Лучшие российские технологии переработки отходов лучше доступных западных
Доклад члена-корреспондента РАЕН, доктора технических наук, профессора Игоря Михайловича Мазурина (НИУ «МЭИ») «Наиболее доступные отечественные технологии переработки бытовых отходов и проблемы их использования в России» на заседании Общественно-экспертного совета по содействию выходу из мусорного кризиса REGNUM — РАЕН 16 июля 2019 года
* * *
Введение
Выбор технологии, подходящей для конкретного случая, всегда был непростой задачей в любом виде хозяйственной деятельности человека. Для того и появилось высшее образование, чтобы дать необходимый уровень знаний будущему специалисту для решения этой сложной и ответственной задачи. Но времена меняются, и в эпоху «цивилизованных потребителей» показалось, что задача не столь уж и сложна и вполне может быть решена «эффективными менеджерами» самостоятельно по образцу, например, с помощью Справочника наиболее доступных технологий (НДТ) или ещё проще — с помощью приобретения устаревших, а потому проверенных временем, «доступных» технологических решений на Западе.
В своей предыдущей статье «НДТ — наихудшие дорогие технологии» я показал, что без прикладной науки, которая была у нас уничтожена в 1990-е годы, без инженеров и санитарных врачей решение столь сложной и многофакторной задачи, как выбор оптимальной технологии переработки отходов, обречено на провал. Сегодня я хотел бы представить инженерный аспект решения этой задачи, ни в коей мере не умаляя экономической, экологической и медицинской его составляющих. Попробуем обрисовать основные критерии выбора технологии переработки ТБО в российских условиях для случая проведения классического конкурса со стендовыми испытаниями предлагаемых технологий.
* * *
О конкурсе по выбору лучшей технологии
В первую очередь принципиально важно отметить основные положения конкурса как способа выбора наилучшей технологии или технологического процесса. Автор процесса, который признан экспертами наилучшим, передаёт свои права на процесс устроителю конкурса в обмен на объявленный размер премии и обязательства устроителя организовать серийное или массовое производство изделия по наилучшей технологии, победившей по результатам конкурса. При этом устроитель до начала конкурсных испытаний публикует критерии и порядок выбора наилучшей технологии, а также состав конкурсной комиссии.
Базовым критерием выбора наилучшей технологии был и остаётся приоритет безопасности процесса в его пяти основных составляющих: токсической,радиационной, эпидемиологической,пожарной и бризантной (взрывоопасной). Это можно отнести к первой главной группе критериев. Любой вид опасности из пяти перечисленных возможен в процессах переработки бытовых отходов, поскольку начальный состав отходов может быть любым. По каждому виду опасности устроитель конкурса представляет граничные условия в виде нормативов, которые и лягут в основу выбора наилучшей технологии с точки зрения конституционного приоритета безопасности процесса как для человека, работающего на заводе, так и живущего рядом с санитарной зоной завода или даже в 50 км от завода.
Вторая группа критериев классификации процессов переработки бытовых отходов — это «Эффективность» и «Универсальность» процесса. Эффективность по удельным затратам энергии, труда, времени, а также капитальных вложений на переработку сортированных и несортированных бытовых отходов, и отдельно расходы на захоронение остатков процесса.
Третья группа критериев для классификации процессов — их «Зависимость от зарубежных комплектующих и услуг» при осуществлении технологии. Полностью остаться независимыми сегодня не получится, поскольку, например, приборы для определения диоксинов в России не выпускаются, а специалистов по анализу диоксинов на хромато-масс-спектрометрах днём с огнём не отыщешь. Придётся пользоваться услугами четырёх отечественных лабораторий, которые ещё чудом сохранились; покупать зарубежные приборы и расходные материалы; приглашать специалистов-аналитиков на эти приборы, поскольку своих мы уже не готовим. Однако российские технологии, в которых диоксины принципиально не образуются, были и есть. О них будет сказано ниже.
И наконец, четвёртое основание классификации процессов — «Экспертная оценка авторитетными учёными или заключения государственных санитарных служб», полученные в доперестроечные времена, когда ещё научная, техническая и санитарная истина не зависела в такой степени от источника финансирования, как сегодня.
К базовым группам критериев сравнения технологий организатор конкурса может добавить дополнительные критерии. Например, такие как «Полное исключение возможности образования супертоксинов» или «Отсутствие платежей населения за услугу по переработке мусора» и даже «Окупаемость технологии припокупке мусора у населения» (как ни странно, технологии, удовлетворяющие этим критериям, реально существуют). В этой категории параметров сравнения возможно и разделение процессов по производительности, поскольку малые и крупные установки имеют существенные отличия, поэтому не все критерии сравнения являются универсальными.
* * *
ПЕРВЫЕ РОССИЙСКИЕ УЧАСТНИКИ КОНКУРСА
Теперь можно попытаться оценить шансы на успех известных на сегодня отечественных процессов переработки бытовых отходов. Эти процессы известны узкой группе специалистов, так как техническая литература по этому направлению практически отсутствует. По возможности, не гарантирующей полноты охвата, восполним этот пробел.
* * *
1. Малотоннажные установки
Малотоннажные установки сегодня представлены в двух решениях. Это установки ЭЧУТО, разработанные в конце 1980-х годах в ЭНИН им. Г. М. Кржижановского, в которых реализуется процесс пиролиза. Разработка конструкции и изготовление установки выполнено ООО НПО «Экотехсплав» из города Переславля-Залесского. Установка ЭЧУТО к настоящему времени довольно широко применяется в различных отраслях по причине простоты обслуживания и ремонтопригодности. Подробные параметры установки можно найти в интернете.
К группе малотоннажных установок можно отнести и установки, использующие процесс переработки бытовых отходов с помощью прессования при температурах от 20 °C до 40 °C. Перед прессованием мусор измельчают и сушат, после чего смешивают с магнезиальными вяжущими веществами — каустическими магнезитом/доломитом (MgO) и бишофитом (MgCl2). В результате прессования получаются блоки, пригодные для строительства промышленных, жилых и общественных зданий, что подтверждается гигиеническим заключением Госсанэпидслужбы
К малотоннажным относится и разработанный в 1940-е годы в ЭНИН им. Г. М. Кржижановского профессором Марком Борисовичем Равичем процесс получения топливных брикетов на основе каталитического окисления торфяного полукокса. Важным преимуществом этого процесса является заложенная в нём возможность переработки тяжёлых углеводородов, в том числе мазутов, асфальтенов и угольных ФУСов. Правда ещё и в том, что присадка «трудных отходов» к торфяному полукоксу не превышает 15% по весу брикета, а сами брикеты должны окисляться с малой скоростью без образования пламени, иначе полного окисления «трудных отходов» не произойдёт, и всё будет как на российском варианте проекта МСЗ Hitachi Zosen Inova. Но эти условия вовсе не значат, что процесс тупиковый. Скорее наоборот. В силу того, что в составе отходящих газов нет ничего, кроме СО2 и Н2О, брикеты по технологии профессора М. Б. Равича в городских условиях идеальны в качестве бездымного энергетического сырья для автономных систем теплофикации. В отличие от газовых систем, жидкого топлива и пеллет, они совершенно взрыво‑ и пожаробезопасны, а при окислении выделение тепловой энергии осуществляется исключительно за счёт инфракрасного излучения. Последнее свойство крайне важно для аварийных систем теплоснабжения, поскольку позволяет решить непростую задачу по подаче в сжатый срок большого количества безопасного тепла, например, в жилой многоэтажный дом при размораживании систем теплоснабжения в северных районах. Кроме всего прочего, торф, являющийся исходным сырьём для брикетов, является возобновляемым сырьём, запасы которого в России сегодня составляют 700 млрд тонн, и они имеют тенденцию к увеличению на 9% ежегодно, что является важным конкурентным преимуществом в контексте перспективы введения глобального углеродного налога.
Но все эти преимущества надо осмыслить и превратить в работающие системы. Однако сегодня в России нет ни заказчика, ни исполнителей для такой разработки. Есть только нарастающие запасы торфа.
* * *
2. Стеднетоннажные установки
К среднетоннажным установкам по переработке мусора можно отнести установку по проекту «ЭКУОТ», а также установки, реализующие процессы ПИРОКСЕЛ и ВОЛТРОН. Все три вида установок работают по безотходной схеме. «ЭКУОТ» производит товарную продукцию в виде топливных продуктов жидкого, газообразного и твердого агрегатного состояния, а процессы ПИРОКСЕЛ и ВОЛТОРОН производят шлаковату или базальтовое волокно и смесь металлов (передельный чугун) в виде слитков, пригодных к последующей переработке.
Процессы ПИРОКСЭЛ и ВОЛТРОН близки по физике основной операции. В обоих случаях осуществляется процесс пиролиза при высоких температурах (не ниже 1700 °С). Отличие — в тепловых источниках процессов: в ПИРОКСЕЛ — это электрическая дуга на угольных электродах, в процессе ВОЛТРОН — нагретый до 1700 °C водяной пар. В обоих случаях твёрдые отходы разлагаются до газообразного состояния в отсутствии кислорода воздуха при достаточно длительной экспозиции, и на последней стадии полученный синтез-газ (смесь монооксида углерода и водорода) сжигается для получения электроэнергии в турбинном цикле для обеспечения энергопотребления процесса.
По технологии «ЭКУОТ» коммунальные отходы после измельчения и сушки подаются в пиролизный реактор, где происходит деструкция углеродосодержащих отходов. Затем выполняется конденсация парогазовой смеси в жидкое топливо. Оставшийся после конденсации пиролизный газ после очистки подаётся в когенерационную станцию для выработки тепловой и электрической энергии, а жидкое пиролизное топливо после крекинга превращается в биодизель, биобензин, печное топливо и биокеросин. В процессе остаётся углистый остаток, который перерабатывается в топливные брикеты. Весь процесс выполняется без доступа кислорода воздуха, что в значительной мере препятствует возможности образования диоксинов, хотя принципиальная возможность появления супертоксинов в продуктах процесса не исключается, как и в любых других термохимических процессах с многокомпонентным исходным сырьём переменного состава.
К процессам пиролизной переработки отходов можно отнести и процесс дуплексной переработки по технологии ООО «Гринэнерго». Как и процесс «ЭКУОТ», это довольно свежая разработка, интересная тем, что в ней используется и пиролиз, и газификация измельчённых и высушенных твёрдых отходов. Эта технология, как и три другие, также безотходная и на выходе даёт твёрдое, газообразное и жидкое моторное топливо, а также удобрения и стройматериалы.
Все четыре процесса были выполнены в виде пилотных установок и имеют практическую наработку. Два процесса реализованы в конце 1980-х годов, а два — совсем свежие. «ЭКУОТ» защищён патентом совсем недавно, если судить по дате заявки на патент №2 576 711 — 19 октября 2014 года. Процесс от «Гринэнерго» защищён четырьмя патентами периода с 2014 по 2018 год.
Во всех случаях пилотные установки вполне могли быть модулями крупных систем по переработке бытовых отходов любого вида и любой производительности, поскольку сортировка отходов для процессов «ЭКУОТ» и «Гринэнерго» не является проблемой и входит в состав установки, а два других процесса вообще могут работать без сортировки.
В отношении наличия диоксинов на выходе газообразных продуктов, получаемых после сжигания синтез-газа в турбинном цикле генерации электроэнергии, заявлять об их полном отсутствии нет оснований. Но два аргумента в пользу процессов стоит отметить. Главный аргумент состоит в том, что процесс сжигания синтез-газа управляемый, поскольку синтез-газ имеет практически постоянный состав. Второй аргумент — расход отходящих газов при этом на порядок меньше в сравнении с проектом МСЗ Hitachi Zosen Inova и практически не содержит пыли, что в значительной степени упрощает задачу очистки газа от возможного присутствия в них диоксинов известными методами с использованием традиционной адсорбции в аппаратах и электрофильтров на выходе. Но в любом случае текущий анализ состава отходящих газов необходим, поскольку ошибки при выполнении процессов не исключены, как и контроль за окружающей средой в зоне шлейфа. Но это азбучные истины технологической культуры для очистных процессов доперестроечного времени, сложившейся начиная с 30-х годов прошлого века, когда в СССР появились первые НИИ при министерствах. С наступлением в России эпохи «вульгарного рынка» эта культура была утрачена. Ярким свидетельством современной деградации культуры безопасности является проект МСЗ Hitachi Zosen Inova, выбранный для федерального проекта «Чистая страна», в котором проведение анализов состава выбросных газов на присутствие супертоксинов планируется всего раз в полгода.
* * *
3. Крупнотоннажные установки
Крупнотоннажные установки по переработке бытовых отходов по типу известных заводов Hitachi Zosen Inova, у которых цикл переработки в одном блоке выше 100 тыс. тонн отходов в год, можно изготовить и по технологиям, отнесённым выше к среднетоннажным. Однако иметь в одном блоке производительность больше 200 тыс. тонн в год не очень выгодно, поскольку выбросы, хоть и минимальные, не исключены. И не всегда речь идёт о супертоксинах. Пределы загрязнений могут быть и по малотоксичной пыли. По этой причине любой из выбранных заводов обязательно через некоторое время исчерпает лимит по какому-либо загрязнителю прилегающей территории, и завод придётся закрывать. Важно правильно рассчитать это время.
Необходимо упомянуть и процессы плазменной переработки бытовых отходов. Их главными преимуществами принято считать универсальность в отношении видов перерабатываемых отходов и неограниченную производительность. На самом деле это далеко не так. Стекло, металл, бетон и нефтешламы нежелательны как компоненты для процесса плазменной газификации. Для смесей переменного состава и с разными фазовыми состояниями исходных компонентов процесс плазменной обработки совершенно неэффективен энергетически. Кроме того, итогом плазменного процесса будет переменный состав продуктов термохимической реакции и рекомбинации радикалов.
Кроме перечисленных отечественных высокотемпературных процессов не упомянут процесс переработки бытовых отходов, выполняемый в печах Ванюкова. Его реализация осуществлена недавно, но автор пока не видел опубликованных результатов анализа отходящих газов. Вполне возможно, что они положительны, поскольку процесс по физике довольно близок к процессам высокотемпературного пиролиза и не обременён гигантскими расходами воздуха и генерацией пыли. Однако переменный состав сырья, поступающего на переработку, как и в любых других термохимических процессах с переменным составом сырья, требует постоянного контроля за содержанием супертоксинов в продуктах реакции.
* * *
Перечисленные отечественные процессы не исчерпывают полностью возможные варианты исполнения реального процесса переработки отходов, поскольку в состав реального процесса всегда входят сочетания различных видов основных и второстепенных технологических приёмов, которые разработчики процесса всегда будут подбирать под конкретное техническое задание с учётом реальных условий. Коммерческий подход сегодня, как и политический подход в недавнем прошлом, для решения технических задач принципиально неприемлем и обязательно войдет в противоречие с реальными обстоятельствами, в первую очередь в вопросах безопасности человека и окружающей среды по причине однофакторности анализа при выборе технологии. В коммерческом подходе этим фактором является прибыль или размер дилерской премии. Судя по результатам работы московских МСЗ, техническое совершенство процесса или его безопасность для человека начинают обсуждаться лишь через несколько лет после начала эксплуатации заводов, когда уже поздно что-либо исправлять. Справочник НДТ в этой логике событий для чиновников выполняет роль индульгенции при принятии ошибочных решений: «технология справочником рекомендована как наилучшая и тем более доступная, так что же вы от меня хотите».
* * *
Сравнение российских технологийс МСЗHitachiZosenInova
В Табл. 1 приведены основные показатели четырёх высокотемпературных отечественных процессов переработки отходов в сравнении с процессом от Hitachi Zosen Inova. Процесс ВТОРДРЕВ выполняется при температуре окружающей среды и не требует затрат электроэнергии. Из четырёх горячих отечественных процессов, приведённых в Табл. 1, два разработаны и испытаны тридцать лет назад. Относительно новой является установка по технологии ЭКУОТ. Не упомянуты несколько относительно новых плазменных процессов с газификацией, разработанных на основе плазмохимической технологии «трансзвукового горения» А. И. Папуши, а также пиролиз органических отходов с получением полукокса по технологии 1940−1950-х годов, разработанной М. Б. Равичем.
Оценка перспектив внедрения отечественных разработок приводит к заключению о полном отсутствии интереса к российским технологиям переработки ТБО со стороны правительства Москвы и Минприроды. Это стойкое безразличие наблюдается с 1991 года. На основе сравнительных данных, приведённых в Табл. 1, а также на основе анализа последствий эксплуатации МСЗ, использующих технологию сжигания на колосниковых решётках [2], можно обоснованно сделать вывод о полной непригодности для российских условий процесса по технологии Hitachi Zosen Inova, рекомендованного Росприроднадзором в качестве наиболее доступной технологии, несмотря на жёсткую критику со стороны расширенного экспертного совета Росприроднадзора.
Помимо технологии переработки ТБО, нерешённой проблемой так и остаётся достоверный мониторинг окружающей среды. Четырёх лабораторий, которые сегодня в России могут выполнять анализ диоксинов, слишком мало, чтобы обеспечивать работу 238 будущих заводов по сжиганию мусора. Такую лабораторию должен иметь каждый завод. Кроме того, необходимо иметь текущие данные по содержанию всех супертоксинов в земле по длине шлейфа от заводской трубы и постоянно их публиковать для сведения населения, проживающего рядом с МСЗ.
Помимо текущего анализа по наличию известных супертоксинов в трёх средах, необходимо ещё и иметь банк материальных свидетелей по ежегодному состоянию почвы. Эта необходимость вызвана неполным знанием действительного состава примесей в выбросных газах МСЗ из-за отсутствия методик анализа всех металлорганических соединений, которые могут присутствовать в выбросных газах. Со временем методики анализа неизвестных ныне металлоорганических соединений будут созданы и банк материальных свидетелей состояния почвы в зоне шлейфа МСЗ поможет получить истинную картину опасностей для человека, живущего рядом с МСЗ. Отечественные разработки по этой теме известны, но они в последние тридцать лет не финансировались и выполнялись в инициативном порядке.
Табл.1. Перечень наиболее известныхсреднетоннажных российских технологий в сравнении с технологиейHitachiZosenInova
Производитель или автор технологии
ЭКУОТ, ООО «ОЗОМ» Россия
РТ-Инвест по технологии «Хитачи — Цосен»
НГКО «ВТОРДРЕВ» и корпорация «ТОНАР» Россия
АО ВНИИЭТО» Процесс ПИРОКСЭЛ Россия
ООО «Компания «Волтрон» Россия
ООО «Гринэнерго» Россия
Технология переработки ТБО
Низко — темпераурный пиролиз
Колосников. сжигание ТБО при подаче воздуха и метана
Прессование ТБО в смеси с вяжущими (MgO и MgCl2)
Высокотемп. пиролиз с элек.-дуговой ванной и с очисткой газа
Высокотемп пиролиз на водяном паре при 1700оС
Дуплексный пиролиз
Технологич. остатки для захоронения на полигонах
нет
30−35%
нет
нет
нет
нет
Ограничения по составу ТБО
Стекло, металл, бетон,
Стекло, металл бетон, кислые гудроны
Кислые гудроны, минеральн. масла
нет
нет
Нет
Привод для генерации эл. энергии
ДВС жидко — топливный.
Паровая турбина
Нет необходи мости
Газо-турбинная Установка
Газотурбин-ная установка
ГПУ или газовая турбина
% российских комплектующих
90%
50%
100%
100%
100%
100%
Конечная продукция
Газ, твёрдое и котельное топливо
Эл. энергия 65 МВт
Строительные блоки для стен
Базальтовое волокно, плитка, чугун
Базальтовое волокно, плитка, чугун
Твёрдое, жидкое и газообразн. топливо
Расчётная окупаемость
3−5 лет
15 лет
2−3 года
3−5 лет
3−5 лет
3−5 лет
* * *
Выводы
1. Покупка импортных МСЗ приведёт к полной утрате отечественного рынка и потере рабочих мест для разработчиков и изготовителей мусороперерабатывающего оборудования.
2. В России есть достаточное количество отечественных процессов переработки бытовых отходов, которые по безопасности для человека, уровню инженерных решений и диапазону возможностей гораздо выше импортного процесса пламенного сжигания на колосниковых решётках, который совершенно не соответствует необходимым условиям эксплуатации на территории России.
3. Основной причиной кризиса в вопросе переработки бытовых отходов является нарушение структурных связей, существовавших до 1991 года, что привело к безнадзорной загрузке полигонов бытовыми отходами вплоть до 2004 года и отсутствию профессионального санитарного надзора за работой полигонов и МСЗ по настоящее время.
4. Выход из кризисного состояния в задаче переработки бытовых отходов возможен лишь при восстановлении разрушенных структурных связей и налаживании производства оборудования для переработки бытовых отходов на отечественных заводах.
* * *
Литература
1. Сывороткин В. Л. Дегазация Земли и разрушение озонового слоя. // «Природа», 1993, №9. С.35−45.
2. Javier Garcia Perez, Pablo Fernandez-Navarro, Adela Castello, Maria Felicitas Lopez-Cima, Rebeca Ramis, Elena Boldo, Gonzalo Loprz-Abente. Cancer mortality in towns in the vicinity of incinerators and installations for the recovery or disposal of hazardous waste. Environment International 51 (2013) S. 31−44.
Продолжение следует.