Skip to Content

ГРАНИ ГОРЕНИЯ

48,5 млн тонн твердых бытовых отходов (ТБО) образовалось в России за 2020 год — в среднем по 450 кг на каждого россиянина. Большая часть этого мусора, 75%, было захоронено на свалках и полигонах. Но в стране постепенно внедряются новые подходы к утилизации отходов, среди которых наиболее активно развивается мусоросжигание. Молодой ученый из Удмуртского федерального исследовательского центра УрО РАН (г. Ижевск) кандидат физико-математических наук Артем Шаклеин на фундаментальном уровне изучает процессы, протекающие в реакторах для сжигания ТБО, чтобы понять, как можно повысить эффективность таких технологий. Проект поддержан грантом РНФ. Наш корреспондент побеседовал с Артемом об этой работе.
— В прошлом году в России был объявлен амбициозный план по запуску 25 мусоросжигательных заводов в десятках регионов. Артем, в чем, по вашему мнению, привлекательность этого способа утилизации отходов?
— Не секрет, что проблема утилизации твердых бытовых отходов остро стоит на всей планете. Так, к 2016 году объем их образования в мире превысил 1,3 млрд тонн, из них на США пришлось свыше 260 млн тонн, на Европу — около 250 млн тонн, на Россию — около 50 млн тонн. С каждым годом уровень потребления, и, соответственно, количество производимых человечеством отходов возрастают. И в нашей стране проблема утилизации ТБО все чаще выходит на передний план. Президент РФ в своем послании к Федеральному Собранию в 2019 году отметил, что в России необходимо сформировать цивилизованную, безопасную систему обращения с отходами, повысив долю переработки с 8–9% до 60%.
В разных странах применяется несколько способов обращения с ТБО: захоронение, переработка в энергию, вторичная переработка, вторичное использование, а также снижение объемов образуемых отходов. Методы перечислены в порядке возрастания привлекательности применения с точки зрения наносимого вреда окружающей среде и здоровью человека. Захоронение — наиболее дешевый способ обращения с отходами, но он ведет к загрязнению почвы, грунтовых вод и атмосферы.
Сжигание мусора с получением энергии довольно широко распространено в мировой практике, несмотря на то что существуют другие, более привлекательные с экологической и экономической точки зрения методы. Дело в том, что требования к сортировке отходов для заводов по сжиганию мусора намного ниже, чем при вторичной переработке или вторичном использовании. Поэтому данный метод столь привлекателен для стран, в которых плохо развит раздельный сбор отходов.
— Критики мусоросжигания как раз и говорят о низкой экологичности и экономичности сжигания. Насколько такие доводы обоснованы?
— Я бы рассматривал сжигание как один из вариантов обращения с твердыми бытовыми отходами. При их захоронении сложно контролировать выделение вредных веществ в почву и атмосферу, в то время как при сжигании есть возможность управлять выбросом вредных веществ, так как весь процесс утилизации происходит локально на территории одного завода.
Безусловно, при сжигании следует обращать внимание на образующиеся в результате реакций пиролиза и горения вредные вещества, такие как диоксины, фураны, оксиды азота, оксиды серы, гидрохлориды, сажу. Ведь, например, диоксины и фураны очень опасны, способны вызывать онкологические заболевания и снижать иммунитет. Поэтому важно проводить исследования, направленные на повышение эффективности утилизации ТБО сжиганием и на снижение выброса вредных веществ в атмосферу.
Следует отметить также, что по сравнению с электростанциями, работающими на природном газе, мусоросжигательные заводы проигрывают как по теплотворной способности горючего, так и по эффективности преобразования запасенной химической энергии в электрическую.
— Как ваше исследование влияет на решение имеющихся проблем?
— Для повышения эффективности утилизации ТБО сжиганием, снижения концентраций выделяющихся в результате сгорания вредных для здоровья человека и окружающей среды веществ, увеличения получаемой энергии требуется углубление теоретических знаний о природе протекающих при этом процессов, их взаимосвязи и механизмах безопасного сжигания отходов. Так, одно из важных направлений исследований — изучение фундаментальных закономерностей методик высокотемпературного пиролиза и дожигания продуктов сгорания. Развитие теоретических основ как процесса сжигания твердых бытовых отходов в целом, так и отдельных его составляющих (пиролиза, горения, тепло- и массопереноса, течения многокомпонентного газа) и их взаимосвязи позволит исследовать и разрабатывать новые методики утилизации с применением сжигания, что, в свою очередь, приведет к повышению эффективности таких технологий.
В рамках нашего проекта уже получена методика, позволяющая оценивать влияние внешнего источника тепловой энергии на горение-пиролиз твердых бытовых отходов при их утилизации с учетом максимально возможного количества основополагающих факторов и с их равнозначным разрешением. На основе упрощенной модели реактора показана возможность изменения состава газообразных продуктов сжигания-пиролиза некоторых полимерных материалов за счет применения дополнительного источника тепловой энергии.
— Исходя из ваших моделей, как должен быть устроен идеальный реактор для сжигания?
— Это установка, позволяющая при сжигании органических веществ получать на выходе углекислый газ и воду и полностью преобразовывать выделяющуюся в результате горения тепловую энергию, например, в электрическую. Однако на практике достижение идеальных условий нецелесообразно. В реальности всегда идет поиск компромисса между затратами на исследования, сложностью конструкции реактора и требованиями, предъявляемыми к процессу.
— Какое максимальное количество энергии можно получить при сжигании отходов?
— Оно определяется разницей энтальпий (тепловая функция, от др.-греч. «нагреваю» — ред.) образования конечных и начальных веществ в рассматриваемой системе — продуктов и реагентов соответственно. Например, для формальдегида, основы полиоксиметилена, теплота сгорания составляет 19 МДж/кг, в то время как теплота сгорания природного газа составляет порядка 45 МДж/кг. Но на практике всегда существуют различные потери в виде ухода тепловой энергии в окружающую среду, неполного сгорания, неоднородного состава исходного материала, в нашем случае твердых бытовых отходов, в результате чего снижается количество энергии, которое могло бы быть преобразовано в механическую или электрическую. Так, КПД мусоросжигательных заводов составляет до 25% против 50% у электростанций, работающих на природном газе.
— Сделано ли уже что-то для внедрения результатов исследования?
— Повторюсь, наш проект ориентирован на проведение фундаментальных научных исследований. Цель его — теоретическое исследование утилизации твердых бытовых и промышленных отходов сжиганием в тепловом реакторе, оценка применимости методик высокотемпературного пиролиза, а также дожигания продуктов сгорания при термической утилизации отходов для снижения вредных выбросов в окружающую среду и увеличения количества вырабатываемой энергии. Более того, тематика проекта является новой для нашей лаборатории. Поэтому говорить о практическом использовании результатов исследования на данный момент преждевременно. Для этого нужно прежде всего рассмотреть широкий ряд материалов, составляющих основу подлежащих утилизации отходов, а также учесть конструктивные особенности промышленных реакторов по сжиганию. С другой стороны, необходимо провести дополнительные исследования на используемом модельном реакторе, рассмотрев большее количество мощностей и положений источника, а также изучить возможность учета влияния электрического заряда на химические реакции при горении для установления более эффективного способа достижения поставленной цели.
Павел КИЕВ
 
Год: 
2021
Месяц: 
август
Номер выпуска: 
15-16
Абсолютный номер: 
1236
Изменено 30.08.2021 - 17:28


2021 © Российская академия наук Уральское отделение РАН
620990, г. Екатеринбург, ул. Первомайская, 91
makarov@prm.uran.ru +7(343) 374-07-47