Potentieel voor het gebruik van industrieel en gemeentelijk afval in de Russische brandstof- en energiesector

Het probleem van de verwijdering van industrieel en gemeentelijk afval is een van de meest urgente in de moderne wereld [1]. De jaarlijkse toename van de productievolumes en de ophoping van afval leiden tot vervuiling van bodem, water en lucht, een afname van de levenskwaliteit van mensen en een verergering van de economische problemen. Volgens het Internationaal Energieagentschap (IEA) [2] is ongeveer 20% van de jaarlijkse mondiale methaanuitstoot (71×106 ton) die verband houdt met menselijke activiteiten afkomstig van de natuurlijke ontbinding van opgehoopt afval. Methaanemissies, als het gas met het grootste broeikaspotentieel, veroorzaken schade aan het milieu en de economie, waardoor het vrijwel onmogelijk is de Duurzame Ontwikkelingsdoelstellingen van de VN te verwezenlijken [3]. Met de groei van verstedelijking en industrialisatie heeft de afvalproductie indrukwekkende proporties aangenomen. Wereldwijd wordt jaarlijks ongeveer 20 miljard ton afval geproduceerd [4]. Naar verwachting zal dit volume tegen 2050 stijgen tot 46 miljard ton [4]. Hiervan bestaat momenteel 2 miljard ton uit vast gemeentelijk afval, en volgens de voorspellingen zal dit volume in 2050 zijn gestegen tot 3,4 miljard ton [5]. Het grootste deel daarvan is industrieel afval, dat in sommige gevallen een bijproduct is en niet meer gebruikt kan worden voor het beoogde doel [6]. Onverwerkt afval kan, wanneer het in de open lucht wordt opgeslagen, giftige stoffen vrijgeven die gevaarlijk zijn voor mens en milieu. Je zou kunnen stellen dat de enorme hoeveelheden afval die tegenwoordig worden verzameld, een van de grootste bedreigingen voor de mensheid vormen.

Industrieel afval. Volgens Rosprirodnadzor [7] werd er in 2023 in Rusland 9,3 miljard ton afval geproduceerd, wat 2,9% meer is dan in 2022, waarvan het consumentenafval (MSW en WWS) minder dan 1% uitmaakt. Inmiddels ligt er in Rusland al meer dan 55 miljard ton afval opgeslagen, en deze hoeveelheid neemt elk jaar met ongeveer 5% toe [8]. Ongeveer 97% van al het afval in de Russische Federatie bestaat uit afval van de winning van vaste en vloeibare mineralen [7, 8]. Volgens de territoriale distributie wordt het grootste deel van het afval geproduceerd in het Siberische Federale District [8]. De afvalproductie in de regio Kemerovo is goed voor 44% van de totale hoeveelheid industrieel afval in Rusland [8]. De grootste bijdrage wordt geleverd door afval afkomstig van de kolenwinning en de verrijking van kolen, maar ook door as- en slakresten die vrijkomen bij thermische elektriciteitscentrales op kolen.

Vanuit het oogpunt van toepassing in de brandstof- en energiesector zijn de afvalstoffen van steenkoolverrijking, die een bijproduct zijn van dit proces, het meest interessant. Bij het gereedmaken van gewonnen steenkool voor transport over lange afstand naar de consument, wordt deze verrijkt. Het oorspronkelijke steenkoolgesteente wordt met water gewassen om fijne fracties te verwijderen (5–15% van de oorspronkelijke hoeveelheid steenkool). Hierdoor wordt de milieuvervuiling door kolenstof tijdens het transport van kolen in open treinen verminderd. Ook het brandgevaar van vaste brandstoffen in contact met het milieu wordt hiermee verminderd. Na het wassen van de steenkool blijft de vloeistof met de fijne deeltjes in tanks bezinken. Deze deeltjes, tot wel 80 micron groot, zakken naar de bodem van de tank. De bovenste laag water wordt weggepompt voor hergebruik en het vloeibare sediment wordt door persfilters geleid om overtollige vloeistof te verwijderen. Het natte residu is de filterkoek. De massaconcentratie van water bedraagt ​​ongeveer 40%. In steenkoolopwerkingscentrales worden de filterkoeken gestort op stortplaatsen.

De hoeveelheid afval afkomstig van steenkoolverrijking is relatief klein en bedraagt ​​minder dan 0,5% van al het industriële afval in de Russische Federatie. Er is ongeveer 183 miljoen ton aan verzameld afval van steenkoolverrijking geregistreerd, met een jaarlijkse toename van ongeveer 4 miljoen ton [8]. Hun negatieve impact op het milieu is echter groot. Grote gebieden raken niet alleen vervuild door de opslag van filterkoeken, maar ook door fijnstof onder invloed van de wind [9]. In 2023 bedroeg het recyclingniveau van productie- en consumptieafval (gebruik van afval voor productie, terugkeer naar de productiecyclus) 3,95 miljard ton (38%), de rest van het afval werd ter verwijdering aangeboden of op open stortplaatsen gestort voor tijdelijke opslag [8]. Volgens de resultaten van de inventarisatie uit 2017 waren er in de Russische Federatie ongeveer 15 duizend geautoriseerde afvalstortplaatsen geregistreerd, met een totale oppervlakte van bijna 4 miljoen hectare, en dit gebied bleef jaarlijks met 300-400 duizend hectare toenemen [11]. Eind 2023 was het totale aantal afvalstortplaatsen nog steeds nagenoeg gelijk, maar een aanzienlijk deel daarvan viel in de categorie illegale stortplaatsen. Volgens Rosprirodnadzor bevat het staatsregister van afvalstortplaatsen 4.043 afvalstortplaatsen [12], en 10.227 niet-geautoriseerde stortplaatsen [13].

Stortplaatsen voor industrieel afval vervreemden grote stukken land, wat leidt tot schade aan de landbedekking, de bodem en het landschap [14]. Bovendien is afval, bijvoorbeeld uit de kolenindustrie, niet alleen brandgevaarlijk, maar bevat het ook zuurvormende stoffen, zware metalen en andere milieuschadelijke elementen, die onder de intense fysieke en chemische invloed van natuurlijke factoren (lucht, water, zonne-energie) bronnen van complexe milieuvervuiling worden [15]. Afval uit de kolenwinning en de verrijking van kolen in de vorm van stof leidt tot vervuiling van de atmosfeer en waterlichamen. Afval dat gebruikte olie en aardolieproducten bevat, is giftig. De gevaarlijkste gevolgen van de opslag van olieafval voor het milieu zijn: een versterkt broeikaseffect, zure regen, een slechtere waterkwaliteit en verontreiniging van het grondwater [16]. Eén liter gebruikte olie kan ongeveer 7 miljoen liter grondwater vervuilen [17]. Verontreiniging van waterlichamen met olieproducten leidt tot een afname van opgeloste zuurstof en is de oorzaak van de dood van veel soorten waterorganismen. Verontreiniging van de bodem met koolwaterstoffen maakt verder gebruik voor landbouwdoeleinden onmogelijk [17].

Vast gemeentelijk afval. In 2023 bedroeg het volume van de productie van vast stedelijk afval (MSW) in de Russische Federatie 47,09 miljoen ton, wat 3% meer is dan in 2022 [8]. Het Centraal Federaal District is traditioneel de leider in de productie van huishoudelijk afval vanwege de grootste bevolking – 32% van het totale Russische volume aan huishoudelijk afval [8]. In 2023 werd ongeveer 3,3 miljoen ton huishoudelijk afval (8% van het totaal) afgevoerd voor verwijdering, inclusief hergebruik [8]. Ongeveer 1,3 miljoen ton vast huishoudelijk afval (3%) werd overgebracht voor verwijdering en vernietiging, onder meer door verbranding. Het grootste deel van het afval – 38,1 miljoen ton (89%) – werd naar stortplaatsen gebracht om daar te worden vernietigd.

De extreem lage percentages voor de verwerking van vast gemeentelijk afval worden verklaard door de zwakke ontwikkeling van het afvalbeheersysteem en ondanks de hervorming die in 2019 is doorgevoerd, blijft de situatie op dit gebied ongunstig [18]. In 2024 waren er in Rusland slechts 262 verwerkingsinstallaties voor vast gemeentelijk afval operationeel [18]. In 2023 bedroeg het totale aantal geregistreerde stortplaatsen voor vast gemeentelijk afval 865 [19]. De hoeveelheid afval die op deze locaties wordt verzameld bedraagt ​​354 miljoen ton. Uit de inventarisatie van stortplaatsen voor vast gemeentelijk afval [20] en de analyse van de verkregen informatie is gebleken dat in Rusland de overgrote meerderheid van de stortplaatsen stortplaatsen zijn die niet voldoen aan de huidige sanitaire normen. Vrijwel alle bestaande stortplaatsen in Rusland zijn spontaan georganiseerd en beschikken niet over ontwerp- of constructiedocumentatie (met uitzondering van nieuwe stortplaatsen die na 2000 zijn gebouwd). De stortplaatsen zijn niet voorzien van een dijk, de sanitaire beschermingszone is niet georganiseerd, de opslagtechnologie wordt niet in acht genomen (er is geen of onvoldoende opvulling met inert materiaal, het afval is niet voldoende verdicht), er is geen waterdichte basis voorbereid, er zijn geen anti-doorsijpelingsschermen, het filtraat wordt niet verzameld en gezuiverd, er is geen voorziening voor afvoer van regenwater, de opvang van stortgas is niet georganiseerd en er vindt regelmatig spontane verbranding van afval plaats [20]. Het overgrote deel van de stortplaatsen beschikt niet over een controlesysteem; Er is geen controle over de toestand van het grond- en oppervlaktewater, de luchtkwaliteit en de bodem. De meeste vuilstortplaatsen zijn overvol en moeten gesloten worden. Ze vormen een groot gevaar voor het milieu en worden in het kader van afvalbeheer beschouwd als milieuschade die zich in de voorgaande jaren heeft opgebouwd. Gespecialiseerde stortplaatsen, toegestane en illegale stortplaatsen voor vast gemeentelijk afval beslaan uitgestrekte gebieden met een totale oppervlakte van meer dan 50 duizend hectare [20]. De opslag van onverwerkt afval op stortplaatsen wordt gekenmerkt door de volgende negatieve factoren [21]: de verspreiding van stoffen en microflora die gevaarlijk zijn voor de menselijke gezondheid over een groot gebied, onder meer via hun binnendringing in de atmosfeer en het grondwater; de vorming van dioxinen tijdens de verbranding;

slechte economische prestaties gezien de milieurisico's, de grondkosten en het onderhoud van de stortplaats.

Het lage ontwikkelingsniveau van het afvalbeheersysteem in Rusland komt niet overeen met de beginselen van het staatsbeleid op het gebied van de milieuontwikkeling van de Russische Federatie voor de periode tot 2030 [22]. De huidige taak is daarom om maatregelen te implementeren waarmee we van een afvalopslagmodel kunnen overstappen naar een model van maximale recycling, hergebruik en verwijdering, inclusief thermische recycling. Eén van de prioriteiten daarbij is het minimaliseren van de schadelijke impact van reeds verzameld afval op het milieu. De richtingen van het overheidsbeleid op het gebied van afvalbeheer hebben in de in figuur 7 weergegeven volgorde prioriteit.

Volgens de wereldervaring vereist het afwijzen van de opslag en begraving van afval de implementatie op de middellange termijn van 20 tot 30 jaar van een tussenfase – het energetisch benutten van afval met de opwekking van voornamelijk thermische en soms elektrische energie [23]. Zulke maatregelen zorgen ervoor dat de jaarlijkse groei van industrieel en gemeentelijk afval afneemt en in sommige gevallen kan eerder opgeslagen afval, dat niet geschikt is voor hergebruik, gedeeltelijk of geheel worden benut. Het is daarom van groot belang om maatregelen te ontwikkelen voor het gebruik van industrieel afval en vast stedelijk afval, om zo de belasting van stortplaatsen te verminderen en de milieusituatie in de omgeving van deze faciliteiten te verbeteren. In de regel worden dergelijke problemen opgelost door directe verbranding van afval met de opwekking van thermische energie [24]. De belangrijkste componenten van huishoudelijk afval in Rusland zijn [25, 26]: papier en karton in een hoeveelheid van 15-38% van het totale afvalvolume; organisch afval (inclusief voedsel) – 24–35%; polymeren – 4–13%; glas – 5–13%; metaal – 3–5%; textiel – 3–5%; hout – 1–10%;

rubber – 1–3%.

Dat wil zeggen dat het gehalte aan energiefracties (karton, papier, hout, textiel, polymeerafval) meer dan 80% van het totale volume van het vaste gemeentelijke afval bedraagt. Wereldwijde ervaringen met het opwekken van energie uit afval, met als voorbeeld de ontwikkelde landen in Europa en Azië, laten zien dat faciliteiten voor het terugwinnen van energie uit afval succesvol zijn geïmplementeerd in de infrastructuur van steden en de economie van het land [24]. In het kader van Waste-to-Energy-projecten is het aantal afvalenergiecentrales dat wereldwijd in gebruik is genomen voor de opwekking van warmte en elektriciteit al de 2.500 gepasseerd [24]. Sommige Europese landen hebben de stortplaatstechnologie bijna volledig verlaten en gebruiken technologie om energie op te wekken uit afval dat niet geschikt is voor recycling [27].

In Rusland, maar ook in China, wordt energieterugwinning gezien als een van de belangrijkste methoden voor het beheer van afval dat niet geschikt is voor recycling [28]. De Strategie voor de ontwikkeling van de industrie voor de verwerking, het gebruik en de verwijdering van productie- en consumptieafval voor de periode tot 2030, goedgekeurd door de Verordening van de regering van de Russische Federatie van 25.01.2018 nr. 84-r, beschouwt de verbranding van verbrandbaar, niet-bruikbaar afval en het energiegebruik van biomassa als veelbelovende methoden voor verwijdering. In Rusland wordt het energiepotentieel van alleen vast stedelijk afval geschat op 1,5 GW. In China oversteeg de geïnstalleerde elektrische capaciteit van ondernemingen voor het energetisch benutten van afval in 2023 al de 13 GW [27]. Een voorbeeld van de uitvoering van het bovengenoemde besluit van de regering van de Russische Federatie is de bouw van vijf fabrieken voor de thermische verwerking van huishoudelijk afval met energievrijgave in het kader van het project “Energie uit afval” van de staatscorporatie Rostec: vier in de regio Moskou en één in Tatarstan [29]. De installaties zijn gericht op het veilig energetisch benutten van huishoudelijk afval dat is gesorteerd en de selectie van bruikbare fracties, gevolgd door het gebruik van hogetemperatuurverbrandingstechnologie op een bewegend rooster (maximale temperatuur in de oven is 1260 °C) om elektriciteit op te wekken. De streefcijfers van de vijf centrales zijn de jaarlijkse recycling van 3.350.000 ton afval met een totale opwekking van 2.380 miljoen kWh elektriciteit [30]. De ingebruikname van de eerste fabriek in de regio Moskou (in het district Voskresensky) in industriële werking staat gepland voor dit jaar (in februari werd een uitgebreide test van 72 uur van de fabriek succesvol afgerond), drie andere zijn gepland voor 2026-2027.

Bij decreet van de president van de Russische Federatie van 7 mei 2024 nr. 309 "Over de nationale ontwikkelingsdoelstellingen van de Russische Federatie voor de periode tot 2030 en voor de toekomst tot 2036" zijn doelindicatoren en -taken gedefinieerd, waarvan de implementatie de verwezenlijking van de nationale doelstelling "Milieuwelzijn" kenmerkt. Eén daarvan is het creëren van een gesloten kringloopeconomie en het betrekken van minimaal 25% van het productie- en consumptie-afval in de economische circulatie als secundaire hulpbron en grondstof. Van groot belang in het kader van de wetenschappelijke en technologische ontwikkeling zijn de ontwikkeling van energiebesparende technologieën voor de diepe verwerking van minerale en door de mens geproduceerde grondstoffen van alle soorten, technologieën voor de milieuvriendelijke verwijdering van afval met de productie van waardevolle producten, de milieuvriendelijke neutralisatie van giftige stoffen en de verbranding van verbrandbaar, niet-recyclebaar afval, het energiegebruik van biomassa en de verwerking van vaste brandstoffen met het geïntegreerde gebruik van het minerale deel.

Afval heeft vaak een aantal belangrijke nadelen waardoor het niet als zelfstandige brandstof kan worden gebruikt. De belangrijkste beperkingen zijn [31, 32]: hoog asgehalte en vochtigheid; gevaarlijke onzuiverheden en verbindingen (bijv. zwavel- en stikstofverbindingen); lage verbrandingswarmte en lage reactiviteit, wat een negatief effect heeft op de stabiliteit, de ontstekingsinertie en de volledige verbranding van de brandstof. De genoemde kenmerken zijn typerend voor veel soorten afval [31, 32], dus voorbehandelingsmethoden zijn voor hen gerechtvaardigd - bijvoorbeeld het gebruik van drogen, torrefactie en pyrolyse van grondstoffen van lage kwaliteit om secundaire brandstoffen te verkrijgen met verbeterde eigenschappen [33, 34]. Naast de voorbehandeling van afval vóór verbranding is er de afgelopen jaren veel onderzoeksaandacht besteed aan een methode om verschillende componenten te combineren om een ​​reeks gunstige effecten te verkrijgen, die bijvoorbeeld tot uiting komen in een toename van de verbrandingswarmte of een afname van de emissies tijdens de verbranding [32]. De combinatie van verschillende soorten afval kan economisch en technologisch veelbelovend zijn, niet alleen in de verbrandingsfase, maar ook in het proces van transport en opslag van brandstof [35]. Opgemerkt dient te worden dat het mengen van verschillende soorten brandstof al heel lang wordt gebruikt en dat de meest traditionele optie de gecombineerde verbranding van kolen en hout (zaagsel, houtsnippers) is, die al vele jaren vooral in particuliere huishoudens wordt toegepast. In veel landen (bijvoorbeeld China, Indonesië, EU [36]) wordt deze aanpak op grotere schaal toegepast op krachtigere industriële boilers. De belangrijkste doelen van het gebruik van biomassa als extra brandstofcomponent zijn besparingen op de aankoop van steenkool en diversificatie van de brandstofbasis met parallelle nuttige benutting van plantaardig afval [31]. Bovendien kan, afhankelijk van de kwaliteit van de steenkoolbrandstof en de eigenschappen van de biomassa, de reactiviteit van de brandstof worden verbeterd en kunnen de emissies van zwavel- en stikstofoxiden worden verminderd. Het bijstoken van steenkool- en houtafval in roosterketels kan worden uitgevoerd zonder grote veranderingen in het technologische proces en zonder grote kapitaalinvesteringen, en het is niet moeilijk om terug te keren naar conventionele steenkoolverbranding in het geval van onderbrekingen in de biomassa-aanvoer [37]. De genoemde kenmerken spelen een belangrijke rol voor objecten die zich in gebieden bevinden die ver van gassnelwegen liggen en waar het stookseizoen lang duurt. Desondanks is het nodig om de werkomstandigheden van de apparatuur aan te passen en rekening te houden met belangrijke factoren die de werking van verschillende soorten ketels die de verbranding van samengestelde brandstoffen verzorgen, aanzienlijk kunnen compliceren. Voor brandstoffen met onzuiverheden van biomassa en afval is er de kwestie van het monitoren van de kinetische parameters van de verbranding bij veranderingen in de belasting [36]. Uit een groot aantal bekende resultaten van laboratoriumproeven, pilot- en semi-industriële testen (bijvoorbeeld [38, 39]) blijkt dat de integrale kenmerken van de ontstekings- en verbrandingsprocessen van samengestelde brandstoffen ontoereikend zijn wat betreft de eigenschappen van de individuele componenten. Deze factor is, onder omstandigheden van voldoende onstabiele eigenschappen van grondstoffen van lage kwaliteit, belangrijk voor industriële installaties en uiteraard de noodzaak om de keuze van de apparatuur, de planning en het ontwerp van geautomatiseerde procesbesturingssystemen zorgvuldig te onderbouwen voor een effectieve dynamische reactie op externe en interne verstoringen in het systeem, met name voor ketels zonder bufferelement in de vorm van een trommel. Drumprobleem - glijden [40]. Biomassa is een slakbrandstof, omdat de smelttemperatuur van de asresten vrij laag is, waardoor gesmolten minerale verbindingen aan de wanden van de ketel blijven plakken [41]. De goudafzettingen in de vuurkamer van de ketel vormen een ernstig probleem. Ze intensiveren de vernietiging van het metaal, waardoor noodsituaties dreigen te ontstaan. Bovendien wordt de slak gekenmerkt door een relatief lage thermische geleidbaarheid, waardoor de intensiteit van de energieoverdracht van het koelmiddel door verontreinigde oppervlakken aanzienlijk wordt verminderd [42]. Dit leidt tot een temperatuurstijging van de uitgaande rookgassen boven de ontwerpnormen, waardoor de effectiviteit van de ketel afneemt. Er kunnen verstoringen van het aerodynamische regime optreden door de rookgassen als gevolg van een afname van het lumen in de buizen van warmtewisselaars. De belangrijkste hulpmiddelen voor het reguleren van de slakvormingssnelheid zijn in dit opzicht de keuze en het handhaven van een stabiele verbrandingstemperatuur waarbij het smelten van de vaste asresten niet plaatsvindt. Dit is een vrij ingewikkelde taak, die niet alleen kennis vereist van de chemische samenstelling van de componenten van het brandstofmengsel, maar ook aanvullende beoordelingen van de insluitingseigenschappen van de voltooide brandstof en het in aanmerking nemen van de kenmerken van de verbranding in specifieke installaties (in het bijzonder temperatuurprofielen) [40]. Ketels met een kooklaag zijn geschikt voor het verbranden van mengsels van verschillende samenstelling [43]. Ze hebben zich gevestigd als installaties met een lage gevoeligheid voor de eigenschappen van brandstof, de granulometrische samenstelling ervan en de verbrandingswarmte [43, 44]. In krachtige ketels met een kooklaag kan zelfs hoogfrequent afval worden verbrand [45]. In dit geval moet de temperatuur van de laag strikt beperkt worden - niet hoger dan 900 °C. Dit komt grotendeels door het probleem van slakvorming. De temperatuurstijging zal een sterk smelten van de as veroorzaken, wat vervolgens aan de roosters en wanden blijft plakken. Hierdoor wordt de werking van de ketel volledig geblokkeerd en moet het technologische proces worden stopgezet. Voor ketels met een hoog vermogen is dit een uiterst ongunstige procedure. Daarom zijn de mechanismen voor een betrouwbare beoordeling van de dynamiek van het aanleggen van intracreesicale oppervlakken bij de verbranding van samengestelde brandstoffen op basis van afval en biomassa het onderwerp van veelbelovende studies die nodig zijn om een ​​veilige en langetermijnwerking van de ketels te garanderen.

Eén manier om brandstof van lage kwaliteit te verwerken is door het te pelletteren. Met deze aanpak is het mogelijk om brandstof te verkrijgen met specifieke waarden voor vochtigheid en verbrandingswarmte, deeltjesgrootte en pellets zelf [46]. Pelletproductie kan tot op zekere hoogte worden overwogen door het energieverbruik van vast afval te standaardiseren en door de mogelijkheden voor efficiënter transport, opslag en toevoer van brandstof naar de ketel uit te breiden en automatiseringssystemen voor de bijbehorende processen in kleine ketelruimtes op te zetten. In particuliere huishoudens zijn brandstofbriketten vrij gebruikelijk en worden ze commercieel verkocht [46]. In dit verband kan worden opgemerkt dat de brikettenbrandstof potentieel acceptabeler is voor particuliere verwarmingsdoeleinden, omdat deze het gemak van opslag en de tamelijk langzame verbranding garandeert [47]. Voor industriële installaties met een georganiseerd systeem voor de zuivering van rookgassen en de verwijdering van slakken en as zijn gemengde pellets interessant die niet alleen uit houtafval zijn vervaardigd, maar ook uit andere componenten, zoals kolenslib, turf, landbouwresten (oliehoudende zaden, bierresten, enz.). De kosten van dergelijke pellets zijn laag en worden voor een groot deel bepaald door de kosten van het transport van de grondstoffen en de voorverwerking. Het na de korrelvorming verkregen product is zeer eenvoudig te transporteren (de dichtheid van het pellet neemt steeds toe en de luchtvochtigheid is lager in vergelijking met de oorspronkelijke grondstoffen) en kan in brandstofwerkplaatsen worden opgeslagen om later te worden verbrand. Het is waarschijnlijk dat in een dergelijk scenario het proces van het voorbereiden van de grondstoffen en de productie van pellets wordt uitgevoerd in afzonderlijke bedrijven die niet zijn opgenomen in het energieopwekkende complex. Door de voordelen die dit oplevert, blijft het slakprobleem bestaan ​​en kunnen pellets van lage kwaliteit grotendeels binnen een bepaald temperatuurbereik worden verbrand. In dit geval kan het probleem van onvolledige verbranding van de pellets verergeren. Uit onderzoek (bijvoorbeeld [48]) blijkt dat bij een onvoldoende hoge verbrandingstemperatuur (meestal wordt een temperatuur tot 1000 °C in aanmerking genomen) door de verhoogde pelletdichtheid en het sinteren van de as er geen volledige verbranding van het organische deel van de brandstof plaatsvindt. Hierdoor neemt de concentratie CO in rookgassen toe en neemt de effectiviteit van de energieopwekking af.

Voor de productie van pellets zijn een aantal fysieke eigenschappen van componenten van bijzonder belang [46], bijvoorbeeld hydrofoob, porositeit en hygroscopisch. Pellets moeten sterk genoeg zijn, bestand tegen een hoge luchtvochtigheid en temperatuurwisselingen en daarnaast hun elastische eigenschappen behouden tijdens de opslag. Tegenwoordig richt een breed onderzoeksveld zich op het bepalen van de granulatieparameters, de mogelijkheden voor het gebruik van functionele additieven die de eigenschappen verbeteren en de selectie van de verhouding van de hoofdbestanddelen om de gewenste mechanische eigenschappen te verkrijgen. Tot nu toe zijn er nog maar weinig onderzoeksresultaten gepubliceerd die de productie van pellets uit gemengd afval combineren met de ontsteking en verbranding ervan, inclusief de analyse van vaste en gasvormige reactieproducten. Uit analyses van de ontwikkelingen op het gebied van gepelletiseerde meercomponentenbrandstoffen uit afval blijkt dat de belangrijkste toepassingsgebieden kleine verbrandingskamers en ketels zijn met de mogelijkheid om de brandstoflaag om te draaien en onvervuilbare as te verwijderen. Vanuit het oogpunt van technische en economische opportuniteit is de productie van pellets uit agro-industrieel afval het meest gerechtvaardigd in regio's met ontwikkelde veeteelt en landbouw (regio Belgorod, Krasnodar-gebied, regio Rostov, enz.) [49]. De grote componentenbasis biedt mogelijkheden voor het optimaliseren van de recepten, productiemethoden, opslag, transport en verbranding van landbouwgronden. Uit de resultaten van laboratoriumproeven en proefnemingen [50] is gebleken dat bij gezamenlijke verbranding van bepaalde soorten afval en alternatieve brandstofmengsels de specifieke emissies van zwavel- en stikstofoxiden aanzienlijk lager kunnen zijn dan bij verbranding van de belangrijkste brandstoffen: steenkool of stookolie. Deze afname is gebaseerd op de eigenschappen van de chemische samenstelling van de componenten (bijvoorbeeld een verhoogd gehalte aan alkali- en aardalkalimetalen, een hoge luchtvochtigheid), die het verloop van de ontzwavelingsreacties bepaalt, evenals een daling van de verbrandingstemperatuur, die van invloed is op de chemie en oxidatiekinetiek. Desondanks blijft een aanzienlijke kennis van de gedetailleerde samenstelling van de verbranding van brandstofmengsels een groot probleem [51]. Voor particuliere huishoudens en kleine stookhuizen is dit van belang bij gebrek aan moderne systemen voor de bewaking van de samenstelling en reiniging van rookgassen. Bij verhitting van het mengsel van organische componenten kunnen, naast SOX en NO, verschillende verbindingen vrijkomen (vooral in het lage temperatuurbereik): HCL, HF, polycyclische aromatische koolwaterstoffen, flulatoren, fenolen, alkylfenolen en zware metalen. Dergelijke componenten kunnen ontstaan ​​bij de verbranding van plastic, vast huishoudelijk afval, plantaardige componenten en steenkool. De impact van deze stoffen op de menselijke gezondheid wordt als gevaarlijk beschouwd; sommige gevolgen zijn nog niet onderzocht. Identificatie in rookgassen is met gasanalysatoren onmogelijk. Voor het onderzoek zijn vrij complexe laboratoriumtests nodig, waarbij gebruik wordt gemaakt van gaschromatografie en massaspectrometrie met daaropvolgende analyse van de waarden van de maximaal toegestane concentraties [52]. Lang houtafval en verschillende biomassa's, er zijn componenten die dominant zijn in de structuur van industrieel afval – olie en koolstof voor verwerkingsafval [8]. De totale omvang en het productietempo ervan nemen in vergelijking met huishoudelijk en plantaardig afval snel toe (ongeveer 97% van het afval in de Russische Federatie is afkomstig van koolstof- en olie- en olieproducerende bedrijven). Het gebruik van dit afval als brandstof is een van de manieren die zorgt voor een hogere recyclingsnelheid. Er bestaan ​​andere methoden voor de verwijdering van slib [53]: biologische verwerking, mechanische scheiding en extractie met behulp van oplosmiddelen, het vrijgeven van gezuiverde fracties met verschillende fysieke en chemische methoden. De relevante technologieën worden actief bestudeerd, maar vanuit het oogpunt van de potentiële verwerkingsvolumes, de complexiteit en de kosten van de processen zijn ze niet erg productief [53]. Directe verbranding van gemengde brandstoffen op basis van steenkool- en olieslib kan van groot belang zijn voor energiecentrales die zich bevinden in de productieregio's van de relevante grondstoffen, alsook in de directe nabijheid van steenkool- en olievoorraden en hun verwerkingsbedrijven. Het in beslag nemen van olie en oliën is een economische technologie voor de verwijdering ervan met de productie van thermische energie, die zelfs geschikt is voor het winnen van ernstige olievoorraden [54]. Er zijn echter een aantal operationele problemen die de verbranding van olieslib beperken [55, 56]. Uit veel onderzoeken naar de verbranding en vergassing van petroleumketels blijkt dat dergelijke grondstoffen in hun oorspronkelijke toestand vooral gebruikt kunnen worden in grote installaties met laagverbranding of roterende ovens [56, 57]. Het verbranden van een brandertype in de toppen is niet altijd mogelijk vanwege de hoge viscositeit en mineralisatie, de wendbaarheid en het lage reactievermogen van het olieafval [55, 56]. Desondanks is het, gezien de wijdverbreide installatie van toorts- en wervelverbranding van brandstof, raadzaam om olie en smeermiddelen voor deze apparatuur aan te passen. Door de samenstelling van de brandstof te wijzigen, kan de aangewezen taak worden opgelost. De bereiding van meercomponentenbrandstoffen op basis van aardolie en op petroleum gebaseerde oliën is een tamelijk economische en synergetisch veelbelovende aanpak. Het is irrationeel om vaste plantencomponenten in combinatie met olie en petroleum te gebruiken, omdat ze het probleem van de hoge viscositeit van de brandstof zullen verergeren [58]. Vloeibare, hoogreactieve additieven zijn veelbelovender: dieselbrandstof, alcoholen en ethers. Deze componenten zijn geen afval en verhogen de brandstofkosten, maar met een beperkt aandeel (5–10%) kunnen ze zorgen voor een aanzienlijke verlaging van de viscositeit, een toename van de verbrandingswarmte en een toename van het reactievermogen van het brandstofmengsel. De resulterende verbindingen kunnen worden gespoten door een hoge mate van uitbranding te bieden [58]. De meest geschikte materialen voor energiegebruik zijn afval van steenkoolflotatieafval van koolstofvezels - steenkoolglijbanen die bestaan ​​uit een mengsel van water, kleine deeltjes steenkool en niet-brandbare onzuiverheden [59]. Dergelijke grondstoffen vormen in hun oorspronkelijke toestand de basis voor de bereiding van de brandstofsuspensie, die in de verbrandingskamer kan worden gespoten (een typisch vochtigheidsbereik in de suspensie is 35–50%) [59]. Kolenslib wordt gekenmerkt door een onstabiele ontsteking en een verminderde volledigheid van de uitbranding in de zogenaamde “lagetemperatuurmodi” [60]. Daarom is het raadzaam om ze te combineren met vloeibare, hoog-reactieve componenten (bijvoorbeeld afvalolie, dieselbrandstof, esters, teer) om de ontbrandingssnelheid, de verbrandingstemperatuur en de verbrandingswarmte van het mengsel te verhogen en de kwaliteit van de uitbranding van de componenten te verbeteren. Suspensies zijn een heterogene brandstof en kunnen bij langdurige opslag in aparte fracties worden verdeeld. Dit is een van de operationele problemen, dat met vrij eenvoudige middelen kan worden opgelost [60] - de introductie van stabilisatoren en het gebruik van tanks die zijn uitgerust met mengapparatuur. Afhankelijk van het gebruikte mengselrecept kan het stabiliteitsprobleem zich pas na enkele dagen opslag voordoen. Sommige kolenglijbanen zijn bijzonder stabiel vanwege de aanwezigheid van oppervlakte-actieve stoffen die bij de flotatie van kolen worden gebruikt. Bovendien zorgt het gebruik van oliën voor een stabilisering van het mengsel. Er ontstaat nog een andere moeilijkheid: een aanzienlijke toename van de viscositeit bij het toevoegen van oliën [60]. Voor het gebruik van een meercomponenten brandstofsuspensie is het daarom noodzakelijk om te zoeken naar het optimum tussen de viskeuze eigenschappen, de sedimentatiestabiliteit en de energie-eigenschappen [61]. Het starten in de hoek van de opening van de toorts, de grootte en de snelheid van de sproei-elementen die mengsels op basis van kolen- of olieslib spuiten, is de belangrijkste fase om verhoogde verbrandingsindicatoren te garanderen [62]. Deze fase wordt beschouwd als een van de meest kwetsbare voor het hele proces, omdat het spuiten van ondoordringbare vloeistof en suspensiebrandstoffen individueel de parameters van de sproeiers, hun plaatsing en de methoden voor het leveren van secundaire lucht vereist [62]. Bovendien moet het ontwerp van de sproeiers zelf zo betrouwbaar mogelijk zijn voor het voorkomen van kanaalerosie en zorgen voor langdurig werk [63]. Er zijn geen standaardoplossingen en elk object vereist experimentele tests, laboratoriumonderzoek en berekeningen van de geometrie van sproeiers.

Brandstofmengsels op basis van kolenslib of olie en olie en ander industrieel afval zijn zeker niet bedoeld voor gebruik in particuliere huishoudens. Voor hun voorbereiding en verbranding, een infrastructuur met de plaatsing van extra apparatuur in de Energy Enterprise [65]: tanks voor het opslaan van componenten, homogenizers, verwarmd magazijn, pompapparatuur, brandstoffilteringsystemen en installaties voor zuivering van rookgassen zijn nodig. Ondanks de nodige investeringen en een grote hoeveelheid van de resultaten van laboratorium- en experimentele tests, zijn de technologie van directe verbranding van lage-grade mengsbrandstoffen niet alleen gerechtvaardigd voor het oplossen van milieuproblemen van afvalverwijdering, maar ook vanuit het oogpunt van het positieve potentieel van winstgevendheid-veel technische en economische studies (bijvoorbeeld, [37, 66]) bevestigen dit aspect.

In [67, 68] wordt een strategie voor gezamenlijke verwijdering door aangrenzende regio's van industrieel en gemeentelijk afval gepresenteerd door verbranding als onderdeel van compositorische vloeibare brandstoffen op lokale thermische elektrische stations. In de praktijk zal een dergelijke strategie enerzijds de negatieve impact van milieuafval verminderen, anderzijds, zal het verbruik van kolenbrandstof voor de productie van warmte en elektriciteit verminderen. De belangrijkste bepalingen van de strategie zijn ontwikkeld op het voorbeeld van 3 aangrenzende regio's op het grondgebied van het Siberische federale district: Kemerovo (regio nr. 1), Novosibirsk (regio nr. 2), Tomsk (regio nr. 3) van de regio. Deze regio's zijn een typisch voorbeeld van een model van interactie tussen de grondstoffen en industriële sectoren van de economie. Как правило, для боошшинства стран с с развиты сырьевыы сCorp из-за добычи ископаемоeuw о топлива) характерна тенденция, коathда реегионы, в которых ведется добыча ископаемоемогого толива, оаюаюаю zelfs друassen регионы с выыоким уровнем проышленноombin и сциальнноombin развитий. Такое соседство создает благоприятные условия, с о одной стороны, двеличениcl оемемовиемовъемовъемовъемовъемемем mijмоurg ... добычи ископаемоvel топлива (в данном примеререререchter рее sustrik № 1 - добыча твердых уггеводородов, регион № 3 - добыча жидких углеводоchter), с друassen стороны, дwoord развитития проышышленных предприятий и, соответвенно 24, увеличения численнности населения (в данннном примере ри 2). В тoelen добычи и экспорта уassen и нефти, одной из основных проблем является сижение негативноeug воздействиeuw на оа ающющю среду ггеобогатительных фабрик и нефтеререрEonerthikбывающих предприятий за счет складированиclus горючих твердых и жидких отходов на проышышенных площадках (полиogen). Для регионов с высоким уровнем промышленного и социального развитий одной из основных проблем явлvol некоторых компонентов тко, жжегодный оъем производства которых сопоставим по маш с с с сшш сш оъемом (миллионы тонн в в год) проышышленных отходов крупных угле- и нефтеперерEypeWWWWWWuidющвающих предприятий.

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.