать характеристикам лучших достигнутых мировых стандартов. Поэтому, для доработки существующих проектов заводов, с целью снижения вредного воздействия на здоровье населения и экологию региона, необходимо создание типового технического задания на завод по переработке мусора, включая в него количественные показатели по загрязнениям, отходам и выбросам. На основании такого типового ТЗ должны быть внесены изменения в ТЗ для существующих проектов.

Учитывая огромные размеры нашей страны, разрывы в концентрации населения от территории к территории, крайне важен механизм информирования о современных российских технологиях, позволяющий их сравнивать и оценивать применимость к тем или иным социальным и экономическим условиям. Для этого представляется крайне необходимым создание научно-технического инкубатора технологий переработки отходов. Он может быть создан в рамках одного из инновационных территориальных кластеров, например, на базе кластера «Физтех 21» в Долгопрудном.

Ниже остановимся на основных российских технологиях переработки твердых коммунальных отходов.

Технология высокотемпературной плазменной конверсии вещества

(Разработчики: проф. А.В. Артемов, С.А. Вощинин, к.т.н. А.В. Переславцев, Ю.А. Коломейцев)

Плазменная технология базируется на совокупном применении технологических режимов шоковой сушки, плазменной газификации, пиролиза и плавления в замкнутом цикле плазмообразующих газов. При этом осуществляются высокотемпературные превращения вещества на атомно-молекулярном уровне в замкнутом объеме высокотемпературного плазменного конвертера (ВТПК) и в нейтральной атмосфере СО2, где без доступа атмосферного воздуха создается объемная температура до 2000 ОС и среднемассовая температура до 7000 К при температуре плазменных струй до 25 000 К. В зоне плавления поддерживается температура 1500-1750 ОС, что обеспечивает образование базальтоподобной стеклообразной массы близкой по составу к природным базальтам.

При таких условиях в нейтральной атмосфере раскалённого СО2 пламенное горение, как физико-химический процесс, исключено, стабильная атомно-молекулярная структура веществ разрушается и происходит их диссоциация. Получаемые в процессе диссоциации тяжёлые атомы и молекулы захватываются расплавом силикатов, образующих базальтоподобную массу, а легкие атомы и молекулы - возгоняются в виде пирогаза, образуя поток с температурой 1300-1450 ОС. При этом, морфологический состав, структура и состояние поступающего на обезвреживание сырья не имеет принципиального значения, исключено пламенное горение, как физико-химический процесс, преобладают реакции восстановления против реакций окисления. Указанные термодинамические условия исключают синтез, генерацию и рекомбинацию супертоксикантов (диоксинов, фуранов).

Таким образом, данная технология практически исключает выбросы в атмосферу вредных газов, и полностью исключает образование и выброс вредных шлаков, золы и пепла.

Новые физические принципы - технология беспламенной паровой обработки

(Разработчик – проф. С.М. Фролов)

В 2018 г. в Институте химической физики РАН разработан и испытан не имеющий мировых аналогов импульсно-детонационный парогенератор, обеспечивающий генерацию высокотемпературного (до 2500 ºС) водяного пара (Патент РФ 2686138 от 24.04.2019; приоритет от 26.02.2018). Парогенератор предназначен для подачи высокотемпературного водяного пара в герметичный водоохлаждаемый реактор, загружаемый твердыми бытовыми и/или медицинскими отходами. В реакторе в среде такого водяного пара происходит беспламенная переработка отходов. Высокий уровень температуры водяного пара и отсутствие в реакторе свободного кислорода полностью исключают процессы горения и создают условия интенсивного протекания процесса пиролиза органической составляющей перерабатываемых отходов с образованием горючего пирогаза и твердого мелкозернистого углеродного остатка, пирокарбона, который в интервале температур 1200–1500 ºС полностью газифицируется по реакции «водяного газа» и превращается в газовую смесь простейших молекул: моноксида углерода и водорода (энергетический газ или синтез-газ).

В зоне температур 1500–1650 ºС твердые минеральные составляющие отходов расплавляются и выводятся из реактора с разделением на оксиды металлов и шлак, которые в дальнейшем используются для производства стройматериалов и изделий высокого качества (цемент, шлаковата, гранулы, плитки и др.). Часть продуктов газификации отходов в виде энергетического газа поступает в парогенератор для производства высокотемпературного водяного пара, а другая часть используется в дополнительной энергетической установке для преобразования в электроэнергию или в тепло. В утилизаторах тепла вырабатывается технологический пар, а низкопотенциальное тепло может использоваться для удовлетворения коммунальных потребностей. В реакторе, ввиду отсутствия свободного кислорода, полностью исключаются условия для образования канцерогенов, таких как полихлорированные ароматические соединения и диоксины, что принципиально отличает его от распространенных методов мусоросжигания с применением дорогостоящих фильтров. Товарная горючая газовая смесь свободна от смоляных и жировых загрязнений, твердых частиц, паров воды, а также от фтор-, хлор- и серосодержащих примесей. Оценки показывают, что для организации высокотемпературной паровой конверсии 1 т отходов требуется около 0,5 т воды. Поэтому стационарные или мобильные установки по переработке отходов с импульсно-детонационным парогенератором целесообразно размещать вблизи муниципальных или промышленных систем очистки сточных вод и использовать в них воду, уже подготовленную очистными сооружениями к выпуску в водоемы. В таких установках вода и отходы, поступающие в реактор, полностью преобразуются в полезные продукты, а выхлопной трубы для отвода дымовых газов в атмосферу в установках вообще нет.

Технология разложения в кипящем слое шлака («печь Ванюкова»).

(Разработчики – проф. А.В. Ванюков, в настоящий момент проф. З.Г. Салехов (Патент РФ)

Материалы (отходы и флюс) непрерывно загружают в печь на поверхность шлакового расплава с температурой 1400°С, интенсивно перемешиваемого кислородно-воздушным дутьем, которое подают непосредственно в объем расплава через дутьевые устройства. Таким образом происходит замешивание загружаемых материалов в шлаковый расплав и полное сгорание отходов. Их зольная часть и добавляемый флюс (кварцевый песок, известняк или другие материалы в зависимости от требуемого состава шлака) смешиваются с жидким шлаком, который непрерывно либо периодически выпускается через окно в торцевой стене печи.

Отходящие газы поступают в котел-утилизатор тепла, расположенный непосредственно над печью, и далее в систему газоочистки. Тепло отходящих газов используют для выработки тепловой и электрической энергии для собственных нужд и поставки потребителям.

Благодаря интенсивному перемешиванию расплава удельная производительность печей Ванюкова — одна из самых больших среди представленных технологий. На каждый квадратный метр рабочей площади печи возможна загрузка не менее 35 т/сут. несортированных ТКО с влажностью до 50%.

Основные отличия технологии от мусоросжигательных заводов (преимущества): Сжигание мусора при 800-1000 °С в колосниковых печах имеют существенные недостатки: образование вторичных токсичных отходов — золы и органических соединений (в том числе диоксинов), которые не могут быть использованы и требуют значительных затрат на обезвреживание. В печи Ванюкова – высокотемпературное (1400 °С и выше) сжигание ТКО, которое обеспечивает полное разрушение выделяющихся токсичных соединений, т.к. время пребывания газов в горячей зоне (не менее 2 с) достаточно для полного распада высокотоксичных органических соединений и перехода их в жидкий шлак.

Шлак полностью свободен от органических веществ, а содержащиеся в нем оксиды металлов заключены в силикатную матрицу, что исключает переход их в окружающую среду под действием атмосферных осадков и других внешних факторов.

Объем отходящих газов снижается более чем в 4 раза по сравнению с использованием воздуха, что существенно сокращает капитальные и эксплуатационные затраты на газоочистку. Выход шлака составляет 10-15% от массы загружаемых ТКО, что значительно меньше количества золы при низкотемпературном сжигании.

Утилизировать в печи Ванюкова можно как недавно образованные, так и лежалые отходы, например, при рекультивации полигонов и свалок, в том числе и после отбора компонентов для рециклинга. Сушки и сортировки отходов перед загрузкой в печь не требуется, что позволяет снизить затраты на подготовку ТКО к утилизации.

Применение обогащенного кислородом дутья позволяет обеспечить автогенную (без сжигания топлива) работу агрегата даже на влажных и несортированных ТКО;

Большое технологическое преимущество процесса Ванюкова — возможность применения одного и того же агрегата для утилизации широкого спектра отходов: ТКО, пыли, золы ТЭЦ, автомобильных покрышек, литейных земель, отработанных горюче-смазочных материалов, шламов гальванического производства, отходов нефтяной и угольной промышленности, вышедших из употребления денежных знаков, медицинских и биологически опасных отходов, осадков городских сточных вод и др.

Металлы, содержащиеся в отходах, могут переходить в жидкую фазу расплавленного металла, либо полностью переходить в шлак в форме оксидов. Шлаки можно использовать в качестве сырья для получения волокнистых теплоизоляционных материалов (минеральной ваты, стекловолокна) и других видов строительных материалов.

Отсутствие необходимости предварительной подготовки отходов, высокая удельная производительность и экологическая безопасность процесса Ванюкова позволяют в короткие сроки решить проблемы утилизации ТКО в мегаполисах с получением материальной выгоды.

Процесс Ванюкова, на котором основана технология переработки ТБПО, хорошо отработан в течение 50 лет в сфере переработки различных типов сырья и доказал свою эффективность как в РФ, так и за рубежом. Сегодня действуют две печи в городе Балхаше (Республика Казахстан), две печи в Норильске, две печи в городе Ревда (Свердловская обл.), одна печь двухзонной конструкции в городе Орск, и печь в городе Алмалык, Узбекистан.

Технология низкотемпературного термолиза в спиральном реакторе

(Разработчик – проф. К.З. Бочавер (Патент РФ)

Низкотемпературный термолиз (НТТ) производится при умеренной температуре в циркулирующем газе и водяном паре – выносителях тяжелых углеводородов из зоны реакции. Процесс происходит в непрерывном режиме, в спиральных реакторах, что делает его рентабельным и легко автоматизируемым. Важно, что отходы при этом не требуется осушать, так как процесс термолиза проводится в присутствии водяного пара. Спиральный реактор сочетает в себе положительные свойства разных типов реакторов, превосходя их по ряду показателей.

Термолиз имеет на выходе ряд полезных и легко реализуемых продуктов: синтетическую нефть - смесь легких и тяжелых углеводородов – аналог природной нефти, низкозастывающий, бессернистый продукт, и активный уголь – продукт, востребованный во многих отраслях промышленности и быта. Оборудование для установок термолиза не является дефицитным и дорогостоящим, легко поддается автоматизации, защищено патентами РФ. Расчетная стоимость установки термолиза ТКО на заводе производительностью 50 тысяч тонн в год ТКО составит около 100 млн рублей.

По сравнению с другими способами переработки ТКО, при низкотемпературном термолизе образуется меньше газа и больше жидких и твердых продуктов. Это дает ему преимущество в том, что при непостоянстве состава сырья и потребления продуктов, аккумуляция последних значительно проще и дешевле. Использование подобной установки для переработки ТКО позволит производить полную (безотходную) и рентабельную утилизацию и, как следствие, закрыть вывоз ТКО на полигоны.

В настоящее время уже создана опытная установка пилотного масштаба. По результатам этой работы будет скорректировано задание на строительство промышленной установки, которая создается в г. Белгороде. Сравнение с производством злектроэнергии из ТКО сжиганием показывает, что предлагаемая схема зкономически и экологически в несколько раз выгоднее. По предлагаемой схеме возможно производить полную рекультивацию уже существующих свалок, и, тем самым освободить значительные площади земель для полезного использования.

Классический пиролиз

(Разработчики – проф. Г.М. Золотарев и А.В. Блинов и др.)

Одним из способов переработки отходов является многим известный, экологически безопасный и экономически эффективный метод пиролиза. Сущность метода заключается в том, что заранее подготовленное сырьё (отходы) нагреваются в реакторе без доступа воздуха до определенной температуры, в результате чего происходит их термическое разложение без процесса горения. Образующиеся газы направляются в систему конденсации и очистки, в котором при пониженной температуре происходит их преобразование в жидкое топливо. Остаточные летучие газы направляются в специальный дожигатель и на доочистку. В термохимических реакциях участвуют все составляющие элементы твердого топлива, за счет чего в отходящих газах отсутствуют смолы, углерод, а также тяжелые металлы.

Другими словами, пиролиз — это термическое разложение органических соединений (древесины, нефтепродуктов, угля и т. д.) без доступа воздуха. Из молекул органических отходов в результате пиролиза образуются менее сложные частицы, молекулы простых органических соединений и зола; продукты пиролиза могут использоваться как сырье для химических производств и топливо. Пиролиз является одним из самых перспективных направлений переработки ТКО с точки зрения, как экологической безопасности, так и получения полезных товарных продуктов.

Размещение пиролизных установок вблизи городов может стать решением ряда проблем в области не только экологии, но и энергетики. Сравнивая метод пиролиза с обыкновенным сжиганием отходов можно выделить его существенные преимущества:

1. Пиролиз позволяет перерабатывать в жидкое топливо, тепловую и электрическую энергию различные отходы, которые трудно поддаются деструкции. К ним относятся пластмасса, автопокрышки, медицинские отходы и прочее.

2. Загрязнения окружающей среды при использовании пиролиза сведены к минимуму, поскольку в конечных продуктах отсутствуют опасные для человека и окружающей среды вещества.

3. Оборудование, необходимое для реализации пиролиза, требует не больших капитальных вложений и затрат на обслуживание по сравнению с другими технологиями переработки отходов, в связи с отсутствием энергопотребления извне для обеспечения работы установки.

4. Переработка пиролизным методом приносит доходы преобразуя отходы во вторичное сырьё и энергоносители.

Но главное преимущество пиролиза по сравнению с непосредственным сжиганием отходов заключается в его экологической безопасности и энергоэффективности. С помощью пиролиза можно перерабатывать как смешанные отходы(ТКО), так и раздельные резину, автопокрышки, пластмассы, отработанные масла, сельскохозяйственные отходы. Образующийся углеродный остаток после пиролизной переработки является вторичным сырьём. В целом процесс требует меньших капитальных вложений.

В связи с вышеизложенным, переработка углеродсодержащих отходов методом пиролиза является наиболее перспективным и приоритетным направлением.

Реализовано более десяти проектов различных моделей пиролизных установок как на территории России, так и за рубежом.

Технология Двойной газификации отходов в синтез-газ

(Разработана в 80-90 гг. учеными Курчатовского института)

Технология двойной газификации является симбиозом пиролизных и плазменных технологий и предназначена для переработки отходов всех видов и классов опасности. Суть технологии состоит в следующем:

● на первой стадии - это медленный пиролиз – газификация органики при 450-600 0С без доступа кислорода, когда все органические отходы превращаются в синтез газ. Газифицируются любые отходы, независимо от типа и состава.

● на второй стадии происходит высокотемпературный нагрев (более 2000 0С) синтез газа при помощи мощного плазматрона до нужного в синтез газе соотношения водорода и угарного газа. При этом происходит полное разложение всех вредных органических компонентов – диоксинов, фуранов, и пр.

Получаемый синтез газ – ценное химическое сырье, из которого из которого рентабельно получается востребованный на рынке необходимый конкретный продукт – метанол, этанол, меприн, эприн, водород, экологическое топливо для автотранспорта и авиации, электроэнергия и тепло для технологических нужд переработки без выбросов и захоронений, с низкими тарифами с населения за утилизацию.

Основные характеристики технологии:

● экологическая чистота, обеспечивается экологически безопасную утилизацию без выбросов вредных газов и опасных захоронений,

● в синтез-газ утилизируется до 95% отходов, зольных остатков не более 5 процентов, и они минерализуются для применения в строительных материалах для дорог,

● не требуется сортировка и измельчение отходов,

● может использоваться практически для любых отходов, в том числе для утилизации медицинских отходов, жидких иловых осадков сточных вод, отходов производства и потребления, включая боевые отравляющие, взрывчатые вещества, особо опасные медицинские отходы, уже захороненных отходов, находящихся на полигонах (ликвидация полигонов),

● невысокая стоимость переработки,

● стоимость строительства предприятий, реализующих данную технологию, меньше, чем сопоставимых по мощности переработки ТКО МСЗ,

● за счет производства коммерчески востребованных продуктов на выходе, предприятия с указанной технологией окупаются в течение 3-7 лет (зависит от вида продукта на выходе). В случае утилизации ТКО это позволяет уменьшить тарифы на вывоз мусора до минимума.

Технология двойной газификации отходов была разработана для решения широкого круга задач, одной из которых является преобразование любых видов отходов в электроэнергию и другие полезные материалы и является технологией промышленного использования, имеет коммерчески успешные внедрения по всему миру (Япония, Индия, Англия, Китай, Канада, США и т.д.). Построено свыше 60 заводов плазменной газификации (к сожалению, за исключением России). Применение плазменной газификации неотъемлемо связано с Киотским соглашением по уменьшению воздействия СО2 на атмосферу.

Технология прошла экспертизу как в России, так и у ведущих зарубежных экспертов. Первый завод на основе технологии плазменной газификации был разработан советскими учеными в Курчатовском институте. На Парламентских слушаниях «Правовое обеспечение государственной политики в области экологического развития» 04.03.2014 г, в связи с высокой эффективностью и экологической безопасностью было рекомендовано строить на территории РФ заводы плазменной газификации.

В настоящее время производством экологически чистых заводов по переработке отходов с применением плазменной газификации владеет канадская корпорация AlterNRG Corp. Полномочным представителем в России является Автономная некоммерческая организация «НПИ комплексных исследований и прогнозирования «Территория Развития» г. Москва.

Комплекс ЭКУОТ (Патент РФ)

(Разработчик - к.т.н. С.И. Лавров)

Экологический комплекс утилизации отходов (далее – ЭКУОТ) ориентирован на комплексный подход в решении проблемы с отходами, включающий отбор полезных продуктов для вторичного использования (рециклинга) и далее без применения полигонов для хранения отходов – глубокую безотходную переработку углеродосодержащих отходов в полезную товарную продукцию (жидкое топливо котельное, пиролизный биогаз, углистый остаток (технический углерод)) и затем, при необходимости, их доработка до аналогов традиционных топливных продуктов, таких как низкооктановый бензин, дизельное топливо, керосин, печное топливо (аналог мазута), твердотопливные брикеты, а также производство на их основе электрической и тепловой энергии. Возможно применение ЭКУОТ для рекультивации существующих санкционированных и несанкционированных объектов накопления и хранения ТКО.

Скомплектованное в единый технологический комплекс оборудование ЭКУОТ позволяет добиться безотходной переработки ТКО и ПО без применения полигонов, а также производить рекультивацию существующих действующих и законсервированных полигонов и несанкционированных свалок, получить экономический эффект и приемлемые сроки окупаемости от его внедрения.

Данная инновационная технология сопровождается патентом на изобретение и позволяет вести деятельность по переработке отходов без вредных выбросов в окружающую среду в герметичных пиролизных агрегатах без доступа кислорода, что подтверждается протоколом исследования в рамках проведения производственного контроля при работающем оборудовании ЭКУОТ. В отличии от мусоросжигания, технология ЭКУОТ, в части переработки отсортированных ТКО и ПО это классический пиролиз, процесс, исключающий прямое горение. Вредные выбросы в окружающую среду по всей технологической цепочке фактически отсутствуют, т.к. продукты, получаемые в процессе пиролиза, по замкнутому герметичному циклу поступают, как для производства аналогов альтернативных топливных продуктов и твердотопливных брикетов, так и для производства электрической и тепловой энергии.

ЭКУОТ включает в себя следующие блоки оборудования:

1. Оборудование сортировки ТКО и ПО.

2. Конвейерное оборудование для транспортирования ТКО и ПО.

3. Оборудование для подготовки ТКО и ПО: дробление, измельчение, сушка за счет энергии, образующейся в процессе эксплуатации оборудования комплекса.

4. Модули переработки углерод-, водородсодержащих ТКО и ПО (иловых осадков и «хвостов» сортировки ТКО и ПО) путем низкотемпературного пиролиза с получением топливных продуктов в виде газа, жидкого топлива и технического углерода.

5. Оборудование и резервуары для сбора и хранения газообразных, жидких и твердых топливных продуктов.

6. Оборудование подготовки газообразного топлива для генерации энергии.

7. Оборудование по доработке жидкого топлива и производству аналогов керосина, низкооктанового бензина, дизельного топлива (основная фракция выхода), мазута, гудрона.

8. Когенерационная станция для производства тепловой и электрической энергии.

Оборудование переработки ЭКУОТ (позиция № 3 вышеуказанного списка) изготовляется в модульном исполнении. Модуль переработки ЭКУОТ состоит из блоков:

● блок пиролиза, состоящий из пиролизного агрегата с системой вращения, системой нагрева, системой отвода отработанных газов на сушилки, системой контроля и автоматики;

● блок конденсации парогазовой смеси, состоящий из системы фильтрации, теплообменников, скрубберов, запорной арматуры, компенсационных муфт, контрольно-измерительной аппаратуры, энерго-коммутационного шкафа и АСУ.

Мощность одного модули переработки – до 20 тонн в сутки.

В настоящее время разработана техническая документация (технологическая, конструкторская, технологический регламент, технические условия производства оборудования), изготовлен, испытан и имеется в наличии опытно-экспериментальный образец, дислоцирующийся на очистных сооружениях городского округа Клин Московской области в д. Ямуга. Проработана схема кооперации машиностроительных заводов РФ для производства оборудования ЭКУОТ (формализованы взаимоотношений в виде писем, протоколов, предварительных договоров, договоров поставки), а также наработан круг потенциальных заказчиков, осуществляется деятельность по включению технологии в библиотеку лучших технологий, которая администрируется Публично-правовой компанией «Российский экологический оператор».

В рамках опросов и исследований, проведенных разработчиками, технология и оборудование, вызывают интерес в профессиональной среде в сфере обращения с отходами, в связи с тем, что в процессе реализации комплексного подхода к данному вопросу, возможна бесполигонная и безотходная глубокая переработка ТКО с получением полезной продукции, имеющей рыночный спрос.

Этот фактор безусловно вызовет экономическую заинтересованность региональных операторов и иных участников рынка обращения с отходами, повысит инвестиционную привлекательность данной отрасли, сбалансирует проводимую тарифную политику и изменит тренд привлекательности коммерческого участия в этих процессах из расчета только на плату, установленную в пределах утвержденного единого тарифа на услугу регионального оператора или договорными условиями (в случае обращения с ПО) – на получение сопутствующих доходов (значительно превышающих указанную плату) от реализации товарной продукции, получаемой в процессе обращения с отходами, что в конечном итоге позволит удержать от повышения тарифы для населения и сократить расходы промышленных предприятий.

Советская технология «Пироксел»

(Разработчик – проф. Л.А. Волохонский)

Опытная промышленная установка «Пироксел», производительностью 25 тыс. тонн в год, работала два года в Москве на территории автора технологии – института ВНИИЭТО (Новгородская ул., 29). Накопив определенный опыт в утилизации твердых бытовых, медицинских и части промышленных отходов, институт в 1998 году получил положительные заключения Государственного комитета РФ по охране окружающей среды и Главгосэкспертизы России, однако до сих пор не нашлось инвестора, готового вложить средства в развитие данного направления.

Сейчас первая установка «Пироксел» демонтирована, хотя сама технология была с успехом представлена в печати и ряде выставок, в том числе за рубежом (Вашингтон, Рим, Сан-Франциско, Кельн, Мадрид).

Технология Пироксел исключает традиционный недостаток пиролиза по классической технологии - сложность обезвреживания как газов, так и твердого остатка. Стадии сушки и пиролиза фактически совмещены во времени и пространстве. Газы этих стадий объединены и направляются в термическую печь с низким температурным потенциалом. Практика показывает, что как бытовые, так и промышленные и медицинские отходы содержат соединения хлора, фтора, серы, фосфора и другие, которые при термическом разложении образуют кислые газы, диоксины, фураны, полиароматические углеводороды и другие соединения, наличие которых в продуктах термопереработки отходов требует дополнительных мероприятий для их устранения: определенного температурного уровня, времени пребывания, окислительной или восстановительной среды и тому подобные условия.

Технология Пироксел включает стадию предварительной сушки отходов, и лишь потом стадию пиролиза высушенных отходов с разделением их на твердый остаток и газы, стадию высокотемпературной отработки зольного остатка и газы пиролиза шлакометаллическим расплавом в присутствии соединений щелочноземельных металлов в ванне термической печи. Отходящие газы предварительной сушки и газы стадии обработки твердого остатка и газов пиролиза в ванне термической печи направляют в реактор для дожигания, и предварительную сушку отходов осуществляют продуктами дожигания газов.

Таким образом, стадию пиролиза высушенных отходов осуществляют при температуре 700-900oC и коэффициенте расхода воздуха 0,5-0,6, а обработку твердого остатка и газов пиролиза ведут при температуре 1300-1500 oC и коэффициенте расхода воздуха 1,05-1,2, при этом предварительную сушку и дожигание газов в реакторе проводят в присутствии нейтрализующих реагентов - соединений щелочных металлов.

Осуществление предварительной сушки отходов продуктами дожигания газов позволяет исключить расход топлива на процесс, повысить его надежность, а также улучшить экологические показатели по выбросам за счет рецикла газов. В этом случае сушильным агентом являются дымовые газы, содержащие значительное количество водяных паров, что позволяет интенсифицировать процесс сушки за счет увеличения парциального давления водяных паров у поверхности испарения, что увеличивает движущую силу испарения.

Пример реализации технологии. Отходы загружались во вращающийся барабан, где подогревались отбираемым из реактора газом до температуры 200-300 oC. В процессе сушки в барабан впрыскивался 10%-ый раствор соды. Из сушильного барабана подогретые отходы подавались на наклонный под пиролизной камеры, где проводилось их пиролитическое разложение на газообразную и твердую составляющие при температуре 700–900 oC. Окислитель подавался через трубчатые толкатели, расположенные в поду пиролизной камеры, при этом коэффициент расхода воздуха поддерживался в пределах 0,5 - 0,6. Образующийся зольный остаток из пиролизной камеры поступал в плавильную ванну электропечи. Попадающие в плавильную ванну обезвоженные и разогретые до 900 oC остатки углеродистой составляющей шихты попадают на поверхность шлака, разогреваемого графитовым электродом до температуры 1300-1500 oC. Шлаковая ванна поддерживалась в жидком состоянии за счет пропускания через нее электрического тока силой 3,5-5 кА, который подводился от источника питания с помощью графитового электрода. Пиролизные газы также попадают в электрическую печь и омывают поверхность шлака, подвергаясь воздействию высоких температур. В процессе обработки зольного остатка и газов шлакометаллическим расплавом в печь подаются кальцийсодержащие добавки. Основное назначение кальцийсодержащих добавок - связать хлор, фтор и другие галогены, а также серу, фосфор в прочные шпинели с оксидами кремния и алюминия, что позволяет в определенной степени предотвратить образование диоксинов и фуранов на последующих элементах газового потока, а также снизить вероятность «проскока» сернистого и фосфорного ангидридов в дымовую трубу. В процессе обработки зольного остатка и пиролизных газов шлакометаллической смесью в плавильной печи поддерживается кислородный эквивалент в пределах 1,05-1,2, чем обеспечивается полное дожигание органических компонентов зольного остатка. Оксиды меди, хрома, марганца и ряда других металлов, находящиеся в зольном остатке, в значительной степени восстанавливаются твердым углеродом или его оксидом, образуя на подине плавильной ванны слой чугуна, легированного этими металлами. Невосстановленные оксиды тяжелых металлов попадают в шлак. По мере накопления массы жидкого слоя чугуна и шлака осуществляется их периодический выпуск через леточные отверстия.

Газы сушки и пиролиза подаются в реактор для нейтрализации «проскочивших» кислых газов и окислов азота. В реактор впрыскивается щелочной нейтрализатор - сода. Очищенные газы из реактора частично подаются в барабан для сушки отходов, а основная часть передается в систему пылеочистки и выбрасывается затем в атмосферу.

Сравнение предложенного способа термической переработки твердых отходов с известными способами показало, что содержание вредных и токсичных веществ на входе в систему пылегазоочистки при использовании заявляемого способа снижается в несколько раз. Так, содержание хлороводорода и фтороводорода снижается в 2-3 раза, оксидов азота - на 20-30%, оксидов углерода в 1,5-2,0 раза, полиароматических углеводородов в 1,5-1,8 раза.

Современный Пироксел-2

(Разработчики – проф. В.С. Морозов, В.Я. Ходырев и А.Д. Анисимов)

После смерти разработчика технологии Пироксел проф. Л.А. Волохонского его ученики обратились к генеральному директору ВНИИЭТО с просьбой разрешить представлять технологию «Пироксел», и получили на то согласие. В настоящий момент технология не только поддерживается в рабочем состоянии, но в нее весен ряд изменений, главные из которых – выработка электроэнергии, производство холода и возможность ее использования как эффективного способа борьбы с несанкционированными свалками. Помимо этого, решен вопрос о необязательности проведения селективного сбора отходов и предварительного отбора вторичного сырья перед переработкой. Сегодня установка вырабатывает тепло (а при наличии потребности – холод) и электроэнергию, а также два вида вторичного сырья: металл в слитках и базальтового типа остеклованный шлак (при внесении некоторых добавок возможно вместо шлака получение базальтового утеплителя). Продажа энергии и вторичного сырья с лихвой окупает доходы, получаемые от селективного сбора и отбора вторичного сырья. Окупаемость строительства по предлагаемой технологии составляет пять и менее лет.

Чем отличается предлагаемая технология от любой другой? Тем, что она является высокотемпературной и термохимической, максимальная температура в ней составляет 1500 °С. По температурному режиму технология находится на стыке между плазменной и обычной технологиями сжигания. В рабочей зоне отечественной плазменной технологии академика Ф.Г. Рутберга температура составляет 1400–1800 °С, в обычной технологии сжигания – 850–1100 °С. Предлагаемая установка «Пироксел» имеет температурный режим переработки отходов 1200–1500 °С. Установка герметична и работает в автоматическом режиме. Наличие различного типа датчиков позволяет непрерывно корректировать процесс переработки отходов, поддерживая необходимую температуру их горения за счет корректировки подачи подогретого воздуха и природного газа.

Установка по переработке отходов состоит из четырех взаимно связанных блоков: барабан для сушки отходов потоком отходящих газов; футерованная печь для сжигания органических отходов (температура 1200–1300 °С); футерованная металлургическая электропечь для сжигания несгоревших органических отходов, плавления металлов и минерального остатка, а также для уничтожения тяжелых металлов внесением в печь кальцийсодержащих добавок. Температура в электропечи – до 1500 °С. Выпуск металла и шлака производится из двух леток, расположенных в разных уровнях. Четвертый блок – гранулятор для производства остеклованного шлака.

В технологии предусмотрена трехступенчатая термохимическая очистка дымовых газов. Проходит она в трех последовательно соединенных камерах – дожигания, нейтрализации и восстановления азота. Камера дожигания работает при температуре 1200 °С, которая при необходимости поддерживается подачей природного газа и подогретого воздуха. Для уничтожения диоксинов и фуранов дымовой газ находится в камере не менее двух секунд. Далее газ поступает в камеру нейтрализации, где он нейтрализуется 10% раствором соды, а затем поступает в камеру восстановления азота, в котором восстанавливается азот 1,5% раствором карбамида, причем расход присадок составляет в среднем 12 кг на тонну перерабатываемых отходов. На выходе из блока термохимической очистки температура дымовых газов составляет 1050 °С. Очистка дымовых газов от пыли производится перед выбросом их в атмосферу в электро- и тканевом рукавных фильтрах при температуре 220–180 °С, степень очистки газов – 99,5%. Пыль с фильтров периодически стряхивается сжатым воздухом и направляется в установку на вторичную переработку. Выброс в атмосферу включает в себя до 44% азота, 47% водяного пара, около 3% кислорода и 6% углекислого газа, а содержание токсичных веществ не превышает требования отечественных и зарубежных нормативов. Содержание токсичных веществ в дымовых газах, мг/м : оксид углерода (СО) – 50; оксиды азота (NOх) – 80; оксиды серы (SОх) – 50; хлористый водород (HCL) – 10; фтористый водород (HF) – 10; свинец, медь (суммарно) – 0,05; кадмий, мышьяк, цинк (суммарно) – 0,05; диоксины – 0,1 нг; пыль – 10.

Выработка тепла и электроэнергии производится при охлаждении дымовых газов в температурном диапазоне от 1050 до 230 °С. Количество тепла и электроэнергии на продажу определяется заказчиком, но не более чем 3 Гкал (тепло) и 750 кВт∙ч (электроэнергия) на тонну перерабатываемых отходов (без учета внутреннего потребления). С целью предотвращения рекомбинации диоксинов и фуранов дополнительно при температуре 450 °С производится закалка дымовых газов. Закалка выполняется в скруббере впрыскиванием в него необходимого количества распыленной воды. Пар, образующийся при впрыскивании воды, используется для выработки тепла или электроэнергии.

Важная особенность современного состояния технологии Пироксел-2 заключается в том, что все технологическое оборудование (за исключением компьютеров) изготавливается на отечественных предприятиях.

Основные законодательные акты

Федеральный закон РФ от 24.06.1998 № 89-ФЗ «Об отходах производства и потребления»;

Постановление Правительства РФ от 12.11.2016 № 1156 «Об обращении с твердыми коммунальными отходами и внесении изменения в постановление Правительства Российской Федерации от 25 августа 2008 г. № 641»;

Постановление Правительства РФ от 31.08.2018 № 1039 «Об утверждении Правил обустройства мест (площадок) накопления твердых коммунальных отходов и ведения их реестра».

Литература

1. Экономика и управление жилищно-коммунальным хозяйством: Учебник / Под общ. ред. докт. экон. наук, проф Грабового П.Г., докт. экон. наук, проф. Кирилловой А.Н. - М.: Издательство АСВ, «Просветитель», 2019. - 672 с.

2. Социальное благополучие человека: правовые параметры / Под общ. Ред. Проф. Комаровой В.В. – М.: Норма Инфра-М, 2019, 240 с.

3. Демин А.В., Рыбальченко И.В., Государственное и муниципальное управление системой субурбанизации городской среды// Муниципальная академия. 2019. № 5. с. 104-109

4. Демин А.В., Рыбальченко И.В., Современные приемы муниципального администрирования жилищной и коммунальной сферы с учетом возможностей институтов гражданского общественного контроля// Муниципальная академия. 2019. № 3. с. 29-38.

В.С. Рыбальченко,

профессор, кафедра общей и неорганической химии,

РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, г. Москва,

И.В. Рыбальченко,

эксперт по ЖКХ Общероссийского народного фронта,

секретарь совета Гражданского комитета России, г. Москва.