Энергия вместо нового полимерного изделия
Пластмассовые отходы можно использовать не только как вторичный материал, но и как топливо. При материальной переработке стремятся вернуть вещество в производство: переплавить полимер либо получить из него химическое сырье. При энергетическом возврате пластмасса расходуется при сжигании, а полезным результатом становятся тепло, пар и электричество. Ниже рассмотрена логика этого маршрута по главе 11 книги «Вторичная переработка пластмасс» под редакцией Ф. Ла Мантии, русское издание 2006 года на основе английского издания 2002 года. Это исторический технологический обзор, а не действующий регламент проектирования или эксплуатации.
Сокращение объема мусора и извлечение энергии не тождественны. Печь может уничтожать отходы без полезного использования выделившегося тепла. Для энергетического возврата к сжиганию добавляется организованный отбор тепла и его передача потребителю. Поэтому высокая теплота сгорания пластмассы еще не показывает, сколько энергии получит предприятие или город. Нужно учитывать подготовку потока, устройство печи, теплообмен и возможность использовать полученный пар.
В книге энергетический маршрут рассматривается прежде всего для остаточных, смешанных и загрязненных потоков, которым трудно найти материальное применение. Однородные малозагрязненные отходы могут сохранять ценность именно как полимерное сырье. Это различие не дает универсального правила «весь пластик сжигать»: выбор зависит от состава отходов и затрат на их сбор, разделение и переработку. Экономические и экологические предпочтения, высказанные автором в начале 2000-х годов, не являются оценкой сегодняшних проектов.
От мусора к подготовленному топливу
Глава различает несколько топливных потоков. Муниципальные твердые отходы содержат разнородный мусор вместе с некоторой долей пластмасс. Топливо из бытовых отходов получают после удаления металлов, стекла и других нежелательных фракций. Топливо из упаковочных материалов состоит главным образом из бумаги и полимерной упаковки. Полимерное топливо формируют из отдельно собранных пластмасс или пластмассовой фракции, выделенной из общего потока. Это не взаимозаменяемые названия: состав и степень подготовки определяют поведение топлива в печи.
Для характеристики горючего источник различает высшую и низшую теплоту сгорания. В первом случае учитывается тепло при конденсации воды из продуктов сгорания, во втором вода остается паром. Но для выбора технологического маршрута не менее существенны влажность, негорючие включения, добавки и переменчивость состава. Высокотеплотворная пластмассовая фракция может поддержать горение влажного потока, а при неподходящей подаче, наоборот, вызвать перегрев и колебания температуры.
Подготовка включает физическое разделение и придание топливу удобной формы. В главе описаны извлечение металлов магнитными и вихретоковыми сепараторами, отделение прочих фракций, измельчение и гомогенизация. Для аппаратов с флюидизированным слоем требуется более однородное топливо, чем для рассмотренных вращающихся цементных печей. При сжигании распыленного топлива особенно важна тонкость измельчения. Поэтому нельзя назначить одну степень дробления для всех способов извлечения энергии.
Агломерация помогает превратить легкие, неудобные для подачи отходы в сыпучий продукт. В описанном исследовании совместного сжигания с углем смесь пластмасс измельчали, агломерировали, дозировали по объему и подавали в слой через охлаждаемую фурму. В опыте с отработанной тепличной пленкой использовались бункеры, контроль подачи, взвешивание и отсев крупных фрагментов. Эти примеры показывают, что устойчивое горение начинается с управляемой загрузки, а не только с выбора температуры в топке.
Самостоятельное и совместное сжигание
Моносжигание означает использование подготовленного топлива из отходов как самостоятельного горючего. Это не обязательно один чистый полимер: топливо может состоять из смеси пластмасс. При совместном сжигании отходы вводятся вместе с обычным топливом, например углем, либо с другим отходным потоком. В книге также рассматривается сочетание с древесными отходами и торфом. Различие относится к организации топливного питания, а не к наличию или отсутствию отбора полезной энергии: он возможен в обоих случаях.
Совместное сжигание помогает согласовать непостоянные характеристики отходов с более привычным топливом, однако простое смешение не устраняет всех трудностей. В аппаратах с флюидизированным слоем зола разных видов топлива взаимодействует с материалом слоя; образование легкоплавких соединений может привести к спеканию. В главе рассматривается и потеря подвижности слоя при обработке полимеров. Поэтому подход оценивают по работе всей системы, включая зольный остаток и теплообменные поверхности.
Примером сочетания пластмассы с ископаемым топливом служат описанные испытания отработанной полиэтиленовой тепличной пленки на угольной электростанции ENDESA. До промышленного опыта изучались воспламенение и время сгорания частиц, проводились лабораторные и пилотные испытания. Автор сообщает о сохранении устойчивой работы и тепловой эффективности в условиях этого опыта. Такой результат показывает возможность конкретного маршрута, но не разрешает применять любую пленку на любой угольной станции и не доказывает отсутствие выбросов у иных установок.
Другая ситуация возникает при добавлении пластмасс к муниципальному мусору. В опытах в Вюрцбурге использовали колосниковую установку, систему очистки газов и отбор энергии для электричества и теплоснабжения. В описанных условиях добавка полимеров улучшала стабильность горения и выгорание остатка. Однако глава одновременно отмечает возможное усиление пламени, изменение распределения температур и рост отдельных загрязнений при недостаточном управлении подачей воздуха. Экспериментальное улучшение одной характеристики не заменяет контроля всего процесса.
Аппараты и путь тепла
В колосниковой, или стокерной, установке отходы поступают из бункера на решетки и последовательно проходят сушку, основное горение и выгорание остатка. Подвижные элементы перемещают и перемешивают материал; воздух подается к зоне горения. Негорючий остаток выводится отдельно, а тепло топочных газов передается в бойлер. Полученный пар может приводить турбину с электрогенератором. Таким образом, механизм перемещения топлива связан с обеспечением доступа воздуха и полнотой сгорания.
Во флюидизированном слое поток воздуха поддерживает подвижность частиц материала слоя и способствует перемешиванию с топливом. В варианте с циркулирующим слоем камера сгорания соединена с циклоном и внешним контуром возврата материала и несгоревшего топлива. Значительная масса циркулирующего материала помогает выравнивать температуру. Тепло отбирается в паровой контур, после чего используется для выработки электричества и, при наличии потребителя, для теплоснабжения.
В установке с внутренней циркуляцией возврат материала организован внутри аппарата, что позволяет сделать его более компактным. В описанной конструкции Ebara тепло отбирают через специальные ячейки со змеевиками, а крупные несгоревшие фрагменты выгружают снизу. Этот вариант важен именно для самостоятельного сжигания смешанных пластмассовых отходов: высокая теплотворная способность и быстрая газификация требуют контролировать распределение топлива и отвод тепла, чтобы не перегреть печь.
В главе приведены испытания самостоятельного полимерного топлива на опытной станции Ahlstrom и полупромышленной станции Ebara. В первом случае автор отмечает необходимость дальнейшей проверки подготовки топлива и конверсии энергии. Во втором установку пришлось модифицировать, поскольку первоначально она не была рассчитана на столь высокотеплотворный поток. Исторические результаты подтверждают значение согласования аппарата с топливом, а не готовность любой существующей печи принимать пластмассовые отходы без переделки.
Среди других конструкций рассматривается осциллирующая печь: движение наклонной камеры перемешивает загрузку, горячие газы затем отдают тепло в бойлере, а пар поступает на турбину. Система включает и отдельный блок обработки топочного газа. При сжигании распыленного топлива основное отличие заключается в глубокой подготовке частиц и способе их подачи. Оба примера показывают, что одна и та же задача возврата энергии решается разными сочетаниями механики подачи, горения и теплообмена.
Цементная печь использует топливо из отходов для обеспечения теплом промышленного процесса. Подготовленные пластмассовые и упаковочные фракции могут замещать часть обычного топлива, прежде всего угля; важны способ ввода и соответствие качества топлива условиям производства. В книге описаны опыты с остатками раздельно собранной полимерной упаковки. Это энергетическое использование пластмассы, а не возвращение полимера в новое изделие. Сведения о шинах занимают в главе отдельное место и не служат заменой доказательств для пластмассового потока.
Сложные остаточные потоки
При совместном сжигании пластмасс с канализационным осадком энергетическая роль полимера связана с влажностью шлама: после обезвоживания или сушки потребность в добавочном топливе меняется. Глава сравнивает введение мелких частиц пластмассы до обезвоживания, смешение с уже обезвоженным осадком и раздельное дозирование непосредственно в печь. В описанных испытаниях хорошее предварительное перемешивание оказалось важным условием выгорания; раздельная подача не была рекомендована наряду с двумя другими вариантами. Это вывод конкретной программы, для которой автор отдельно отмечает нехватку долговременного опыта.
Остатки автомобильной переработки требуют внимания не только к теплоте сгорания, но и к распределению примесей. В приведенных опытах совместного сжигания с муниципальным мусором увеличение содержания некоторых тяжелых металлов в бойлерном и циклонном пепле могло изменить порядок обращения с остатками. Поэтому благоприятный результат измерения очищенного газа сам по себе не характеризует все продукты установки. Для термореактивных пластмасс глава также описывает энергетические маршруты, но подчеркивает различие требований к подготовке сырья у разных технологий.
Газоочистка и твердые остатки
Сжигание нельзя описывать только как получение горячего газа. В главе перечислены пыль и летучий пепел, кислотные газообразные компоненты, оксиды азота, диоксины и фураны. Часть минеральных остатков связана с наполнителями, пигментами, стабилизаторами и посторонними включениями. Поэтому сортировка сырья, управление горением, обработка газа и обращение с твердыми остатками образуют взаимосвязанные части процесса. Высокая теплотворная способность не является доказательством экологической безопасности.
Источник описывает циклоны, электростатические осадители и тканевые фильтры для отделения частиц, газопромыватели и нейтрализующие реагенты для кислотных компонентов, обработку активированным углем и специальные ступени удаления оксидов азота. Устойчивость горения связывается с перемешиванием, временем пребывания и управлением первичным и вторичным воздухом. Эти средства выполняют разные задачи: улавливание пыли не заменяет весь комплекс очистки, а контроль горения не отменяет обращения с уловленными веществами.
Численные пределы выбросов, ссылки на национальные разрешения и заявления о безвредности из старого источника здесь не используются как действующие требования или санитарные заключения. Нельзя также переносить результаты отдельного испытания на все составы отходов. В этом обзоре газоочистка раскрыта как необходимая технологическая часть описанных систем; соответствие конкретного проекта сегодняшним требованиям по одной книге 2002/2006 годов установить невозможно.
От выделенного тепла к полезной энергии
Энергия топлива проходит несколько превращений: тепло сгорания передается пару, пар совершает механическую работу в турбине, генератор вырабатывает электричество. Остаточное тепло может использоваться промышленным потребителем или системой теплоснабжения. Поэтому результат зависит не только от эффективности печи, но и от расположения потребителей: востребованное рядом тепло повышает полезную отдачу установки, тогда как перенос больших его количеств на дальние расстояния создает отдельные трудности.
Смысл рассмотренного маршрута состоит в согласовании состава отходов, подготовки топлива, аппарата и потребления энергии. Самостоятельное сжигание дает отдельную задачу управления высокотеплотворной полимерной смесью; совместное сжигание связывает ее с обычным топливом или менее калорийным отходным потоком. Ни один вариант не следует выбирать только по теплоте сгорания: нужны управляемая подача, подходящий теплообмен, контроль газов и остатков. Материальная переработка при этом остается другим способом использования ценности полимера.
Доступный текст позволяет объяснить эти связи без восстановления поврежденных иллюстраций. Схемы аппаратов, графики сравнительной эффективности и табличные значения выбросов здесь не реконструированы; фрагмент о шредерных отходах около печатной страницы 365 неполон. Поэтому статья не содержит проектных режимов, расчетной эффективности, рейтинга технологий по графикам или утверждений о сегодняшней рентабельности. Рассмотрены принципы сжигания и совместного сжигания пластмассовых отходов, а не инструкция по запуску установки.