Ко-процессинг отходов — способ сохранения ресурсов

РЕФЕРАТ. Увеличение спроса в развивающихся странах в сочетании с недостаточностью ресурсов, ужесточение норм на выбросы парниковых газов, увеличение потребления с последующим ростом отходов представляют использование низкокачественных ресурсов и переработку отходов в ресурсоемких отраслях промышленности интересной возможностью.

Ко-процессинг отходов и низкокачественных ресурсов сочетает полную утилизацию энергии из органической составляющей и полное повторное использование минеральной составляющей, которые совместно необходимы в основных ресурсоемких отрас­лях промышленности.

Например, негосударственные организации и международные организации (ООН) сейчас признали, что цементные печи являются наилучшим оборудованием для локальной переработки опасных органических отходов в тех странах, которые ограничивают строительство у себя мусоросжигательных установок или совсем их не строят.

Для использования ко-процессинга в  промышленности необходимы высокий уровень ее развития и профессиональный подход, причем его применение требует управления и мониторинга со стороны властей, как и все другие способы организации сбора и удаления отходов. Ко-процессинг сокращает потребность в ископаемом топливе и первичном сырье и способствует общему снижению выбросов CO2 по сравнению со складированием на свалки или сжиганием отходов.

Ключевые слова: ко-процессинг, топливо из бытовых отходов, цементные печи.

Keywords: co-processing, RDF, cement kilns.

Введение

Развивать инфраструктуру по организации сбора и удаления опасных отходов и использовать низкокачественные ресурсы необходимо не только для защиты здоровья человека и сохранения окружающей среды, это требу-ется для уверенного развития всей экономики [1, 2]. Во многих странах соответствующая инфраструктура утилизации опасных отходов просто отсутствует [3, 4].

Зачастую целые отрасли и/или отдельные организации, вырабатывающие опасные отходы, располагают ограниченными возможностями их переработки с помощью рентабельных способов, не приносящих вреда окружаю­щей среде. Например, жидкие органические опасные отходы, включая отработанные мас­ла, часто используют в небольших печах и котлах бесконтрольно или без какой-либо возможности проследить их происхождение.

Промышленная и иная человеческая деятельность ведет к увеличению уровня выработки отходов задолго до того, когда появляются соответствующие способы их переработки. Иногда реализуются временные решения, такие как складирование на площадках или свалках. Таким образом, появляются задачи не только складирования вновь появляющихся отходов, но и содержания складированных отходов [3].

Поскольку бетон является основным элементом строительства и общего развития, строится все больше цементных заводов, требующих огромного количества энергоносителей и минеральных ресурсов. При профессиональном подходе и управлении цементная промышленность может предложить отдельным фирмам и отраслям промышленности полный набор услуг для экономичного, экологически безопасного решения проблем переработки многочисленных опасных и неопасных промышленных и муниципальных отходов. По сравнению с другими процессами переработки, ко-процессинг в цементных печах не требует значительных капитало­вложений и не создает жидких или твердых остаточных продуктов. Таким образом, при соответствующей организации, наличии законодательных актов и контроле данный метод может быть чрезвычайно привлекательным во многих странах, включая развивающиеся. Однако ко-процессинг должен быть одним из пунктов национальной политики.

В октябре 2011 года конференция ООН (UN COP 10) поддержала предложение SBC (Secretariat of the Basel Convention) по документу «Технические руководящие правила в отношении экологичного ко-процессинга опас­ных отходов в цементных печах» (http: //www.basel.int/).

Основная цель данной статьи состоит в том, чтобы представить передовые технические методы, которые являются отправной точкой для цементных заводов при совместной переработке альтернативных видов топлива из отходов и переработке опасных отходов.

Цементная промышленность

В 2010 году в мире произведено более 3 млрд т цемента, причем доля Китая составила не менее 60 %. По расчетам, к 2020 году потребление цемента составит от 3,5 до 4,0 млрд т при соответствующем росте расхода энергии и сырья и увеличении выбросов вредных веществ. Перечислим основные способы минимизации воздействия на окружаю­щую среду и снижения выбросов CO₂ в цементной отрасли (влияющие на это факторы представлены также на рис. 1):

• достижение максимальной эффективности технологического процесса и соответствующего оборудования для наиболее полного использования топлива и материалов. С развитием наилучших доступных технологий в будущем эта потенциальная экономия сохранит решающее значение;

• сокращение использования в технологическом процессе традиционных природных ресурсов и ископаемых видов топлива путем увеличения использования низкокачественных ресурсов и отходов [5];

• расширение сфер применения цемента путем замены в нем клинкера альтернативными минеральными веществами, имеющими пуццолановые или гидравлические свойства — природными или полученными искусственно.

Рис. 1. Факторы, влияющие на минимизацию воздействия на окружающую среду и снижения выбросов CO₂ в цементной отрасли: а — замещение клинкера в цементе, б — замещение топлива и сырья отходами, в — ввод в эксплуатацию современного оборудования как средство снижения удельных затрат тепла на обжиг клинкера

Прогресс в замещении клинкера в цементе другими компонентами показан на рис. 1, а. Совершенствование продукции отрасли выразилось в существенном увеличении производства видов цемента с добавками и соответствующем уменьшении доли клинкера в цементе до 71,5 % в 2008 году.

Второй фактор — замещение топлива и сырья отходами. Оптимизация топлива и сырья с помощью ко-процессинга отходов еще имеет потенциал. На рис. 1, б показана доля отдельных видов топлива в структуре топливного баланса отрасли.

Роль ввода в эксплуатацию современного оборудования показана на рис. 1, в. Видно, что эффективность использования тепловой энергии в последние годы перестала изменяться.

Рекомендации по ко-процессингу

Передовые методы ко-процессинга зависят от конкретного завода, региона и страны и от таких конкретных факторов, как законодательство, химический состав сырья, наличие низкокачественных ресурсов и отходов, инфраструктуры и особенностей используемых технологических процессов, а также вопросов, связанных со здоровьем трудящихся, безопасностью на производстве и экологией [6—11]. В разрешении, выдаваемом на начало строительных работ, должны быть подробно и однозначно описаны передовые методы осуществления предварительной подготовки и ко-процессинга. Этим обеспечивается соответствие спроектированных цементных заводов признанным на международном уровне экологическим принципам [12—14]. Фундаментальный и всеобъемлющий принцип представленных здесь рекомендаций состоит в том, чтобы не допустить использования не отвечающих определенным требованиям отходов и/или увеличения объемов вредных выбросов.

Элементы политики. Авторы рекомендуют разработать национальную политику в области организации работы с отходами, которая позволяла бы обеспечить развитие, реализацию стратегий, законодательство, директивные материалы, планы, параметры переработки и другие элементы национальной политики в соответствии со следующими руководящими принципами [15, 16]:

• цементные печи будут прежде всего применяться для использования энергии и материалов, т. e. для ко-процессинга альтернативных видов топлива и сырья, которые могут частично заменять ископаемое топливо и/или первичное сырье;

• при отсутствии других возможностей и срочной необходимости переработки опас­ных органических соединений для нее можно использовать подходящую цемент­ную печь, если это осуществляется под строгим контролем и согласно руководящим указаниям правительственных органов. Такие виды работ должны проводиться при наличии специального разрешения и в соответствии с конкретными указаниями [17, 18];

• национальная политика должна быть нацелена на разумное потребление ресурсов и энергии и отвечать требованиям соответствующих международных конвенций.

Рекомендации и ограничения. В нормативной базе должны быть затронуты «все» аспекты ко-процессинга альтернативных видов топлива и сырья из отходов (Alternative Fuel and Raw Materials — AFR) и утилизации опасных отходов в цементных печах с использованием международных рекомендаций и экологических принципов управления [15, 16]. Однако эти принципы должны быть адаптированы к местным условиям с учетом таких моментов, как законодательство, виды отходов и их характеристики, наличие предприятия по их предварительной обработке и возможность ко-процессинга на местном цементном заводе [19]. Окончательный ко-процессинг и утилизация на цементном заводе определяются химическим составом местного сырья и топлива, наличием AFR и отходов, инфраструктурой и применяемым на заводе технологическим процессом, наличием оборудования для контроля, транспорта и подачи отходов в процесс, конкретными требованиями на площадке по охра­не здоровья трудящихся и их безопасности и экологическими требованиями.

Бизнес-модель совместной переработки. Весь существующий опыт доказывает, что наиболее подходящей является следующая бизнес-модель:

• каждая компания, эксплуатирующая цементный завод, должна создать отдельное подразделение по совместной переработке отходов, ориентированное на предоставление услуг;

• основные задачи — взаимодействие между рынками отходов и цементным заводом по предварительной переработке отходов: маркетинг, идентификация, контроль, подготовка и доставка материалов на цемент­ный завод.

Прием отходов и контроль их качества. Цель процедур начального приема — установить внешние границы и пределы для отходов, которые могут быть использованы в конкретной печи, а также условия и требования по их подготовке и доставке [20, 21]. Любые отходы, предназначенные для ко-процессинга, должны удовлетворять конкретным параметрам, согласованным между предприя­тием, где производится предварительная переработка, и цемент­ным заводом.

Оценка возможных воздействий. Пос­ле получения данных по отходам специалисты цементного завода и специалисты, занимающиеся предварительной обработкой этих отходов, должны выполнить следующее:

• оценить возможное воздействие процесса перевозки, разгрузки, хранения и использования материала на здоровье и безопас­ность сотрудников компании, представителей подрядных организаций и на население ближайших населенных пунктов, а также убедиться в том, что задействованы именно то оборудование или управленческие практики, которые необходимы в данной ситуации;

• определить потребность в средствах индивидуальной защиты для персонала, который будет работать с отходами на площадке;

• оценить совместимость отходов — нельзя смешивать способные вступать в реакцию или несовместимые отходы;

• оценить воздействие, которое могут иметь отходы на технологический процесс. Хлор, фтор, сера и щелочи могут накапливаться в печной системе, что приводит к забиванию и неустойчивой работе; повышенное содержание хлора или щелочей может привести к образованию пыли в самой печи или в байпасном газоходе (и может потребовать установки такого байпаса), причем эту пыль нужно обязательно удалять, возвращать в процесс или вывозить за пределы предприятия. Теплотворная способность топлива является основным параметром энергоносителя, используемого в технологическом процессе. Отходы с высоким содержанием влаги могут снизить производительность и эффективность печной системы, а образующаяся зола изменяет химический состав цемента и может потребовать корректировки состава сырьевой смеси;

• оценить потенциальное влияние на стабильность процесса и на качество конечной продукции;

• оценить возможное влияние отходов на выбросы в атмосферу и указать на необходимость установки нового оборудования или использование новых процедур с тем, чтобы предотвратить отрицательное воздействие на окружающую среду [22, 23];

• определить, данные какого анализа должен передать поставщик отходов с каждой партией материала, и необходимо ли испытывать все поступления перед их разгрузкой на площадке.

Ограничения использования отходов. Перечислим отходы, неприемлемые для прямого ко-процессинга:

• отходы электронной промышленности и целые аккумуляторные батареи — в них очень высок уровень содержания тяжелых металлов;

• инфицированные и биологически активные медицинские отходы — работать с такими отходами можно только в «закрытых боксах», а в случае прямого ввода в печь контролировать ситуацию с ними совершенно невозможно;

• минеральные кислоты и корродирующие вещества — отсутствует дополнительный выигрыш при получении клинкера;

• взрывчатые вещества;

• асбест, который должен быть уничтожен при полном расплавлении, а не частичном, как при получении клинкера;

• радиоактивные отходы;

• несортированные бытовые отходы — невозможен их контроль. Сортировка твердых бытовых отходов обязательна.

Предварительная подготовка и совместная переработка отходов. Использование отходов не должно мешать плавной и бесперебойной работе печи, отражаться на качестве продукции или на экологической ситуации на площадке, т. е. отходы должны быть однородными и иметь неизменный химический состав и теплотворную способность, а также требуемый гранулометрический состав [24]. В связи с этим может потребоваться предварительная обработка и подготовка материала с целью обеспечить его бóльшую однородность и более стабильные условия его сжигания.

Для решения этих задач существует широкий спектр методов, среди которых:

• смешивание и усреднение жидких отходов для того, чтобы они отвечали требованиям по вязкости, составу и/или теплосодержанию;

• измельчение, дробление и резка упакованных отходов и крупноразмерных горючих отходов, например шин;

• смешивание отходов в бункере с использованием грейфера или другого устрой­ства (например, машины для сбора шлама сточных вод);

• производство топлива на базе отходов (Refuse Derived Fuel — RDF), обычно таких, которые получены из разрозненных источников, и/или других неопасных отходов.

Альтернативные виды ресурсов и расположение мест ввода топлива. Топливо вводится в цементный печной агрегат с помощью следующих устройств:

• основной горелки в горячем конце вращающейся печи;

• загрузочного желоба переходной камеры в холодном конце вращающейся печи (для кускового топлива);

• топливных горелок в вентиляционном стоя­ке;

• горелок декарбонизатора;

• желоба загрузки в декарбонизатор (для кускового топлива);

• устройства введения топлива в центральную часть длинных печей, работающих по мокрому и сухому способам (для кускового топлива).

На рис. 2 представлены основные узлы печного агрегата.

Рис. 2. Основные узлы печного агрегата

Особенности ко-процессинга опасных отходов. Опасные отходы следует вводить в высокотемпературные зоны печной системы, т. е. через главную горелку, горелку декарбонизатора, дожигатель в теплообменнике, или в среднюю часть печи (для печей, работающих по мокрому и сухому способам). Стойкие загрязняющие вещества органического происхождения и органические соединения с высоким содержанием хлора следует вводить в главную горелку с тем, чтобы обеспечить полное сгорание в условиях высокой температуры и длительное время пребывания [25]. Другими точками ввода можно пользоваться только в том случае, когда испытания показали высокую степень эффективности уничтожения загрязняющих веществ и удаления продуктов сгорания.

Такие испытания рекомендуется проводить для демонстрации эффективности уничтожения и удаления (Destruction апd Rеmoval Efficiency — DRE) и эффективности уничтожения (Destruction Efficiency — DE) некоторых главных опасных органических соединений (Principal Organic Hazardous Compounds — POHC) в цементной печи. Значение DRE рассчитывают на основе массы POHC, подаваемых в печь, за вычетом отношения массы POHC, остающихся в выбросах в атмосферу, к массе POHC в загружаемом материале [4, 17, 18, 23].

Работа печи, совместная переработка AFR и технологический контроль. Следует разработать технологический регламент, определяющий приемлемый состав вводимых в процесс отходов, включая допустимые колебания их физических и/или химических свойств. Для каждого вида отходов в регламенте должен быть предусмотрен рабочий диапазон расхода материала, температур, времени выдержки, потребность в кислороде и т. д.

Необходимо точно определить влияние отходов на общее количество вводимых в процесс циркулирующих летучих элементов, таких как хлор, сера или щелочи, поскольку это может отразиться на работе всей печной системы. Следует создать систему предупреж­дения аварийных ситуаций для автоматической остановки подачи опасных веществ в том случае, если возникнет одна из указанных ниже ситуаций [23]:

• падение температуры в печи ниже 1100 °C;

• прерывание подачи обычной сырьевой муки и топлива;

• уменьшение скорости вращения печи ниже 60 об./ч;

• содержание кислорода в отходящих газах печи менее 1,5 %;

• опасные отходы нельзя использовать при выходе из строя газоочистных установок. 

Отходящие печные газы должны быть быс­тро обработаны и охлаждены до температуры ниже 200 °C, чтобы не допустить образования и выброса диоксинов и других стойких органических загрязняющих веществ [22].

Завод должен иметь полноценную лабораторию с достаточной инфраструктурой, пробоотборным оборудованием, контрольно-измерительные приборы и автоматику (КИП и А) и испытательное оборудование.

Необходимо организовать мониторинг выбросов и контроль качества воздуха для выполнения требований существующих законов, правил и договоренностей. Также нужен мониторинг выбросов для того, чтобы контролировать ввод в процесс обычных материалов и их потенциальное влияние.

Разрабатывается целый ряд новых технологий. Ключевыми при этом являются:

• гибкость установок;

• поэтапность капиталовложений;

• расширение ассортимента перерабатываемых отходов;

• увеличение коэффициента теплового замещения (Thermal Substitution Rate — TSR) без влияния на процесс получения клинкера.

Качество цемента. Доказано, что если совместная переработка проводится с соблюдением всех правил, то использование альтернативных видов топлива не приводит к ухудшению качества цемента. Настоятельно рекомендуется организовать контроль качества и сертификацию, чтобы гарантировать потенциальное использование конечной продукции на основе цемента (раствор и бетон) в системах подачи питьевой воды.

Потенциальная экономия

Исходя из опыта, полученного в более чем 40 странах (развивающихся, находящихся в переходном состоянии, развитых), на рис. 3 представлена чистая прибыль, получаемая благодаря использованию ко-процессинга.

Рис. 3. Чистая прибыль, получаемая благодаря использованию ко-процессинга

С самого начала (если полностью одобрены и выполняются все условия, изложенные в данной статье и основанные главным образом на предлагаемой бизнес-модели) в нормальных условиях для полной реализации проекта понадобится 5 лет.

На мировом уровне может быть достигнута чистая прибыль в размере 5 US$/т клинкера. Возможность достижения этого показателя в различных странах зависит от существующего или планируемого там законодательства и его применения.

Заключение

В цементной промышленности в широком диапазоне применяются нефтяной кокс и целый ряд альтернативных ресурсов (различные виды топлива, сырья и органические опасные отходы).

Ко-процессинг альтернативных видов ресурсов в цементных печах включает полное извлечение энергии и ценных компонентов сырья, содержащихся в отходах, т. е. сокращение потребности в ископаемом топливе и первичном сырье в производстве цемента, что больше способствует устойчивому развитию всей отрасли и уменьшению выбросов CO₂ по сравнению с экспортом или строительством новой установки для сжигания отходов. Однако такую практику должны регулировать и отслеживать государственные органы, как и все другие мероприятия по организации сбора и удаления отходов. Цементная промышленность должна приложить все усилия, чтобы применять самые передовые технологии и не воздействовать отрицательно на окружающую среду; одно нежелательное происшествие может отрицательно повлиять на всю отрасль.

Ко-процессинг альтернативных ресурсов является единственным способом поддерживать устойчивое развитие цементной отрасли в долгосрочном плане.

Некоторые ключевые игроки на рынке цемента доказали свою способность предвидеть истощение ресурсов и разработали свои стратегические планы использования альтернативных ресурсов в качестве приоритета для обеспечения долгосрочного устойчивого развития:

• превращение в ключевого игрока на местном, региональном, национальном уровне в отношении стратегии использования отходов;

• продвижение к оказанию услуг отдельным компаниям и целым отраслям;

• интеграция всех мероприятий по логистике и предварительной переработке отходов;

• решение местных экологических проблем;

• поддержание и улучшение своей конкурентноспособности и сохранение своего «права заниматься бизнесом».

Только разрабатывая всеобъемлющую и интегрированную бизнес-модель, диверсифицируя сферы деятельности по видам услуг и продукции, можно обеспечить себе место в будущем.

ЛИТЕРАТУРА

1. Council Directive 2000/76/EC on the Incineration of Waste // Official J. of the European Communities. Brussels, Official J. L 332, 28/12/2000.

2. Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC). Reference Document on the Best Available Techniques for Waste Incineration. European Commison, August 2007.

3. Karstensen K.H. Benefits of incinerating hazardous wastes in cement kilns / FAO Pesticide Disposal Series 6. Prevention and disposal of obsolete and unwanted pesticide stocks in Africa and the Near East, Third consultation meeting. Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome, 1998.

4. Karstensen K.H. Disposal of obsolete pesticides in cement kilns in developing countries — Lessons learned and how to proceed // 6th Intern. HCH and Pesticide Forum, Poznan, Poland, 20—22 March, 2001.

5. Karstensen K.H. Burning of hazardous wastes as co-fuel in a cement kiln — does it affect the environmental quality of cement? — Leaching from Cement Based Materials. Studies in Environmental Science 60 // Environmental Aspects of Construction with Waste Materials. Elsevier, Amsterdam, the Netherlands, 1994.

6. GTZ-Holcim. Guidelines on Co-Processing Waste Materials in Cement Production. 2006. http: //www.holcim.com

7. World Business Council for Sustainable Development (WBCSD). 2006. Guidelines for the Selection and Use of Fuels and Raw Materials in the Cement Manufacturing Process. www.wbcsd.com

8. Basel Convention, 2007. General technical guidelines for the environmentally sound management of wastes consisting of, containing or contaminated with persistent organic pollutants (POPs). http: //www.basel.int/techmatters/techguid/ frsetmain.php? topicId = 0

9. Basel Conventions, 2011: Technical guidelines for co-processing of hazardous wastes in cement kilns (COP 10 Cartagena,   October 17—21, 2011).

10. Karstensen K.H. Guidelines for co-processing // Proc. of China Intern. Conf. on the Utilization of Secondary Materials and Fuel in Building Materials Industry. Institute of Technical Information for Building Materials Industry of China. N 1. Guanzhuang Dongli, Chaoyang District, Beijing, China.Beijing International Exhibition Center. 29 June 2009.

11. Karstensen K.H. Requirements for co-processing of AFR and treatment of organic hazardous wastes in cement kilns // Proc. of «China International Conference on the Utilization of Secondary Materials and Fuel in Building Materials Industry». Institute of Technical Information for Building Materials Industry of China, No.1, GuanzhuangDongli, Chaoyang District, Beijing, China. Beijing International Exhibition Center. 29 June 2009.

12. OECD, 2004. Recommendation of the Council on the Environmentally Sound Management (ESM) of Waste. www.oecd.org

13. Federal Register, 1999. NESHAPS: Final standards for hazardous air pollutants for hazardous waste combustors. September 30, 64: 52828—53077.

14. Federal Register, 2005. NESHAP: Standards for Hazardous Air Pollutants for Hazardous Waste Combustors (FinalRule). http: //www.epa.gov/EPA-WASTE/2005/October/Day-12/f18824b.htm

15. Karstensen K.H. National policy on high temperature thermal waste treatment and cement kiln alternative fuel use: Cement Production Technology. Department Environmental Affairs and Tourism of the Republic of South Africa. 2007. Available from http://www.deat.gov.za//PolLeg/GenPolicy/2008Sep25/cement.html [Accessed 2 January 2009].

16. Karstensen K.H. National policy on high temperature thermal waste treatment and cement kiln alternative fuel use: Guidelines for Co-processing of Alternative Fuels and Raw Materials and Treatment of Organic Hazardous Wastes in Cement Kilns.Department Environmental Affairs and Tourism of the Republic of South Africa. 2008. Available from http: //www.deat.gov.za//PolLeg/GenPolicy/2008Sep25/cement.html [Accessed 2 January 2009].

17. Karstensen K.H. Incineration of principal organic hazardous compounds and hazardous wastes in cement kilns — Which requirements should be fulfilled? // First Continental Conference for Africa on the Environmentally Sound Management of Unwanted Stocks of Hazardous Wastes and their Prevention. Basel Convention, Rabat, 8—12 January 2001.

18. Karstensen K.H., Kinh N.K., Thang L.B., Viet P.H. et al. Environmentally sound destruction of obsolete pesticides in developing countries using cement kilns // Environ. Sci. & Policy. 2006. N 9. P. 577—586.

19. Karstensen K.H. Cement production in vertical shaft kilns in china — status and opportunities for improvement. Report to the United Nations Industrial Development Organization. 31 January 2006.

20. Oss H.G., Padovani A.C. Cement manufacture and the environment. Part II: Environmental challenges and opportunities // J. of Industrial Ecology. 2003. Vol. 7, N 1. P. 93—125.

21. Neosysag&Ecoscansa. AFR criteria guidelines for co-processing in cement kilns. 2004. Ref. 4829.02 / 3606.2.

22. Karstensen K.H. Formation, release and control of dioxins in cement kilns — a review // Chemosphere. 2008. Vol. 70. P. 543—560.

23. Karstensen K.H., Mubarak A.M., Bandula X., Gunadasa H.N. et al. Test burn with PCB in a local cement kiln in Sri Lanka // Chemosphere. 2010. Vol. 78. P. 717—723.

24. Stockholm Convention Expert Group on Best Available Techniques and Best Environmental Practices. Expert group on BAT/BEP — Cement Kilns firing hazardous waste, submitted February 2007. UNEP. http: //www.pops.int/documents/guidance/ batbep/batbepguide_en.pdf

25. Karstensen K.H. Formation and Release of POPs in the Cement Industry. Rep. to the World Business Council for Sustainable Development. 30 January 2006.