Перспективы использования вторичных полимерных материалов из бытовых отходов потребления

Горох Н.П., Авраменко В.Л., Коринько И.В.

В роботі розглянуті питання використання вторинної полімерної сировини з побутових відходів споживання полімерів. Показана ефективність залучення у виробничий цикл зазначених відходів як додатковий ресурс для виготовлення виробів, що застосовуються в комунальному господарстві міст.

Проблема рационального использования природных и вторичных ресурсов, охраны окружающей среды по своей актуальности и сложности занимает одно из ведущих мест в научных и практических исследованиях. Большинство проблем охраны окружающей среды и вовлечения вторичных ресурсов в промышленную переработку имеют дискуссионный характер. Отсутствует методический подход к однозначному решению этих проблем с целью создания базы вторичных ресурсов в виде вторичного сырья как резерва для вовлечения в производственный цикл.

При определении экономической эффективности капитальных затрат нужно учитывать изменения окружающей среды, которые могут возникнуть в результате создания новых производственных мощностей по переработке вторичных материалов, в частности полимерных отходов из упаковки и ПЭТ-тары как значительной составляющей отходов потребления. Важными при этом являются вопросы экологического и экономического характера, включая управление отходообращением, использованием природных ресурсов и охраной окружающей среды.

Экономический эффект будет больше, если в оборот будут вовлечены вторичные ресурсы отходов производства и потребления как сырьевой резерв. Это, прежде всего, отходы полимерных изделий, макулатура, ветошь, ПЭТ-тара. Экономические оценки должны осуществляться на основе единого методического подхода и при соответствующей координации.

Решение проблемы комплексного использования вторичных полимерных материалов связано с решением целого ряда научных и практических задач, среди которых важное место занимают определение объемов образующихся полимерных отходов и организация их заготовки в местах образования. С ростом объема потребления готовой продукции существенно увеличиваются отходы потребления. С учетом этого ставится задача определения объемов образования отходов потребления для создания производств по их переработке.

Методы расчета образования отходов совершенствуются путем их обобщения и использования для новых видов отходов и установления влияния отдельных факторов на нормативы их образования (безвозвратные потери сырья при его переработке и амортизации готовых изделий из него, возврат части отходов в технологический процесс и т.п.). Однако применение известных методов расчета, разработанных для традиционных отходов к расчету полимерных отходов, показало, что полученные результаты существенно различаются. Связано это с тем, что авторы методик, при их разработке основываются не на анализе существующих структур источников отходов и их классификации, а исходят из различной трактовки понятий «отходы», «вторичное сырье», «вторичные ресурсы», не учитывая при этом факторы, определяющие удельные нормативы образования отходов, например, выпуск сопутствующей продукции из отходов в местах образования, экономическая целесообразность заготовки отходов потребления на площадях с малой плотностью населения и т.п.

Интенсификация процессов переработки отходов вторичных полимеров в готовую продукцию определяет необходимость новых исследований в этой области. Надо, прежде всего, отметить, что недостаточно полная информация о физико-химических явлениях, происходящих в полимерном материале в процессе эксплуатации и переработки, сдерживает научно-технический прогресс в этой области. В связи с этим нужно проводить исследовательские работы, посвященные количественному анализу химических и физико-химических явлений, протекающих при эксплуатации и переработке пластмасс традиционными способами, а также при изготовлении изделий непосредственно из полимерных отходов, в частности для нужд коммунального хозяйства городов.

В настоящее время внедрение изделий из вторичных полимерных материалов в коммунальном хозяйстве городов является явно недостаточным, хотя потребность, например, в безнапорных полимерных трубах для эксплуатации канализационных систем, систем водоснабжения непрерывно возрастает. К сожалению, незнание механизмов явлений, протекающих при эксплуатации и переработке вторичных полимеров в готовые изделия, требует проведения большого числа экспериментов для установления взаимосвязи между характеристиками сырья, параметрами процесса и характеристиками качества изделий или полуфабрикатов.

При эксплуатации изделий из вторичных полимеров часто возникает необходимость обеспечения прочности. Иногда необходимо, чтобы в результате воздействия на материал определенных эксплуатационных факторов происходило изменение его прочности. Работы в области влияния структуры на эксплуатационные свойства полимеров показали, что в процессе их эксплуатации и переработки физическое или физико-химическое воздействие на полимерные материалы позволяет заметно изменять их свойства, в том числе и прочность.

Для того, чтобы создать полимерную композицию оптимального состава, нужно знать химическую природу компонентов, механизм процесса смещения и уметь управлять им.

Таким образом, одним из основных путей улучшения качества вторичных полимерных материалов является тщательное изучение технологии составления полимерных композиций. Эти технологии основываются на строгом учете роли каждого из компонентов системы, на знании законов смещения и взаимодействия этих компонентов.

Сложность механизма формирования изделий из вторичных пластмасс делает всестороннюю оценку влияния каждого фактора в отдельности на этот процесс практически невозможной. Поэтому получаемые количественные зависимости довольно приблизительные и инженеру-технологу в его деятельности часто приходится руководствоваться простой интуицией.

Долгие годы промышленная переработка вторичных отходов, в том числе полимерных затруднялась тем, что не приносила ощутимой прибыли. Не учитывалось то, что переработка отходов по сравнению с их захоронением и сжиганием является наиболее эффективным способом решения проблемы вторичных отходов, так как требует меньше капитальных и финансовых затрат, позволяет экономить энергию и беречь окружающую среду.

В настоящее время в Украине ежегодно образуется около 6 млн. тонн отходов, среди которых почти 50 % составляют отходы полимерной упаковки. Это обусловлено повышением культуры потребления товаров и их упаковывания и, как следствие, появления большого количества одноразовой упаковки. По этому показателю мы почти догоняем западные страны. Но в отличие от Западной Европы, где перерабатывается от 35 до 70 % бытовых отходов, в Украине до сих пор самым распространенным способом остается захоронение отходов на специальных полигонах.

Что касается переработки пластмассовой упаковки, то она еще полностью не освоена. Отходы пластмасс утилизируются в основном в четырех направлениях:

- использование при изготовлении продукции, аналогичной продукции из первичных полимеров;

- использование при изготовлении специальных изделий из вторичного сырья (тара для товаров бытовой химии, ненапорных труб и др.);

- переработка в химическое сырье; сжигание.

Самым перспективным является использование полимерных отходов как вторичного сырья. В этом случае практически полностью используются полезные свойства вторичных полимеров, с точки зрения их назначения Вторичный полимерный материал используют, как правило, в составе композиции с первичным полимером, в полимерных композициях как самостоятельное (вторичное) полимерное сырье, а также в качестве матрицы для композиции с минеральными или органическими наполнителями.

Система заготовки отходов производства и потребления пластмасс в Украине начала активно развиваться с 1990 г. В последующем она совершенствовалась путем максимального охвата источников отходов, использования прогрессивных технических средств накопления, переработки и транспортировки отходов, а также поиска новых форм и методов их заготовки.

Динамика роста мирового потребления и мощностей для производства первичных полимеров с прогнозом до 2005 г. весьма значительна. На 16-м Всемирном конгрессе по полимерным пленкам в г. Цюрихе ведущие производители полимерного сырья представили свои отчеты и прогнозы о развитии производства крупнотоннажных полимеров. По этим данным мировое потребление и мощности для производства полиэтилена составят к 2005 г. 60449 тыс. т. и 75205 тыс. т. соответственно. Учитывая, что рост изготовления тары и упаковки из полимерных материалов особенно из полиолефинов в европейских странах ежегодно составляет 5 %, можно утверждать, что значительная их часть пополнит по объему их содержание в составе бытовых отходов потребления.

Концепция создания комплексной системы сбора и утилизации полимерных отходов рассматривает их использование, в том числе и без сортировки по видам полимеров на основной источник вторичного полимерного сырья. Это даст возможность создать сырьевую базу, значительно более дешевую по сравнению с базой первичного полимерного сырья, организовать выпуск широкого ассортимента недорогих материалов и изделий производственно-технического назначения для коммунального хозяйства городов.

При этом промышленную переработку полимеров, содержащихся в бытовых отходах потребления целесообразно проводить, по нашему мнению, в следующих направлениях:

- очистка, разделение по видам, агломерация и гранулирование;

- создание полимерных композиционных материалов из вторичного сырья без их сортировки по видам;

- расширение ассортимента изделий для нужд коммунального хозяйства городов Украины.

Энергосберегающие технологии проблем отходообращения

Коринько И.В., Горох Н.П., Углова Т.И.

Одним из распространенных методов термического разложения полимерных отходов при утилизации бытовых отходов является сжигание и пиролиз. Композиционные смеси полимерных отходов из полиэтилена (ПЭ), полистирола (ПС), полипропилена (ПП), полиэтилентерефталата (ПЭТФ, бутылка ПЭТ) и твердые бытовые отходы, накапливаются на полигонах, несанкционированных стихийных свалках. Во многих случаях сжигание и пиролиз представляются наиболее энергетически и экономически выгодными энергосберегающими технологиями для решения проблем отходообращения.

Технология сжигания с использованием получаемого тепла приобретает особое значение в условиях энергетического кризиса. Теплотворная способность (удельная теплота сгорания) отдельных компонентов, входящих в состав ТБО, достаточно высокая.

Таблица 1 – Сравнительная характеристика удельной массовой теплоты сгорания (кКал/кг)

Полимерные отходы в несортированном виде вместе с бытовыми отходами составляют наиболее энергетически обогащенную составную часть «мусорного» топлива. По ориентировочным оценкам до 2 % энергетических потребностей в тепловой энергии г. Харькова можно удовлетворить, сжигая значительную часть городского мусора в тепловых установках ТЭЦ, предварительно подготовив ТБО в «мусорное» топливо в виде брикетов или легковесных композиционных фракций.

Теплота сгорания обычного бытового мусора составляет до 2000 кКал/кг; удельная теплота сгорания полимерных отходов составляет 4156-10986 кКал/кг.

При сжигании «мусорного» топлива целесообразно его разделение или обогащение отдельными компонентами полимерных составляющих для достижения более высоких температур процесса горения котельно-топочных установок. Важно, чтобы до загрузки полимерного «мусорного» топлива, температура камеры сжигания была не ниже 1100 С⁰. При сжигании «мусорного» топлива с содержанием полимерных отходов до 5 % не возникают проблемы образования диоксинов. При содержании более 10-15 % – рекомен-дуется сжигание в специальных печах или очистка образующихся дымовых газов, содержащих токсичные компоненты (диоксины, аммиак, хлор, сернистый газ, хлороводород, нитрозные газы) перед выбросом в атмосферу. В любом случае, необходимым требованием защиты окружающей среды является оборудование пылеочистки тканевыми и электрическими фильтрами. Пылегазоочистные установки, используемые при сжигании бытовых отходов, являются дорогостоящими и сложными в эксплуатации, но, несмотря на эти аргументы, экономия энергии при сжигании «мусорного» топлива остается сегодня важнейшим приоритетным направлением в сфере управления и обращения с отходами. Производство тары и упаковки является энерго-затратным, поэтому затраты могут быть компенсированы энергией, в виде получаемой при сжигании «мусорного» топлива.

Значительная часть полимерных отходов имеет более высокую скорость горения и требует большего количества воздуха, чем бытовые отходы города. Поэтому необходимо их совместное сжигание или изготовление композиционного «мусорного» топливного брикета или легковесных измельченных фракций.

Перспективным способом утилизации смесей из полимерных отходов, содержащих ПВХ, ПЭ, ПП, ПС и ПЭТФ, является пиролиз, – позволяющий получать химическое сырье для новых синтезов или горючее для получения энергетических ресурсов, используют специальные технологии.

Энергия, полученная при полном сжигании разнородных компонентов «мусорного» топлива, входящих в состав ТБО, с обязательным включением составляющей полимерных отходов, может практически полностью покрыть потребность в энергозатратах на удаление накопленных бытовых отходов города.

Для использования энергетических ресурсов отходов необходимы энергосберегающие технологии их переработки и утилизации в виде «мусорного» топлива.

ГКП «Харьковкоммуночиствод» совместно с НИПИ «Энергосталь» провели термографические исследования проб твердых бытовых отходов, образующихся на пищевых предприятиях фирмы «Макдональдс».

Были исследованы три образца составляющих компонентов бытовых отходов – посуды разового использования:

- бумага (основной составляющий компонент) – 66,9 % отходов разовой посуды кафе «Макдональдс»;

- полиэтилен (доля в отходах – более 12 %);

- образец «мусорного» топлива в виде брикета.

Исследования показали, что при нагреве образцов «мусорного» топлива до 1000 ⁰С происходит значительная потеря массы образца:

- для бумаги – 97 %;

- для спрессованного брикета «мусорного» топлива – 95 %.

Установлено, что процессы выгорания, разложения и испарения твердых бытовых отходов в виде брикетов «мусорного» топлива из отходов разовой посуды кафе «Макдональдс», протекают в диапазоне температур 300-600 ⁰С, потери массы брикета составляет 60-70 %.

Кризисная энергетическая ситуация, требует увеличения доли местного твердого топлива в энергетическом балансе, в том числе, не исключается, и более широкое использование низкосортного «мусорного» топлива в виде брикетов горючих компонентов ТБО.

Для жилищно-коммунальной энергетики города использование низкосортного твердого топлива и, в особенности, «мусорного» топлива из ТБО усложняется жесткими требованиями к охране окружающей среды, а также технической недооснащенностью морально устаревших котельных установок с котлами типа «Универсал», НИИСТу – 5 и т.п.

Как показала практика, значительно сократить затраты на реконструкцию существующих котельных установок, повысить надежность процесса сжигания твердого топлива, сохранить высокую интенсивность процесса горения, в том числе и низкосортного «мусорного» топлива, и низкий уровень выбросов продуктов горения в атмосферу, позволяет технология сжигания топлива в «полукипящем» слое. Сжигание в «полукипящем» слое достаточно успешно реализуется в конструкциях стальных котлов водогрейных жаротрубно-дымогарных моделей (КВ – 0,7 КБ/Гс; КВ – 1,0 КБ/Гс; КВ – 1,5 КБ/Гс) совместной разработки Тамбовского Государственного технического университета и коррозионной Ассоциации Российского топливно-энергетического Комплекса Российской Федерации. КПД котла не ниже 75 % при работе на твердом топливе и 91 % при работе на природном газе.

Реальную возможность для сжигания твердого «мусорного» топлива и решения энергетической проблемы дает установка для утилизации ПМУ – 150 М совместной разработки ЮЖД и Харьковской НПФ «Технология» СВНЦ НАН Украины. Техническая характеристика печных котельных установок приведена в сводной таблице 2.

Таблица 2 – Сравнительная техническая характеристика

Таким образом, используя имеющиеся технологии сжигания и утилизации «мусорного» топлива с учетом технической характеристики, степени очистки отходящих газов, отвечающей санитарно-эпидемиологическим нормам, автономности, номинальной теплопроизводительности (МВт), простоте технического обслуживания, стоимости, возможно частично решить проблему городских отходов в неразрывной связи с энергетической проблемой коммунального хозяйства города.

Литература

1. Л. Штарке «Использование промышленных и бытовых отходов пластмасс». Пер. с нем. Ленинград, «Химия», 1987, стр.168-169.

2. Дж. Х. Бристон «Полимерные пленки» Пер. с англ. М. «Химия» 1993, стр. 356-359.

3. Тематическое сообщение «круглого стола» «Утилизация и переработка ресурсно-ценных бытовых и промышленных отходов» г. Харьков, Международный бизнес-форум «Славянский базар», стр. 56-57.

4. X Юбилейная Международная научно-техническая конференция «Экология и здоровье человека. Охрана водного и воздушного бассейнов. Утилизация отходов». Сборник научных статей, г. Щелкино, АР Крым 2002г., том 2, стр. 255-258.

Система управления и реологические свойства в технологиях полимерных отходов мегаполиса.