Е.И. Базаров

В.А. Морозов

Г.М. Золотарев

А.В. Морозов

Утилизация углеродсодержащих отходов территорий опережающего развития реактором Золотарева.

     Рассмотрены организационный и технологический аспекты управления отходами территорий опережающего развития. Переработка отходов предложена в формате потребительской кооперации. Показан вариант мотивации населения к раздельному сбору отходов.

 

Оборудование для обеззараживания отходов рассмотрено с позиций экономической и экологической эффективности. Описана модель реактора Золотарева как наиболее эффективная с обозначенных позиций.

     Федеральное законодательство РФ /1/ определяет территории опережающего социально-экономического развития (ТОРы) как особые зоны с создаваемой инфраструктурой и льготами. Ожидается, что это будет способствовать быстрому развитию в этих зонах производств и улучшению жизни населения. Естественным и сопутствующим процессом производственного роста будет наращивание отходов производства и потребления.

Управление отходами определяет качество жизни населения ТОРов и представляет собой многоплановую задачу. Рассмотрим два аспекта этой задачи для случая твердых коммунальных отходов (ТКО) – организационный и технологический.

Организационный аспект.

Мировой опыт переработки отходов показывает, что обязательной фазой переработки является сортировка отходов. При этом, чем больше фракций выделяется сортировкой - тем эффективнее решаются задачи рецикла и обезвреживания отходов. По-видимому, для ближайшей российской  практики наиболее вероятными будут две фракции: чистая и грязная /2/. В состав чистой фракции предлагаются материалы, пригодные для вторичной переработки – бумага, пластик, стекло, металл. В состав грязной фракции – средства гигиены, пищевые и растительные отходы, уличный смет. Грязная фракция должна подвергаться обезвреживанию и захоронению. Следует отметить, что сегодня сортировка отходов в нашей стране является весьма проблематичной, что объясняется менталитетом населения и главное - отсутствием у населения достаточной мотивации к сортировке.

Известно, что наиболее эффективные результаты в удовлетворении социальных запросов достигаются ведением соответствующей работы в формате потребительского кооператива.             Применительно к управлению отходами это означает, что все структуры, занятые в утилизации отходов (поставщики отходов и перевозчики, производители перерабатывающего оборудования и т.д.),  являются пайщиками кооператива. Движения между технологическими переделами отходов внутри кооператива являются перемещениями паев и не облагаются налогами. В результате кооперативной деятельности образуются продукты переработки отходов  – сырьё для рецикла, выделенное из чистой фракции отходов, и продукты утилизации грязной фракции отходов (как правило – шлак для строительных материалов, электрическая и тепловая энергия). Часть или все продукты переработки отходов могут являться товарами. Прибыль, получаемая после продажи товаров, формирует налогооблагаемую базу всего процесса. Чистая прибыль делится между членами кооператива по решению их собрания. В таком варианте управления отходами все участники процесса становятся заинтересованными в получении прибыли и снижении соответствующих издержек. Это, по существу, мотивирует  пайщиков кооператива к:

  • сортировке отходов;

  • выбору оптимальных логистических схем движения сырья и товаров;

  • выбору дешевой, экологически безопасной и экономически эффективной технологии переработки грязной фракции отходов;

  • выбору номенклатуры товаров и направлений их реализации.

Предлагается следующий вариант реализации кооперативного участка, занятого переработкой  отходов (Рис.1).

Рис.1. Утилизация отходов в формате потребительского кооператива.

     Здесь основные средства кооператива – полигон ТКО, тепличное хозяйство и товарный склад – формируются с использованием складочного капитала. Последний образован денежными средствами регионального бюджета и целевыми взносами (паями) населения ТОРа. (Целевые взносы населения – это сегодняшние платежи за вывоз мусора.) Население сортирует отходы: чистые и грязные. В случае, показанном на Рис.1, чистые отходы – стекло, металл и бумага, а грязные – пластик, отработавшие покрышки, пищевые и растительные остатки, средства гигиены и уличный смёт. Сортированные таким образом отходы поступают на полигон ТКО в качестве кооперативных паёв населения ТОРов. Здесь чистые отходы делятся на фракции (стекло, металл, бумага), упаковываются, учитываются на товарном складе и отгружаются потребителям вторсырья, формируя доходную часть всего процесса. Грязные отходы поступают в оборудование для обезвреживания, где превращаются в шлак (строительный материал) и энергоносители для тепличного хозяйства (электроэнергию, тепло и двуокись углерода для подкормки растений). Шлак учитывается в товарном складе и направляется потребителям вторичного сырья в качестве строительного материала. Часть овощей и фруктов из теплицы направляется населению ТОРа в качестве возврата мусорного пая. Остаток овощей и фруктов направляется в товарный склад для продажи, формируя ещё одну доходную часть всего процесса.

     Работа кооперативного участка организуется Управляющей компанией (например, с использованием технологии блокчейн).

     В схеме Рис.1 показано как мусорные отходы возвращаются населению овощами и фруктами. Ожидается, что это станет основным мотивом для сортировки отходов, отсутствующим у населения сегодня.

Особенно эффективным кооператив, занятый использованием отходов, может стать в организуемых «с нуля» ТОРах. Например, на сельских территориях, где прибывающее население входит в кооперативные связи по условию прибытия. Сюда можно отнести строительство на новых землях экопоселений для ведения органического сельского хозяйства, освоение новых территорий из-за природных катаклизмов, ведения военной или антитеррористической деятельности.

Технологический аспект.

     Наиболее представительную группу технологий переработки отходов образуют технологии их термического разрушения. Эти технологии реализуются благодаря наличию в отходах горючего элемента – углерода.  В технологиях термического разрушения следует выделить эффективные, но относительно дорогие плазменные технологии. По причине плохой финансовой доступности эти технологии в настоящей работе не рассматриваются. Одним из основных показателей, определяющих экологическую и экономическую состоятельность остальных технологий термического разрушения отходов, является скорость подлежащих очистке дымных газов. Стоимость очистных сооружений составляет, как правило, половину стоимости мусороперерабатывающего завода. Стоимость очистки, в свою очередь, зависит от скорости дымных газов: чем меньше скорость, тем очистка дешевле. Известны две технологии с малой скоростью газов, образующихся при термической утилизации углеродсодержащих отходов. Первая – фильтрационное горение со сверхадиабатическим режимом (например, /3/). Вторая – низкотемпературный пиролиз с предварительной сушкой отходов /4/.

     Внешний вид оборудования, где инсталлирована технология /3/, показан на Рис.2.

Рис.2. Внешний вид установки для утилизации ТКО фильтрационным горением со сверхадиабатическим режимом.

     Здесь слева на фотографии показан транспортер для загрузки ТКО. Справа показан реактор (агрегат цилиндрической формы), наклоненный относительно поверхности земли. В рабочем состоянии реактор приводится во вращение для выравнивания температуры в радиальном направлении корпуса и предотвращения зависания ТКО при их перемещении вдоль продольной оси реактора. Особенностями установки является высокая температура в центральной зоне реактора (1200 град. С) и необходимость подачи снизу реактора воздуха (окислителя).

     Существенным ограничением в реализации технологии /3/ является влажность загружаемых в реактор отходов – не более 30% /5/. Влажность отходов в реальных условиях круглогодичной работы полигонов ТКО (дождь, снег)  в 2 раза выше. Такое ограничение можно преодолеть использованием дополнительного модуля сушки, что приведет к увеличению цены оборудования относительно заявленного значения.

     Пиролизная технология /4/, как и технология /3/, апробирована в опытно-промышленной установке. Выявленные при этом недостатки учтены в новой модели /6/. Измерениями параметров дымных газов, выполненными Пожарно-спасательным центром Москвы, подтверждена экологическая безопасность оборудования /4/:

     Рабочие температуры /4 и 6/ существенно ниже, чем у оборудования /3/ - 600 град.С. Применяемая технология не требует организации воздушного дутья. Разработка /6/  при близкой к /3/ цене и производительности (40 тыс. т ТКО в год ) имеет камеру сушки, конструктивно связанную с камерой пиролиза. Габаритный размер основного технологического оборудования /6/ (загрузочная камера + камера сушки + камера пиролиза) вдоль продольной оси изделия не превышает 12 м. Это делает возможным разработку транспортабельного модульного варианта завода для переработки ТКО в габаритных размерах 40-футового контейнера. Такой модуль может поставляться на полигон ТКО в состоянии полной заводской готовности, что положительно скажется на сроках ввода в эксплуатацию всего завода.  Преимуществом оборудования /4,6/ по сравнению с /3/ можно считать и более низкие температуры термического разрушения ТКО (600 град. С против 1200 град.). Это положительно скажется на температурной стойкости конструкционных материалов и продолжительности работы оборудования до капитального ремонта.

     С учетом изложенных характеристик рассмотрим модель /6/ подробнее. На Рис.3 показаны основные агрегаты модуля с производительностью по ТКО 40 тыс. т/год. Основное технологическое оборудование – пиролизный реактор Золотарева. Предварительно измельченные ТКО загружаются в реакторный модуль, где последовательно проходят три расположенные друг за другом секции – загрузочный бункер, камеру сушки и камеру пиролиза. Секции имеют плоскую конструкцию и сообщаются друг с другом открыванием соответствующих задвижек.

Рис.3. Основные агрегаты модуля завода для утилизации ТКО на основе пиролизного реактора Золотарева.

     Благодаря плоской конструкции секций отходы равномерно прогреваются по толщине реактора. Для предотвращения зависания отходов при их движении вдоль высоты конструкции каждая из секций снабжена ворошителем. При сушке отходов последние теряют до третьей части своей начальной массы. Благодаря сушке пиролиз отходов в нижней камере реактора протекает с максимально возможной скоростью. Твердый остаток пиролиза – шлак – выгружается в заполненный водой транспортер. Здесь шлак остывает и направляется для дальнейшего использования в качестве строительного материала. Основная масса продуктов пиролиза – пиролизный пар – собирается с помощью перфорированных пилонов, расположенных вдоль образующих камеры пиролиза. Пиролизный пар направляется в сепаратор, где делится на пиролизный газ и пиролизную жидкость. Газ очищается от пиролизных смол и служит моторным топливом дизельного двигателя, приводящего электрогенератор. Почти вся жидкость сжигается в форсунках теплогенератора. Полученные при этом топочные газы являются основным источником тепла для процесса пиролиза. Вспомогательный источник тепла для пиролиза – выхлопные газы мотора. Смесь топочных и выхлопных газов  - дымные газы установки - большую часть своего тепла отдают стенкам пиролизной камеры, после чего направляются в камеру сушки. Остывшие после камеры сушки дымные газы вытягиваются из реактора дымососом и направляются в устройство очистки дымных газов. Устройство содержит многоступенчатую очистку газов, основным агрегатом которой является т.н. «мокрый» скруббер. Очищенные дымные газы выбрасываются в атмосферу.

            Составной частью устройства очистки дымных и пиролизных газов является агрегат, в котором нейтрализуются грязные стоки мокрых скрубберов. Этот агрегат не менее значим для экологической безопасности всего устройства, чем низкая скорость дымных газов. Агрегат не показан на Рис.3, но описан в работе /7/. Здесь все углеродсодержащие компоненты грязных стоков разрушаются в среде сверхкритической воды и сжатого воздуха при высоких давлениях и температурах (более 221атм и 375 град.С, соответственно). Выходными продуктами агрегата являются высокоэнтальпийная парогазовая смесь и твердый минеральный остаток. При снижении энтальпии смеси задействуется паровой контур турбины, приводящей электрогенератор. Остывающая смесь разделяется на газы (двуокись углерода, азот) и воду. Двуокись углерода направляется в теплицу для подкормки растений, азот возвращается в воздух, а вода направляется в рецикл процесса очистки. Твердый остаток образован нерастворимыми в сверхкритической воде минеральными компонентами грязных стоков. Остаток составляет единицы процентов от массы стоков и подмешивается к пиролизному шлаку. Полученная электроэнергия и сбросное тепло турбины направляются в тепличное хозяйство. Для обеспечения автотермичности очистки  к грязным стокам будет подмешиваться небольшое количество пиролизной жидкости.

     В заключении отметим, что в предлагаемом решении (Рис.1) «обезвреживание грязных отходов + теплица» находятся отработавшие покрышки и пластик, хотя обозначенные компоненты обезвреживания – традиционные материалы вторсырья. В связи с этим:

  1. Одновременная переработка покрышек, пластика и остальных грязных отходов целесообразна, поскольку  позволяет повысить калорийность продуктов пиролиза и сделать пиролиз более эффективным (быстрым).

  2. Ископаемый углерод покрышек и пластика через фотосинтез теплицы включается в пищевые цепочки, которые могут иметь в составе почвы с/х угодий. При тиражировании технологии это дает возможность уменьшить урон, наносимый сегодня естественному обороту углерода наших почв технологиями газификации отходов сельскохозяйственных производств (метантенковой технологией и аналогичными ей).  
     

     Производительность заводов для утилизации отходов на основе реактора Золотарева не имеет ограничений «сверху» благодаря модульной конструкции с плоским сечением реакторного модуля и единичной производительностью по ТКО 40 тыс.т/год. Любая большая производительность достигается параллельной компоновкой модулей по аналогии с коксовыми батареями в металлургии.

Выводы.

  1. Предлагаемое организационное решение переработки углеродсодержащих отходов – потребительская кооперация участников переработки – создает инструмент мотивации раздельного сбора отходов.

  2. Пиролизный реактор Золотарева – финансово доступное и экологически эффективное оборудование для переработки ТКО.

Источники информации.

  1. Федеральный закон от 29.12.2014 N 473-ФЗ (ред. от 03.07.2016) "О территориях опережающего социально-экономического развития в Российской Федерации" (с изм. и доп., вступ. в силу с 01.01.2017).

  2. Материалы пленарного заседания Ярмарки экологических проектов Московской области, Москва, 30.11.2017; http://eco-startup.ru/

  3. Г.Б. Манелис,  С.В. Глазов,  Д.Б. Лемперт,  Е.А. Салганский. Фильтрационное горение твердого топлива в противоточных реакторах. Институт проблем химической физики РАН. ж. «Известия Академии наук. Серия химическая», №7, 2011 г., с. 1278.

  4. Г.М. Золотарев. Мусороперерабатывающий завод МПЗ-200 для снабжения электрической энергией территории Республики Крым. МАНЭБ. ж. «Вестник МАНЭБ», т.20, №2, 2015 г., с.с. 21-29.

  5. Интернет-ресурс: http://maenerg.ru/alt_gtt.html

  6. Патент РФ  № 2613063 от 15.03.2017г. Пиролизный  реактор Золотарева.

  7. В.А. Морозов, А.В. Морозов. Малотоннажная технология переработки отработавших автомобильных шин в энергоносители для тепличного хозяйства. Ж. «Экологический вестник России», №3, 2017, с.с. 12-17.