Potenziale di utilizzo dei rifiuti industriali e urbani nel settore russo dei combustibili e dell'energia

Il problema dello smaltimento dei rifiuti industriali e urbani è uno dei più urgenti nel mondo moderno [1]. L'aumento annuale dei volumi di produzione e l'accumulo di rifiuti comportano l'inquinamento del suolo, dell'acqua e dell'aria, un peggioramento della qualità della vita delle persone e un aggravamento dei problemi economici. Secondo l’Agenzia Internazionale per l’Energia (IEA) [2], circa il 20% delle emissioni globali annuali di metano (71×106 t) associate all’attività umana derivano dalla decomposizione naturale dei rifiuti accumulati. Le emissioni di metano, essendo il gas con il più grande potenziale di effetto serra, causano danni ambientali ed economici, rendendo praticamente impossibile il raggiungimento degli Obiettivi di sviluppo sostenibile delle Nazioni Unite [3]. Con la crescita dell'urbanizzazione e dell'industrializzazione, il tasso di produzione di rifiuti ha raggiunto proporzioni impressionanti. Ogni anno nel mondo vengono prodotti circa 20 miliardi di tonnellate di rifiuti [4]. Si prevede che tale volume aumenterà fino a 46 miliardi di tonnellate entro il 2050 [4]. Di questi, 2 miliardi di tonnellate sono oggi rifiuti solidi urbani e, secondo le previsioni, entro il 2050 questo volume aumenterà a 3,4 miliardi di tonnellate [5]. La maggior parte di essi è costituita da rifiuti industriali, che in alcuni casi sono un sottoprodotto e non hanno ulteriore utilizzo per lo scopo previsto [6]. I rifiuti non trattati, se conservati all'aperto, possono rilasciare composti tossici pericolosi per l'uomo e per l'ambiente. Si può sostenere che gli enormi volumi di rifiuti accumulati oggi rappresentino una delle minacce più gravi che l'umanità si trova ad affrontare.

Rifiuti industriali. Secondo Rosprirodnadzor [7], nel 2023 in Russia sono stati prodotti 9,3 miliardi di tonnellate di rifiuti, ovvero il 2,9% in più rispetto al 2022, di cui i rifiuti dei consumatori (RSU e WWS) rappresentano meno dell'1%. In Russia si sono accumulati ormai più di 55 miliardi di tonnellate di rifiuti, e questa quantità aumenta di circa il 5% ogni anno [8]. Circa il 97% di tutti i rifiuti nella Federazione Russa è costituito da rifiuti derivanti dall'estrazione di minerali solidi e liquidi [7, 8]. Secondo la distribuzione territoriale, la maggior parte dei rifiuti viene prodotta nel Distretto Federale Siberiano [8]. La produzione di rifiuti nella regione di Kemerovo rappresenta il 44% della quantità totale di rifiuti industriali in Russia [8]. Ciò è dovuto al contributo maggiore dei rifiuti derivanti dall'estrazione e dall'arricchimento del carbone, nonché ai residui di ceneri e scorie generati nelle centrali termoelettriche a carbone.

Dal punto di vista dell'impiego nel settore dei combustibili e dell'energia, il maggiore interesse è rappresentato dagli scarti dell'arricchimento del carbone, che costituiscono un sottoprodotto di questo processo. Durante la preparazione del carbone estratto per il trasporto a lunga distanza fino al consumatore, questo viene arricchito. La roccia carbonifera originale viene lavata con acqua per rimuovere le frazioni fini (5-15% della quantità originale di carbone). Ciò riduce il livello di inquinamento ambientale causato dalla polvere di carbone durante il trasporto del carbone nei convogli ferroviari scoperti e riduce anche il rischio di incendio del combustibile solido quando interagisce con l'ambiente. Dopo il lavaggio del carbone, il liquido contenente particelle fini viene lasciato depositare in appositi serbatoi. Queste particelle, di dimensioni fino a 80 micron, si depositano sul fondo del serbatoio. Lo strato superiore di acqua viene pompato fuori per essere riutilizzato, mentre il sedimento liquido viene fatto passare attraverso filtri a pressa per rimuovere il liquido in eccesso. Il residuo umido è la torta di filtrazione. La concentrazione di massa dell'acqua in esso contenuta è di circa il 40%. Negli impianti di preparazione del carbone, la torta di filtrazione viene conservata in discarica.

La quantità di rifiuti derivanti dall'arricchimento del carbone è relativamente piccola e costituisce meno dello 0,5% di tutti i rifiuti industriali nella Federazione Russa. Sono state registrate circa 183 milioni di tonnellate di rifiuti accumulati dall’arricchimento del carbone, con un incremento annuo di circa 4 milioni di tonnellate [8]. Tuttavia, il loro impatto negativo sull'ambiente è notevole. Grandi aree sono inquinate non solo a causa dello stoccaggio delle torte di filtrazione, ma anche dalla polvere fine sotto l'influenza del vento [9]. Nel 2023, il livello di riciclo dei rifiuti di produzione e di consumo (utilizzo dei rifiuti per la produzione, loro reimmissione nel ciclo produttivo) ammontava a 3,95 miliardi di tonnellate (38%), il resto dei rifiuti veniva avviato allo smaltimento o collocato in discariche aperte per lo stoccaggio temporaneo [8]. Secondo i risultati dell'inventario del 2017, nella Federazione Russa sono stati registrati circa 15 mila siti autorizzati per lo smaltimento dei rifiuti, che occupano una superficie totale di quasi 4 milioni di ettari, e questo territorio ha continuato ad aumentare annualmente di 300-400 mila ettari [11]. Alla fine del 2023, il numero totale di siti di smaltimento dei rifiuti è rimasto praticamente invariato, ma una parte significativa di essi è passata alla categoria delle discariche abusive. Secondo il Rosprirodnadzor, il registro statale dei siti di smaltimento dei rifiuti contiene 4.043 siti di smaltimento dei rifiuti [12], nonché 10.227 discariche abusive [13].

Le discariche di rifiuti industriali alienano vaste aree di terreno, con conseguenti danni alla copertura del suolo, al suolo e al paesaggio [14]. Inoltre, i rifiuti, ad esempio quelli dell'industria del carbone, non sono solo pericolosi in caso di incendio, ma contengono anche sostanze acidificanti, metalli pesanti e altri elementi pericolosi per l'ambiente, che, sotto l'intensa influenza fisica e chimica dei fattori naturali (aria, acqua, energia solare), diventano fonti di inquinamento ambientale complesso [15]. I rifiuti derivanti dall'estrazione del carbone e dall'arricchimento del carbone sotto forma di polvere causano l'inquinamento dell'atmosfera e delle acque. I rifiuti contenenti oli usati e prodotti petroliferi sono tossici. Gli impatti più pericolosi dell’immagazzinamento dei rifiuti petroliferi sull’ambiente sono: aumento dell’effetto serra, pioggia acida, diminuzione della qualità dell’acqua e inquinamento delle falde acquifere [16]. Un litro di olio usato può inquinare circa 7 milioni di litri di falde acquifere [17]. L'inquinamento dei corpi idrici con prodotti petroliferi provoca una diminuzione dell'ossigeno disciolto ed è causa di morte di numerose specie di organismi acquatici. La contaminazione del suolo con idrocarburi rende impossibile il suo ulteriore utilizzo per scopi agricoli [17].

Rifiuti solidi urbani. Nel 2023, il volume di produzione di rifiuti solidi urbani (RSU) nella Federazione Russa ammontava a 47,09 milioni di tonnellate, ovvero il 3% in più rispetto al 2022 [8]. Il Distretto Federale Centrale è tradizionalmente leader nella produzione di RSU grazie alla sua popolazione più numerosa, pari al 32% del volume totale russo di produzione di RSU [8]. Nel 2023 sono state avviate a smaltimento, anche per il riutilizzo, circa 3,3 milioni di tonnellate di RSU (l’8% del totale) [8]. Circa 1,3 milioni di tonnellate di RSU (3%) sono state trasferite allo smaltimento e alla distruzione, anche tramite incenerimento. La maggior parte dei rifiuti, ovvero 38,1 milioni di tonnellate (89%), è stata inviata in discarica per lo smaltimento.

I tassi estremamente bassi di smaltimento dei rifiuti solidi urbani sono spiegati dal debole sviluppo del sistema di gestione dei rifiuti e, nonostante la riforma avviata nel 2019, la situazione in questo settore rimane sfavorevole [18]. Nel 2024, in Russia erano operativi solo 262 impianti di trattamento dei rifiuti solidi urbani [18]. Nel 2023, il numero totale di siti registrati per lo smaltimento dei rifiuti solidi urbani era 865 [19]. La quantità di rifiuti accumulati in questi siti è pari a 354 milioni di tonnellate. A seguito dell'inventario delle discariche di rifiuti solidi urbani [20] e dell'analisi delle informazioni ottenute, è stato stabilito che in Russia la stragrande maggioranza delle discariche sono discariche che non soddisfano gli attuali standard sanitari. Quasi tutte le discariche esistenti in Russia sono organizzate spontaneamente e non dispongono di documentazione di progettazione o costruzione (ad eccezione delle nuove discariche costruite dopo il 2000). Le aree di discarica non sono delimitate, la zona di protezione sanitaria non è organizzata, la tecnologia di stoccaggio non è rispettata (non c'è o è insufficiente il riempimento con materiale inerte, i rifiuti non sono sufficientemente compattati), non è stata preparata una base impermeabile, non ci sono schermi anti-infiltrazione, il filtrato non viene raccolto e purificato, non c'è una disposizione per il drenaggio dell'acqua piovana, la raccolta del gas di discarica non è organizzata e la combustione spontanea dei rifiuti si verifica regolarmente [20]. La stragrande maggioranza delle discariche non dispone di sistemi di monitoraggio; non esiste alcun controllo sulle condizioni delle acque sotterranee e superficiali, dell'aria atmosferica o del suolo. La maggior parte delle discariche sono stracolme e devono essere chiuse. Rappresentano un grave pericolo per l'ambiente e sono considerati, nell'ambito della gestione dei rifiuti, un danno ambientale già accumulato negli anni precedenti. Discariche specializzate, discariche autorizzate e abusive di rifiuti solidi urbani occupano territori vastissimi con una superficie complessiva di oltre 50 mila ettari [20]. Lo stoccaggio in discarica dei rifiuti non trattati è caratterizzato dai seguenti fattori negativi [21]: la diffusione su vasta area di sostanze e microflora pericolose per la salute umana, anche attraverso la loro immissione in atmosfera e nelle falde acquifere; la formazione di diossine durante la combustione;

basse prestazioni economiche considerando i rischi ambientali, il costo del territorio e la manutenzione delle discariche.

Il basso livello di sviluppo del sistema di gestione dei rifiuti in Russia non corrisponde ai principi della politica statale nel campo dello sviluppo ambientale della Federazione Russa per il periodo fino al 2030 [22]. Pertanto, il compito attuale è quello di attuare misure che consentano di passare da un modello di stoccaggio dei rifiuti a un modello di massimo riciclaggio, riutilizzo e smaltimento, incluso il riciclaggio termico. Oltre a ciò, una delle priorità è quella di ridurre al minimo l'impatto nocivo dei rifiuti già accumulati sull'ambiente. Gli orientamenti della politica statale nel campo della gestione dei rifiuti sono prioritari nella sequenza mostrata nella Figura 7.

Secondo l'esperienza mondiale, il rifiuto dello stoccaggio e della sepoltura dei rifiuti richiede l'implementazione nel medio termine di 20-30 anni di una fase intermedia: l'utilizzo energetico dei rifiuti con la produzione di energia principalmente termica e talvolta elettrica [23]. Tali misure ridurranno il tasso di crescita annuale dei rifiuti industriali e urbani e, in alcuni casi, riutilizzeranno parzialmente o totalmente i rifiuti accumulati in precedenza che non sono adatti al riutilizzo. Un compito urgente è quindi quello di sviluppare misure per l'utilizzo dei rifiuti industriali e dei RSU, al fine di ridurre il carico sulle discariche e migliorare la situazione ambientale nelle vicinanze di questi impianti. Di norma, tali problemi vengono risolti mediante la combustione diretta dei rifiuti con generazione di energia termica [24]. I componenti principali dei RSU in Russia sono [25, 26]: carta e cartone in quantità pari al 15-38% del volume totale dei rifiuti; rifiuti organici (compresi gli alimenti) – 24–35%; polimeri – 4–13%; vetro – 5–13%; metallo – 3–5%; tessili – 3–5%; legno – 1–10%;

gomma – 1–3%.

Ciò significa che il contenuto di frazioni energetiche (cartone, carta, legno, tessili, rifiuti polimerici) è superiore all'80% del volume totale dei rifiuti solidi urbani. L’esperienza globale nella produzione di energia dai rifiuti, prendendo ad esempio i paesi sviluppati in Europa e Asia, mostra l’implementazione di successo di impianti di recupero energetico dai rifiuti nelle infrastrutture delle città e nell’economia del paese [24]. Nell’ambito dei progetti Waste-to-Energy, il numero di impianti di termovalorizzazione commissionati in tutto il mondo per la generazione di calore ed elettricità ha già superato le 2.500 strutture [24]. Alcuni paesi europei hanno quasi completamente abbandonato lo smaltimento in discarica, utilizzando tecnologie per generare energia da rifiuti non adatti al riciclaggio [27].

In Russia, così come in Cina, il recupero energetico è considerato uno dei principali metodi di gestione dei rifiuti non idonei al riciclaggio [28]. La Strategia per lo sviluppo del settore della lavorazione, valorizzazione e smaltimento dei rifiuti di produzione e di consumo per il periodo fino al 2030, approvata con Ordinanza del Governo della Federazione Russa del 25.01.2018 n. 84-r, considera l'incenerimento dei rifiuti combustibili non valorizzabili, nonché l'uso energetico della biomassa, come metodi promettenti di smaltimento. In Russia, il potenziale energetico dei soli rifiuti solidi urbani è stimato in 1,5 GW. In Cina, la capacità elettrica installata delle imprese per l’utilizzo energetico dei rifiuti ha già superato i 13 GW nel 2023 [27]. Un esempio dell'attuazione del decreto del Governo della Federazione Russa sopra menzionato è la costruzione di 5 impianti per il trattamento termico dei RSU con rilascio di energia nell'ambito del progetto della società statale Rostec "Energia dai rifiuti": 4 nella regione di Mosca e 1 in Tatarstan [29]. Gli impianti sono finalizzati all'utilizzo energetico sicuro dei RSU sottoposti a cernita e selezione delle frazioni utili, con il successivo utilizzo della tecnologia di combustione ad alta temperatura su griglia mobile (temperatura massima nel forno 1260 °C) per generare energia elettrica. Gli indicatori target dei 5 impianti sono il riciclo annuale di 3.350 mila tonnellate di rifiuti con una produzione totale di 2.380 milioni di kWh di energia elettrica [30]. L'avvio della prima attività industriale nella regione di Mosca (nel distretto di Voskresensky) è previsto per quest'anno (a febbraio è stato completato con successo un test completo di 72 ore dell'impianto), altri tre sono previsti per il 2026-2027.

Con Decreto del Presidente della Federazione Russa del 07.05.2024 n. 309 "Sugli obiettivi di sviluppo nazionale della Federazione Russa per il periodo fino al 2030 e per la prospettiva fino al 2036" sono stati definiti gli indicatori target e i compiti, la cui attuazione caratterizza il raggiungimento dell'obiettivo nazionale "Benessere ambientale". Una di queste è la formazione di un'economia a ciclo chiuso e il coinvolgimento di almeno il 25% degli scarti di produzione e consumo nella circolazione economica come risorse secondarie e materie prime. Di grande importanza nel contesto dello sviluppo scientifico e tecnologico sarà lo sviluppo di tecnologie di risparmio energetico per la lavorazione profonda di materie prime minerali e artificiali di tutti i tipi, tecnologie per lo smaltimento ecologicamente sicuro dei rifiuti con la produzione di prodotti di valore, la neutralizzazione ecologicamente sicura di sostanze tossiche e l'incenerimento di rifiuti combustibili non riciclabili, l'uso energetico della biomassa e la lavorazione di combustibili solidi con l'uso integrato della parte minerale.

Spesso i rifiuti presentano una serie di svantaggi significativi che ne impediscono l'utilizzo come combustibile autonomo. I principali vincoli sono [31, 32]: elevato contenuto di ceneri e umidità; impurità e composti pericolosi (ad esempio composti di zolfo e azoto); basso calore di combustione e bassa reattività, che influiscono negativamente sulla stabilità, sull'inerzia di accensione e sulla completezza della combustione del carburante. Le caratteristiche elencate sono tipiche di molti tipi di rifiuti [31, 32], quindi per essi sono giustificati metodi di pretrattamento, ad esempio l'uso di essiccazione, torrefazione e pirolisi di materie prime di bassa qualità per ottenere combustibili secondari con caratteristiche migliorate [33, 34]. Oltre al pretrattamento dei rifiuti prima dell'incenerimento, negli ultimi anni ha ricevuto molta attenzione da parte della ricerca un metodo che consiste nel combinare diversi componenti per ottenere una serie di effetti benefici, espressi, ad esempio, in un aumento del calore di combustione o in una diminuzione delle emissioni durante la combustione [32]. La combinazione di diversi rifiuti può essere promettente dal punto di vista economico e tecnologico non solo nella fase di combustione, ma anche nel processo di trasporto e stoccaggio del combustibile [35]. Va notato che la miscelazione di diversi tipi di combustibile è in uso da molto tempo e l'opzione più tradizionale è la combustione combinata di carbone e legna (segatura, trucioli), implementata da molti anni soprattutto nelle abitazioni private. L’applicazione di questo approccio è in fase di ampliamento in molti paesi (ad esempio Cina, Indonesia, UE [36]) su caldaie industriali più potenti. Gli obiettivi principali dell'utilizzo della biomassa come componente aggiuntiva del combustibile sono il risparmio sugli acquisti di carbone e la diversificazione della base del combustibile con un parallelo utilizzo utile degli scarti vegetali [31]. Inoltre, a seconda della qualità del carbone combustibile e delle caratteristiche della biomassa, è possibile migliorare la reattività del combustibile e ridurre le emissioni di ossidi di zolfo e di azoto. La co-combustione di carbone e rifiuti di legno in caldaie a griglia può essere implementata senza grandi cambiamenti al processo tecnologico e grandi investimenti di capitale, e il ritorno alla combustione convenzionale del carbone in caso di interruzioni nella fornitura di biomassa non è difficile [37]. Le caratteristiche elencate svolgono un ruolo importante per gli oggetti situati in regioni lontane dalle autostrade del gas con una lunga stagione di riscaldamento. Nonostante ciò, è necessario adattare le condizioni di lavoro delle apparecchiature e tenere conto di fattori importanti che possono complicare notevolmente il funzionamento di vari tipi di caldaie che garantiscono la combustione di combustibili compositi. Per i combustibili con impurità di biomassa e rifiuti, il problema del monitoraggio dei parametri cinetici della combustione al variare del carico [36]. Un gran numero di risultati noti di esperimenti di laboratorio, test pilota e semi-industriali (ad esempio, [38, 39]) mostrano che le caratteristiche integrali dei processi di accensione e combustione dei combustibili composizionali sono inadeguate rispetto alle proprietà dei singoli componenti. Questo fattore, in condizioni di proprietà sufficientemente instabili di materie prime di bassa qualità, è importante per gli impianti industriali e, naturalmente, la necessità di giustificare attentamente la scelta delle apparecchiature, la pianificazione e la progettazione di sistemi di controllo di processo automatizzati per una risposta dinamica efficace ai disturbi esterni e interni al sistema, in particolare per le caldaie senza elemento tampone a forma di tamburo. Problema di tamburo - scorrimento [40]. La biomassa è un combustibile di scoria, in quanto presenta temperature di fusione piuttosto basse dei residui di cenere, che provocano l'adesione dei giunti minerali fusi alle pareti della caldaia [41]. I depositi di doratura all'interno del focolare della caldaia rappresentano un problema serio. Intensificano la distruzione del metallo, il che mette a rischio il verificarsi di situazioni di emergenza. Inoltre, la scoria è caratterizzata da una conduttività termica relativamente bassa, pertanto, l'intensità della trasmissione di energia del refrigerante attraverso le superfici contaminate è significativamente ridotta [42]. Ciò comporta un aumento della temperatura dei gas di combustione in uscita superiore ai valori di progetto, con conseguente diminuzione dell'efficienza della caldaia. Possono verificarsi violazioni del regime aerodinamico dei gas di combustione dovute alla diminuzione del lume nelle travi dei tubi degli scambiatori di calore. A questo proposito, gli strumenti principali per regolare la velocità di scorificazione sono la scelta e il mantenimento di una temperatura di combustione stabile alla quale non si verifichi la fusione di un residuo solido di cenere. Si tratta di un compito piuttosto complicato, che richiede non solo la conoscenza della composizione chimica dei componenti della miscela di carburante, ma anche valutazioni aggiuntive delle proprietà di intrappolamento del carburante finito e la considerazione delle caratteristiche della combustione in installazioni specifiche (in particolare, profili di temperatura) [40]. Le caldaie con strato di ebollizione sono adatte alla combustione di miscele di diversa composizione [43]. Si sono affermati come impianti con bassa sensibilità alle proprietà del combustibile, alla sua composizione granulometrica e al calore di combustione [43, 44]. Nelle caldaie potenti con strato di ebollizione possono essere bruciati anche rifiuti ad alta gittata [45]. In questo caso, la temperatura dello strato dovrebbe essere rigorosamente limitata e non superare i 900 °C. Ciò è dovuto in gran parte al problema della formazione di scorie. L'aumento della temperatura provocherà uno scioglimento intensivo della cenere con conseguente adesione alle griglie e alle pareti, che bloccherà completamente il funzionamento della caldaia e renderà necessario l'arresto del processo tecnologico, il che è una procedura estremamente sfavorevole per le caldaie ad alta potenza. Pertanto, i meccanismi di una valutazione affidabile della dinamica della disposizione delle superfici intracreesiche durante la combustione di combustibili composizionali basati su rifiuti e biomassa sono oggetto di studi promettenti, necessari per garantire un funzionamento sicuro e a lungo termine delle caldaie.

Un modo per gestire un combustibile di bassa qualità è quello di ricorrere alla trasformazione in pellet. Questo approccio consente di ottenere combustibile con valori specificati di umidità e calore di combustione, granulometria e pellet stesso direttamente [46]. La pellettizzazione può essere presa in considerazione in una certa misura standardizzando l'uso energetico dei rifiuti solidi, nonché ampliando le possibilità di trasporto, stoccaggio e fornitura di combustibile alla caldaia più efficienti e installando sistemi di automazione per i processi corrispondenti in piccole sale caldaie. Nelle abitazioni private le bricchette di combustibile sono piuttosto diffuse e la loro vendita commerciale è realizzata [46]. A questo proposito, si può notare che il combustibile bricchettato è potenzialmente più accettabile per gli obiettivi di riscaldamento privati, poiché garantisce la comodità di stoccaggio e una combustione piuttosto lenta [47]. Per gli impianti industriali dotati di un sistema organizzato di depurazione dei gas di combustione e di rimozione di scorie e ceneri, sono interessanti i pellet misti preparati non solo con scarti di legno, ma anche con altri componenti: fanghi di carbone, torba, residui agricoli (semi oleosi, scarti di birra, ecc.). Il costo di tali pellet è basso e dipende in larga misura dai costi di trasporto delle materie prime e dalla loro lavorazione preliminare. Il prodotto ottenuto dopo la granulazione è molto comodo da trasportare (poiché il pellet ha una densità apparente che aumenta ripetutamente e l'umidità è ridotta rispetto alle materie prime di partenza) e da conservare nelle officine del combustibile per la successiva combustione. È probabile che, in un simile scenario, il processo di preparazione delle materie prime e di produzione dei pellet verrà implementato in singole imprese, non incluse nel complesso di produzione di energia. Grazie ai vantaggi che ne derivano, il problema delle scorie viene eliminato, per cui è possibile bruciare pellet di bassa qualità in un determinato intervallo di temperatura. In questo caso il problema della combustione incompleta del Pellet potrebbe peggiorare. Studi (ad esempio, [48]) dimostrano che a temperature di combustione non sufficientemente elevate (di solito si considera una temperatura fino a 1000 °C) a causa dell'aumentata densità dei pellet e della sinterizzazione delle ceneri non si ottiene la combustione completa della parte organica del combustibile. Di conseguenza aumenta la concentrazione di CO nei gas di scarico e diminuisce l'efficacia della produzione di energia.

Per la produzione di pellet, alcune proprietà fisiche dei componenti sono particolarmente importanti [46], ad esempio, idrofobicità, porosità, igroscopicità. I pellet devono essere sufficientemente robusti, resistenti all'umidità elevata e agli sbalzi di temperatura, nonché in grado di mantenere le proprietà elastiche durante lo stoccaggio. Oggigiorno, un ampio spettro di ricerche è focalizzato sulla determinazione dei parametri di granulazione, sulle possibilità di utilizzo di additivi funzionali che ne migliorino le proprietà, nonché sulla selezione del rapporto dei componenti principali per ottenere caratteristiche meccaniche mirate. Finora sono stati pubblicati pochi risultati di ricerche che combinano la produzione di pellet da rifiuti misti con la loro accensione e combustione, inclusa l'analisi dei prodotti di reazione solidi e gassosi. L'analisi dello sviluppo nel campo dei combustibili multicomponenti pellettati da rifiuti mostra che il principale campo di impiego è costituito da piccole camere di combustione e caldaie con possibilità di rotazione dello strato di combustibile e rimozione indiscriminata delle ceneri. Dal punto di vista della convenienza tecnica ed economica, la produzione di pellet da rifiuti agroindustriali è maggiormente giustificata nelle regioni con allevamento e agricoltura sviluppati (regione di Belgorod, territorio di Krasnodar, regione di Rostov, ecc.) [49]. L'ampia base di componenti offre opportunità per ottimizzare le ricette, i metodi di produzione, lo stoccaggio, il trasporto e la combustione nei campi agricoli. I risultati degli esperimenti di laboratorio e dei test pilota [50] hanno dimostrato che con la combustione congiunta di alcuni tipi di rifiuti e miscele di combustibili alternativi, le emissioni specifiche di ossidi di zolfo e di azoto possono essere significativamente inferiori rispetto alla combustione dei principali combustibili energetici: carbone o olio combustibile. Questa diminuzione si basa sulle caratteristiche della composizione chimica dei componenti (ad esempio, l'aumento del contenuto di metalli alcalini e alcalino-terrosi, elevata umidità), che determina l'andamento delle reazioni di desolforazione, nonché una diminuzione della temperatura di combustione, che influisce sulla chimica e sulla cinetica di ossidazione. Nonostante ciò, una conoscenza significativa della composizione dettagliata della combustione delle miscele di carburante rimane un problema significativo [51]. Per le abitazioni private e le piccole centrali termoelettriche, questo è importante in assenza di sistemi moderni per il monitoraggio della composizione e della depurazione dei gas di combustione. Riscaldando la miscela di componenti organici, oltre a SOX e NO, possono essere rilasciati vari composti (soprattutto nell'intervallo di basse temperature): HCL, HF, idrocarburi aromatici policiclici, fluoruri, fenoli, alchilfenoli e metalli pesanti. Tali componenti possono formarsi sia durante la combustione di plastica, rifiuti solidi urbani, componenti di impianti e carbone. L'impatto di questi composti sulla salute umana è considerato pericoloso, alcune conseguenze non sono ancora state studiate. L'identificazione nei gas di scarico è impossibile mediante analizzatori di gas. Lo studio richiede prove di laboratorio piuttosto complesse mediante gascromatografia e spettrometria di massa con successiva analisi dei valori delle concentrazioni massime ammissibili [52]. Nei rifiuti di legno lungo e nelle varie biomasse, sono presenti componenti dominanti nella struttura degli scarti industriali: olio e carbone per i rifiuti di lavorazione [8]. I loro volumi accumulati e il ritmo della loro produzione stanno aumentando sempre di più rispetto ai rifiuti domestici e industriali (circa il 97% dei rifiuti nella Federazione Russa ricade nelle imprese di carbone e petrolio e nella produzione di petrolio). L'utilizzo di questi rifiuti come combustibile per la combustione è uno dei metodi che consentono di accelerare il riciclaggio. Esistono altri metodi per lo smaltimento dei fanghi [53]: la lavorazione biologica, la separazione meccanica e l'estrazione mediante solventi, il rilascio delle frazioni purificate con vari metodi fisici e chimici. Le tecnologie rilevanti sono attivamente studiate, ma dal punto di vista dei potenziali volumi di elaborazione, della complessità e del costo dei processi, non sono di elevata produzione [53]. La combustione diretta di combustibili misti a base di fanghi di carbone e petrolio può essere di massimo interesse per gli impianti energetici ubicati nelle regioni di produzione delle risorse rilevanti, nonché nelle immediate vicinanze dei giacimenti di carbone e petrolio e delle relative imprese di lavorazione. Il sequestro del petrolio e degli oli è una tecnologia economica per il loro smaltimento con produzione di energia termica, adatta anche al recupero di giacimenti petroliferi di notevole entità [54]. Tuttavia, esistono una serie di problemi operativi che limitano la combustione dei fanghi oleosi [55, 56]. Molti studi sulla combustione e la gassificazione dei petrolieri indicano che, nello stato iniziale, tali materie prime possono essere utilizzate principalmente in grandi ambienti di combustione a strati o forni rotanti [56, 57]. La combustione di un tipo di torcia nelle parti superiori non è sempre possibile a causa dell'elevata viscosità e mineralizzazione, della flessibilità e della bassa capacità di reazione dei rifiuti petroliferi [55, 56]. Nonostante ciò, data la diffusione degli impianti di combustione a torcia e a vortice del carburante, è consigliabile adattare l'olio e gli oli per queste apparecchiature. Il compito assegnato può essere risolto modificando la composizione del carburante. La preparazione di carburanti multicomponenti a base di petrolio e oli di raffinazione è un approccio piuttosto economico e sinergicamente promettente. È irrazionale utilizzare componenti solidi degli impianti in combinazione con petrolio e petrolio, poiché aggraverebbero il problema dell'elevata viscosità del carburante [58]. Gli additivi liquidi altamente reattivi sono più promettenti: gasolio, alcoli ed eteri. Questi componenti non sono scarti e non aumentano il costo del carburante, ma se utilizzati in una quota limitata (5-10%) possono garantire una significativa riduzione della viscosità, un aumento del calore di combustione e della capacità reattiva della miscela di carburante. I composti risultanti possono essere spruzzati garantendo un elevato livello di combustione [58]. I rifiuti di carbone più adatti all'uso energetico sono i rifiuti di flottazione di fibre di carbonio, ovvero scivoli di carbone che rappresentano una miscela di acqua, piccole particelle di carbone e impurità non combustibili [59]. Tali materie prime costituiscono, nel loro stato iniziale, la base per la preparazione della sospensione di carburante, che può essere spruzzata nella camera di combustione (un intervallo tipico di umidità nella sospensione è del 35-50%) [59]. I fanghi di carbone sono caratterizzati da un'accensione instabile e da una ridotta completezza della combustione nelle cosiddette "modalità a bassa temperatura" [60]. Pertanto, è consigliabile combinarli con componenti liquidi altamente reattivi (ad esempio oli esausti, gasolio, esteri, catrame) per aumentare la velocità di accensione, la temperatura di combustione e il calore di combustione della miscela e migliorare la qualità della combustione dei componenti. Le sospensioni, essendo un combustibile eterogeneo, possono essere separate in frazioni durante lo stoccaggio a lungo termine. Questo è uno dei problemi operativi, che viene risolto con mezzi abbastanza semplici [60]: l'introduzione di stabilizzatori e l'uso di serbatoi dotati di dispositivi di miscelazione. A seconda della ricetta della miscela utilizzata, il problema della stabilità potrebbe non manifestarsi dopo diversi giorni di conservazione. In particolare, alcune frane di carbone sono altamente stabili grazie alla presenza in esse di sostanze tensioattive utilizzate nella flottazione del carbone. Inoltre, l'uso degli oli stabilizza anche la miscela. Un'altra difficoltà si presenta: un aumento significativo della viscosità quando si aggiungono oli [60]. Pertanto, per l'utilizzo di una sospensione di carburante multicomponente, è necessario ricercare l'optimum tra le sue caratteristiche viscose, la stabilità sedimentaria e le proprietà energetiche [61]. L'avvio nell'angolo dell'apertura della torcia, le dimensioni e le velocità degli elementi di spruzzatura che spruzzano miscele a base di fanghi di carbone o di petrolio è la fase più importante per garantire indicatori di combustione aumentati [62]. Questa fase è considerata una delle più vulnerabili all'intero processo, poiché la spruzzatura di carburanti liquidi e sospensioni impenetrabili richiede la creazione di singoli parametri degli ugelli, il loro posizionamento e i metodi di fornitura di aria secondaria [62]. Inoltre, la progettazione degli ugelli stessi dovrebbe essere il più affidabile possibile per la prevenzione dell'erosione del canale e garantire un lavoro prolungato [63]. Non ci sono soluzioni standard e ogni oggetto richiede test sperimentali, ricerca di laboratorio e calcoli della geometria degli ugelli.

Le miscele di carburante basate su fanghi di carbone o petrolio e petrolio e altri rifiuti industriali non sono certamente destinati all'uso nelle famiglie private. Per la loro preparazione e combustione, un'infrastruttura con il posizionamento di attrezzature aggiuntive nell'Energy Enterprise [65]: serbatoi per conservare componenti, omogeneizzatori, magazzino riscaldato, apparecchiature di pompaggio, sistemi di filtraggio del carburante e installazioni per la purificazione dei gas di fumo. Nonostante gli investimenti necessari e una grande quantità di risultati dei test di laboratorio e sperimentale, la tecnologia di combustione diretta di carburanti di miscela di basso grado è giustificata non solo per risolvere i problemi ambientali dello smaltimento dei rifiuti, ma anche dal punto di vista del potenziale positivo degli studi tecnici ed economici della redditività (ad esempio [37, 66]) conferma questo aspetto.

In [67, 68], una strategia per lo smaltimento congiunto da parte delle regioni vicine di rifiuti industriali e municipali è presentata dalla combustione come parte dei carburanti liquidi compositivi nelle stazioni elettriche termiche locali. In pratica, tale strategia, da un lato, ridurrà l'impatto negativo dei rifiuti ambientali, dall'altra parte, ridurrà il consumo di combustibile per carbone per la produzione di calore ed elettricità. Le principali disposizioni della strategia sono sviluppate nell'esempio di 3 regioni vicine situate sul territorio del distretto federale siberiano: Kemerovo (regione n. 1), Novosibirsk (regione n. 2), Tomsk (regione n. 3) della regione. Queste regioni sono un tipico esempio di un modello di interazione tra le materie prime e i settori industriali dell'economia. Как правило, для болшшинства стран с р рвитыы ыыеевыы скттоэ экооopa " характерна тенденция, когда регионы, в которых веomani с доа икопппоо uire топпп, ожжюююююююююююююююююююююююююююююююююююююююююююююююююююююююююююююю дю дю ри ииы с ыысоким уровнем промышленого и социального рзвитий. Такое соседmbiто создает блоппп uitopote топл и (д данном примере регион № 1 - добыча твердых улгоодород tribums, регион № 3 - добыча жидких углоодододpon), с с сргйй стй со ыы, для развития entato прышышых пре cerctose и и, сответственно, увеличения числености насения (д даном примере реgliо № 2). В таких условиях дл регионов с р рзвитыы ырьевыы секdra ipote осн ыхых про я являтся снижение негативного вдеййй на на окжжжю рд ул гггггггаа/ фабрик и нефтеcchia предприятий за ччч с кладирования горючих твердых и жидких отхов на помышленых площадках (полигонах). Для регионов с высоким уровнем промышленного и социального развитий одной из основных проблем является переработка и утизация некоторых комонентrd то, жежегодный оъъем производтва которых сопоставиquisi (миллионы тон в год) промышленных оходов крупп у is- и нефтеellente

По данным [67, 68], к 2017 г. в 3 рассмотренных регионах суммарно накоплено (хранится на полигонах) 145·106 т ТКО, 374,4·106 т фильтров кека, 2,3·106 т горючих жидкостей (отработанных масел, горючих отходов нефтедобычи и нефтепереработки).Стратегия совместной утилизации промышленных и коммунальных отходов путем сжигания в составе композиционных топлив предполагает перевод 3 крупных угольных ТЭС (как минимум по одной в каждом из 3 регионов) на композиционное жидкое топливо из накопленных и ежегодно производимых отходов углеобогащения (или низкокачественного угля), ТКО, отработанных масел (или горючих отходов нефтедобычи и нефтепереработки). Тепловая и электрическая энергии будут генерироваться этими ТЭС в полном объеме в результате сжигания композиционного жидкого топлива. Приготовление топливных суспензий и их транспортировка до потребителей предполагает строительство соответствующих завода и трубопроводов.По оценкам [67, 68], в течение 25 лет реализации перспективной стратегии обращения с отходами тремя ТЭС в зависимости от состава топлива будет суммарно утилизировано: (130–260)·106 т фильтров кека – отхода углеобогащения; (25–38)·106 т – ТКО; до 19·106 т – отработанных масел. Предлагаемые мероприятия для 3 соседних регионов Российской Федерации позволят полностью решить проблему утилизации накопленных отработанных масел, жидких горючих отходов нефтедобычи и нефтепереработки, а также проблему утилизации ежегодно производимых отходов углеобогащения. Добавление в состав композиционных топлив горючих фракций ТКО позволит существенно снизить объем отходов, вывозимых на полигонное захоронение.

Положительный экономический эффект с учетом модернизации систем топливоподачи трех ТЭС и строительства единой топливоподготавливающей площадки составит от 5,7 до 6,9 млрд долл. или 65–78%, соответственно, от основных затрат при функционировании трех ТЭС в течение 25 лет на угле [67, 68]. Это объясняется определяющим значением (85–95%) топливной составляющей (приобретение энергоресурсов) в типичной структуре итоговых затрат и стоимостью энергоресурсов, которая отличается в 2,5–3,5 раза для угля и композиционного топлива из отходов (в пересчете на единицу энергии, выделяющейся при сжигании топлива).

Создание топливных смесей на основе отходов имеет высокий потенциал для извлечения энергии, особенно при использовании местных сырьевых ресурсов. Несмотря на большое количество работ по данной тематике, еще многие аспекты не изучены комплексно. Наибольший потенциал для энергетической утилизации, в особенности, сжигания, имеют отходы деревообработки, нефтяные и угольные шламы. На сегодняшний день накоплен большой объем знаний по термической конверсии множества компонентов, однако каждое исследование, как правило, затрагивает только несколько основных вопросов с выборочными составами топлив. Актуальным вопросом остается поиск оптимумов составов композиционных топлив, который предполагает варьирование соотношений компонентов и внешних условий с последующим получением данных о реактивности топлива, кинетических константах, а также целый комплекс сведений о физико-химических свойствах топлив. С учетом разнообразия критериев оптимальности на всех технологических стадиях объем необходимых исследований возрастает многократно. Систематизированная научная основа постепенно формируется, но это достаточно долгий процесс, определяемый не только исследовательскими возможностями, но и запросами экологического и социального характеров. Проблемными областями композиционных топлив являются: шлакование, коррозионные явления, нестабильность зажигания и горения, возможная токсичность продуктов горения, в некоторых случаях – сложность распыления. Но, несмотря на большое количество факторов, имеющих значение как для режимных показателей работы, так и для долгосрочной эксплуатации, при корректировке условий технологического процесса можно добиться приемлемых показателей качества работы установки. В области определения эффективных функциональных добавок к топливам активно ведутся исследования, что создает дополнительные возможности для оптимизации термической утилизации отходов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации. Соглашение № 075-15-2024-543.