В.В. Бушихин, О.Н. Кайгородов, Г.М. Полозов, О.Е. Федосеев 

Одним из  путей снижения потребления дорожающих минеральных энергоресурсов при промышленном производстве и в энергетике в настоящее время является использование альтернативных топлив (АТ), полученных из отходов различной природы. Известно, что в странах ЕС существует законодательно оформленное целое направление в утилизации отходов - производство АТ. На таких топливах, без ущерба для экологии, работают множество предприятий, производящих цемент, гипс и другие строительные материалы, вырабатывающих тепло и электроэнергию, предприятиях металлургии.

Следует отметить, что сегодня в ЕС существуют предприятия, использование альтернативных видов топлива различной природы  на которых, достигает 100% от общего потребления топлива. При этом, природный газ в промышленности ЕС используется только как резервное топливо, или как вспомогательное – для поддержки горения трудно сгораемого топлива, углеродсодержащих отходов и розжига. В статье авторы рассматривают основные проблемы вовлечения в хозяйственный оборот части образующихся отходов (на примере ТБО) в виде АТ и пути их решения.

Различные типы АТ, замещая ископаемые виды топлива, тем самым решают 2 важнейшие задачи: сохранность (экономия) природных ресурсов и утилизация части образующихся в процессе потребления и использования товаров и услуг отходов.

Почему перерабатываются не все фракции ТБО? Потому что, мы говорим о наиболее легко, с минимальными затратами, извлекаемых фракциях, таких как вторичное сырье (Al банки, полимеры, бумага, ПЭТ бутылки и т.п.), имеющее устойчивый рынок сбыта и АТ (калорийные фракции). Дальнейшее извлечение полезных ресурсов из ТБО сопряжено с резким ростом вложений и удорожанием самого процесса .

На настоящий момент в РФ, кроме проблем законодательства по обращению с отходами и экологического законодательства, недостатка экономических стимулов в обращении с отходами, отсутствует ясное представление о круге вопросов, которые необходимо решить для снижения объемов отходов подлежащих захоронению.

На наш  взгляд ключевым моментом наведения порядка в системе оборота отходов, кроме административных мер, является то, что продукты, получаемые из отходов должны являться товаром со всеми необходимыми атрибутами.

Так как отходы (в целом) и продукты, из них получаемые, не охарактеризованы с точки зрения их потребительских характеристик, то их дальнейшее использование как товара проблематично. Поэтому, схема перевода продукции, получаемой в процессе обращения с отходами, в товар должна включать стадии ее идентификации и паспортизации.

Получение необходимых для идентификации и паспортизации характеристик отходов (в целом), и продуктов, из них получаемых, по морфологическому и химическому составам, физико-химическим свойствам позволят разработать Технические Условия (ТУ) на способ переработки отходов (в целом), и продуктов, из них получаемых, произвести сертификацию продуктов, получаемых из отходов, и найти потребителя на эти продукты. Данные характеристики также служат основанием для оценки воздействия и разработку мер защиты окружающей среды при их производстве и дальнейшем использовании, а также для организации выходного и входного контроля продукции.

В частности АТ, произведенное из отходов должно иметь сертификат соответствия и ТУ, разработанные в соответствие с требованиями потребителя топлива.

Прежде чем рассматривать возможность производства и использования того или иного вида АТ, следует принять во внимание необходимость решения следующих задач:

● подбор отходов, подходящих по своим физико-химическим свойствам;

● проведение широкого морфологического и физико-химического анализа отходов;

● разработка технологии предварительной подготовки отходов; по сути, производства альтернативного топлива (выделение топливных фракций из массы отходов, сушка, газификация и т.п.) для подачи их на горелку.

При производстве стройматериалов, следует учитывать производственные условия, состав сырьевых материалов и основного топлива, точки питания, используемый способ очистки отходящих газов, а также проблемы работы с данным конкретным видом АТ и требования, предъявляемые существующими правилами. При выработке тепловой и электрической энергии следует учитывать производственные условия, вид основного топлива, горелку, используемый способ очистки отходящих газов, систему шлакоудаления, а также проблемы работы с данным конкретным видом АТ и требования, предъявляемые существующими правилами.

В качестве основы для получения АТ, используется широкий ряд отходов. Отходы могут быть твёрдыми, жидкими или пастообразными, что определяется их происхождением. Соответственно, для производства (извлечения) из них АТ требуется предварительная обработка, часто довольно серьезная: сепарация, измельчение, смешивание, сушка и т.п., дающая в итоге гарантии постоянства его состава и качества.

Наряду с влажностью и зольностью, важными характеристиками и параметрами топлива из отходов являются его теплотворная способность, содержание серы, хлора и тяжёлых металлов (особенно ртути, кадмия и таллия). Кроме того, необходимо, чтобы топливо обладало определенными геометрическими характеристиками, определяемыми транспортной системой подачи АТ на горелку и размером сопел самой горелки. 

Оценка пригодности топлив из отходов, как правило, базируется на максимально допустимых концентрациях вредных веществ в отходах.

Также, должны быть приняты во внимание специфические производственные условия конкретного предприятия, которые должны базироваться как на требованиях производственной практики, так и на установленных нормах и технологических регламентах.

В частности АТ, поставляемое потребителю как товар, со своими ТУ и сертификатом соответствия, позволит значительно уменьшить количество мероприятий, связанных с решением организации приемки, хранения и подачи на горелку, а также с получением разрешений на использование АТ в производственном цикле без лицензирования работы с отходами,  и соответственно удешевить и ускорить процесс внедрения.

Ниже, для сравнения, приведены характеристики теплотворной способности и зольности некоторых материалов, используемых в качестве альтернативного топлива.

Таблица 1. Характеристики теплотворной способности и зольности видов топлива из опасных и не опасных отходов

Из всего многообразия отходов, в современных условиях на наш взгляд наиболее целесообразно и экономически оправданно использование в качестве основы для производства АТ: ТБО, отработанных железнодорожных шпал и изношенных автопокрышек. Это также обусловлено их большими количествами и повсеместностью распространения. Такие АТ, без ущерба для экологии, найдут применение на предприятиях, производящих цемент, известь и другие строительные материалы, а также вырабатывающих тепло и электроэнергию.

Конкретные примеры получения и определения характеристик АТ по отработанным методикам подготовки и анализа различных видов АТ с  получением сертификатов  соответствия и разработанным Техническим условиям представлены ниже:

1. Альтернативное топливо, получаемое из отходов (хвостов) сортировки твердых бытовых отходов, т.н. RDF (Refuse Derived Fuel);

2. Альтернативное топливо, получаемое из железнодорожных шпал;

3. Альтернативное топливо, получаемое из отработанных автопокрышек;

4. Альтернативное топливо, получаемое из отходов переработки б/у автомобилей.

Возможно применение других видов альтернативного топлива имеющих жидкое и пастообразное состояние, получаемых из нефтешламов, использованных растворителей, остатков красок или отработанного масла, вплоть до обезвоженных илов очистных сооружений, с подходящими теплотворными характеристиками. Их исследование будет производиться в дальнейшем, по мере необходимости.

Очень важным моментом является то, что химия одних и тех же топлив может очень серьезно различаться в зависимости от региона их образования. Так исследования топлив, произведенных из хвостов сортировки ТБО в Санкт-Петербурге и в Подмосковье, показали существенную разницу в морфологическом, химическом составе и зольности, но в то же время равные данные по содержанию хлора – около 0,8%. Это же замечание касается таких, казалось бы, однородных отходов, как ж/д шпалы.

Надо отметить, что RDF является наиболее распространенным, точнее распропагандированным альтернативным топливом в РФ. Большинство организаций, занимающихся обращением с ТБО, рассматривает возможность модернизации своих мусоросортировочных комплексов под производство RDF. RDF – единственный вид АТ, для которого в РФ сложилась рыночная цена, составляющая 1000 – 1500руб за 1т RDF с доставкой потребителю.

Потребителю в такой поставке плюс в том, что ему не нужно заниматься вопросами производства топлива из ТБО, он получает готовый продукт. Потребителю достаточно вложиться только в систему подачи топлива на горелку и м.б. в саму горелку. При этом, RDF, в отличие от других видов альтернативного топлива является неиссякаемым источником. С поставщиком RDF можно заключать контракты на годы вперед.

 В то же время, нужно принять во внимание, что такой потребитель АТ, как цементный завод, имеет возможность работы и на низкокалорийных, высоковлажных топливах, таких, например, как нефтешламы или обезвоженные илы очистных сооружений, только в этом случае он скорее выполняет роль утилизатора, и должен получать плату за сжигание таких АТ.

В таблице 2. ниже приведены некоторые характеристики RDF, г. Санкт-Петербург 2011г.

Таблица 2. Отдельные характеристики RDF(Refuse Derived Fuel)

С участием авторов статьи были проведены натурные испытания по подаче RDF в печь на одном из цементных заводов Ленинградской Области. Опыт подачи RDF, разработанного и исследованного для условий сжигания на цементной печи, при подаче на печь в течение всего 2012 года показал следующие результаты:

Уровни концентраций канцерогенов (бенз(а)пирена) не превышают нормативы выбросов в атмосферу и также могут считаться безопасными.

Значение параметров вредных выбросов в атмосферу (диоксинов и фуранов) не превышают нормативы выбросов в атмосферу и также могут считаться безопасными.

Таблица 3. Суммарное содержание ПХДД/ПХДФ в выбросах с учетом токсических эквивалентов, в пересчете на 2,3,7,8-ТХДД

Примечание: * Замеры осуществлялись в двух точках выбросов в разное время в процессе 72 часовых испытание по подаче RDF в цементную печь.

Уровни концентраций основных контролируемых загрязнителей, включая тяжелые элементы, наблюдаемые в выбросах при использовании альтернативного топлива, существенно не отличаются от соответствующих характеристик, приведенных в существующем томе ПДВ без подачи RDF;

Граница санитарно-защитной зоны не изменилась;

Качество клинкера не ухудшилось и соответствует требованиям ГОСТа.

Процент замещения может составлять до 40% без изменения качественных показателей производства.

По расчетам авторов статьи, экономический эффект от внедрения АТ на цементных предприятиях позволяет окупить вложения в реконструкцию предприятия, необходимую для перехода на АТ, в срок не более 3-4 лет. Дальнейшая прибыль ложится на снижение себестоимости цемента, а значит повышение конкурентоспособности предприятия.

К сожалению, за редким исключением, в РФ необходимость внедрения АТ лучше всех понимают иностранные производители цемента, такие как Лафарж и Heidelbergcement. Среди отечественных производителей выделяется лишь ОАО «Мордовцемент». Поскольку использование АТ возможно не только на цементных предприятиях но и на других заводах строительной отрасли (известковые, гипсовые и т.п.), а также в металлургии и энергетике, авторы не оставляют надежды на повсеместное внедрение АТ, особенно в свете улучшения законодательства РФ в области энергосбережения и экологии. В частности в 2010г. вышли ГОСТы на АТ, что является большим шагом вперед.

Наш опыт показал, что уже сегодня, не дожидаясь каких либо специальных решений государственных органов или льгот, есть решения по экономии топливо-энергетических ресурсов, снижения экологической нагрузки и экономически целесообразного сотрудничества. Необходима только воля заинтересованных сторон, то есть нас с Вами и государства.

Литература

1. Б.Г.Санеев, А.В.Лагеров, В.Н.Ханаева и А.В.Чемезов. Перспективы развития электроэнергетики России в ХХI веке и выбросы парниковых газов – «Энергетическая политика», 2003, вып.1, с. 5-12

2. Губерт Байер, Состав и горючие свойства различных видов твердого альтернативного топлива, ж. «Цемент Известь Гипс», №3/2010

3. Бушихин В.В. «Мир без отходов», ж. «Бизнес сегодня» март 2008

Сведения об авторах

Ранский Анатолий Петрович, д-р хим. наук, проф., зав. кафедрой химии и химической технологии, Винницкий национальный технический университет, Хмельницкое шоссе, 95, Винниця, 21021, Украина. Тел. +38 (0432) 65-97-27, моб. +38 (067) 636-66-54. E-mail

Титов Тарас Сергеевич, аспирант, кафедра химии и химической технологии, Винницкий национальный технический университет, Хмельницкое шоссе, 95, Винниця, 21021, Украина. Тел. +38 (0432) 50-48-09, моб. +38 (097) 892-24-38. E-mail

Полонец Ольга Витальевна, ассистент, кафедра фармацевтической химии, Винницкий национальный медицинский университет им. Н. И. Пирогова, ул. Пирогова, 56, Винница, Украина, 21018. Моб. +38 (098) 449-44-10. E-mail

Балашевская Ю. В., Севастопольский национальный университет ядерной энергии и промышленности, Севастополь, Украина

Герлига В. А., Севастопольское отделение научно-технической поддержки Обособленного подразделения «Научно-технический центр» Государственного предприятия «Национальная атомная энергогенерирующая компания “Энергоатом”», Севастополь Украина

Терещенко Л. И., Южно-Украинская атомная электростанция, Южноукраинск, Николаевская обл., Украина

Благодаря способности изменять в желаемом направлении ионный состав водных растворов и производить их тонкую очистку от следов элементов ионообменные смолы (ИОС) широко применяют в различных отраслях промышленности. Особый интерес использование синтетических ионитов представляет для предприятий, где необходимо очищать технологические среды от радионуклидов (атомные электростанции, производители радиоактивных изотопов, радиохимические лаборатории исследовательских реакторов и т. д.). 

Выполняя свои функции, ИОС постепенно приходят в негодность. Их обезвреживание существующими методами кондиционирования радиоактивных отходов нецелесообразно. Например, при цементировании объем конечного продукта увеличивается 5–8 раз, сжигание опасно ввиду высвобождения оксидов серы и азота, при компактировании коэффициент уменьшение объема не достигает и двух единиц. Регенерация ИОС — трудоемкий и затратный процесс, при котором  образуются большие количества вторичных жидких радиоактивных отходов (ЖРО) в виде отработавших дезактивирующих растворов. Вследствие этого на многих предприятиях регенерация и обезвреживание ИОС не предусмотрены, и после истощения обменной емкости их направляют на хранение и далее на захоронение. 

В качестве возможного решения проблемы переработки радиоактивных ИОС мы предлагаем их отмывку, интенсифицированную ультразвуковыми колебаниями, распространяемыми в среде водных растворов специально подобранных реагентов. 

Ультразвук давно используют для интенсификации многих технологических процессов — диспергирования, эмульгирования, дегазации, локального нагрева. Однако наибольший эффект его применение дает при очистке поверхностей от различных загрязняющих веществ, в том числе, радиоактивных. Процесс основан на явлении кавитации в жидкостях, способствующей отделению и растворению загрязняющих пленок, активному подводу к поверхностям свежих порций дезактивирующего раствора, а также   возникновению звукокапиллярного эффекта, обусловливающего проникновение раствора в мельчайшие поры. Последнее имеет особое значение для дезактивации отработавших ИОС. 

Эксперименты подтвердили эффективность предложенного решения. В испытаниях использовали отработавшие ИОС исследовательского реактора ИР-100 (Севастопольский национальный университет ядерной энергии и промышленности) и смолы системы СВО-5 Южно-Украинской атомной электростанции (ЮУ АЭС). В основном изученные материалы отличались условиями эксплуатации и сроками хранения. ИОС исследовательского реактора служили для очистки жидких радиоактивных отходов (порядка 10 м³) перед сливом в городскую канализационную систему, после чего были помещены на площадку временного хранения, где находились более 12 лет. Смолы системы СВО-5 более пяти лет использовали для очистки продувочной воды парогенератора. Их образцы были отобраны при взрыхлении загрузки фильтров. 

Исходные характеристики испытанных материалов представлены в табл. 1.Таблица 1

Свойства отработавших ИОС

Источником низкочастотного (20 кГц) мощного ультразвука служил кавитатор производства НПК «Медпромприлад», г. Киев. 

Отработавшие ИОС очищали порциями по 5 г в три этапа по 15 минут с заменой растворов на свежие. Установлено, что за один этап ультразвуковой дезактивации из смол ИР-100 извлекается от 74 до 91 % активности  (наибольшая эффективность наблюдается на первом этапе), из смол ЮУ АЭС — от 92 до 97 % (эффективность дезактивации возрастает с каждым этапом). 

После очистки в образцах ИОС исследовательского реактора γ-излучающие радионуклиды не обнаружены, в образцах ИОС системы СВО-5 зафиксирована невысокая остаточная активность ¹³⁴Сs. Для сравнения в табл. 2  приведены значения активности ИОС, находившихся  в контакте с дезактивирующим раствором при перемешивании в течение 48 часов (т. е. не подвергавшихся ультразвуковой обработке).

Таблица 2

Свойства дезактивированных ИОС

По приведенным данным можно судить о степени интенсификации процесса очистки ИОС. Применение ультразвука особенно эффективно для дезактивации отработавших ИОС, хранившихся длительное время, поскольку в этом случае загрязнение носит более сложный характер, чем стехиометрическое замещение противоионов на ионы радионуклидов. 

Отработанные дезактивирующие растворы, представляющие собой низкоактивные ЖРО, утилизируют любым из известных способов, предпочтительно сорбцией на порошковых неорганических сорбентах. В результате такого технологического процесса образуется небольшой объем использованного сорбента, который иммобилизируют в цементную матрицу, и очищенный дезактивирующий раствор для повторного использования после корректировки состава.

 Method for Recovery of Radioactive Spent Ion-Exchange Resins 

Balashevskaya Yu. V., Sevastopol National University of Nuclear Energy and Industry, Sevastopol, Ukraine

Gerliga V. A., Sevastopol Branch for Scientific and Technical Support of Separate Subdivision «Scientific and Technical Center» of National Nuclear Energy Generating Company «Energoatom», Sevastopol, Ukraine

Tereshchenko L. I., South-Ukraine Nuclear Power Plant 

A method for ultrasonic deactivation of spent ion-exchange resins (IER) contaminated by radio-nuclides is proposed. Experimental data of an ultrasonic deactivation of spent IER from the research reactor IR-100 and South-Ukrainian NPP are shown. The positive effect of an ultrasonic treatment on the decontamination process is determine

Сведения об авторах

Балашевская Юлия Владимировна, аспирантка, Севастопольский национальный университет ядерной энергии и промышленности, ул. Курчатова, 7, Севастополь, 99015, Украина. Тел. +38 (0692) 71-98-73. E-mail

Герлига Владимир Антонович, д-р. техн. наук, проф., руководитель Севастопольского отделения научно-технической поддержки Обособленного подразделения «Научно-технический центр» Государственного предприятия «Национальная атомная энергогенерирующая компания “Энергоатом”», ул. Курчатова, 7, Севастополь, 99015, Украина. Тел. +38 (0692) 71-04-20, факс +38 (0692) 71-05-04. E-mail

Терещенко Леонид Иванович, начальник цеха переработки радиоактивных отходов, Южно-Украинская атомная электростанция, Южноукраинск, Николаевская обл., 55000, Украина. Тел. +38 (05136) 5-13-32. E-mail
 

О.А. Машкова, В.В. Ковалев, С.В. Рыков 

В.В. Жуков

Л.Д. Огрель

В.И. Шаркина, А.И. Правдин, Л.Н. Михалина, В.Г. Щанкина 

Н.А. Колычев