Мониторинг на емисии в инсталации за изгаряне на отпадъци

Cъгласно проучвания, в световен мащаб към момента функционират над 2400 инсинератора за обезвреждане на приблизително 307 млн. тона отпадъци годишно. Директива 2010/75/ЕС относно емисиите от промишлеността налага строги задължения и ограничения на държавите членки, с цел свеждане до минимум на негативното въздействие върху околната среда и човешкото здраве на всички замърсители в атмосферния въздух, почвата, както и в повърхностните и подземните води.

Този нормативен документ е движеща сила за изграждането на технологично усъвършенствани инсинератори, позволяващи постигането на високи стандарти по отношение редуциране на емисиите. Едно от задълженията по Директивата е гарантиране, че държавите членки използват системи за непрекъснат мониторинг на отпадъчните газове.

Тези системи трябва да отговарят на изискванията на стандарт EN14181 за осигуряване на качеството на автоматизирани измервателни системи за емисии от стационарни източници.

Всички инсталации за изгаряне на отпадъци, които попадат в обхвата на Директивата трябва да следят редица замърсители в емисиите, включително въглероден оксид, общ органичен въглерод, хлороводород, флуороводород, прах и азотни и серни оксиди.

Тези параметри са само допълнение към широка гама от специфични химични съединения, които могат да бъдат рискови при определена инсталация. Мониторингът следва да е непрекъснат и да осигурява средни измервания ежедневно на всеки половин час.

Емисиите от инсталации за изгаряне зависят от състава на отпадъците, техническите характеристики на горивната камера и проектирането и експлоатацията на пречиствателните съоръжения за отпадъчни газове. Инсинераторите за битови отпадъци обикновено генерират отпадъчни газове в обем между 4500 и 6000 куб. м на тон отпадък (при 11% кислород).

При инсталациите за опасни отпадъци тази стойност е между 6500 и 10 000 куб. м, в зависимост от средната топлина на изгаряне. Системите използващи процеси на пиролиза, газификация и изгаряне в обогатена с кислород среда отделят по-малки обеми отпадъчни газове на тон изгорени отпадъци.

Въглероден оксид
Въглеродният оксид в отпадъчните газове от инсинератори за отпадъци е продукт на непълното изгаряне на съдържащите въглерод съединения. CO се получава, когато концентрацията на кислород на локално ниво е недостатъчна и/или температурата на горене не е достатъчно висока за пълното окисление до въглероден диоксид.

Това може да се случи, ако се изгарят спонтанно изпаряващи се или бързо горящи материали, или когато смесването на горивните газове с подавания кислород е некачествено. Непрекъснатото измерване на нивата на CO може да бъде използвано за проверка на ефективността на горивния процес.

Ако емисиите му са много ниски, тогава ефективността на изгаряне е много висока и емисиите на общ органичен въглерод (TOC) също са много ниски (и обратното). Особено високите концентрации на CO трябва да се избягват, тъй като те могат да доведат до създаването на експлозивна смес в потока отпадъчни газове.

Повишени емисии на въглероден оксид могат да се очакват при изгаряне на опасни отпадъци, съхранявани във варели. Концентрацията на CO от инсталациите за изгаряне на отпадъци е предмет на непрекъснат мониторинг, като обикновено стойността е под 50 mg/Nm3.

Общ органичен въглерод
Този параметър за мониторинг включва няколко газообразни органични вещества, чието индивидуално отчитане е прекалено сложно или невъзможно. По време на изгарянето на органични отпадъци протичат голям брой химични реакции, някои от които непълно. Това води до отделянето на изключително сложна смес от съединения с микроконцентрация.

Не е наличен списък с всички обхванати от параметъра TOC вещества, но е известно, че изгарянето обикновено ги унищожава с много висока ефективност. TOC може да бъде измерван непрекъснато в потока отпадъчни газове, като ниските нива са ключов индикатор за процеса на горене на отпадъците. Обикновено концентрацията е между 0,1 и 10 mg/Nm3.

Хлороводород
Много отпадъци съдържат хлорирани органични съединения или хлориди, като в битовите отпадъци, например, приблизително 50% от хлоридите идват от PVC. При процеса на инсинерация органичната компонента на тези съединения изгаря, а хлорът се трансформира в хлороводород. Част от него може да реагира с други неорганични съединения, съдържащи се в отпадъците, до образуването на метални хлориди.

HCl е силно разтворим във вода и оказва въздействие върху растежа на растенията. Затова концентрацията му в отпадъчните газове от изгарянето, която обикновено варира между 0,1 - 10 mg/Nm3, се следи непрекъснато.

Формирането на емисии от Cl2 не е от съществено значение при нормални условия на горене, но влияе върху замърсяването и корозията на съоръженията. Поради това е целесъобразно образуването му да се управлява, така че процесът да протича в газовата фаза, а не след отлагането по оборудването.

Флуороводород
Механизмът на формиране на флуороводород в инсталациите за изгаряне е аналогичен на образуването на HCl. Основните източници на емисии на HF в инсинераторите за битови отпадъци са флуорираните пластмаси и текстил, а в някои случаи и разлагането на CaF2 при процеса на изгаряне на утайки. HF също е предмет на непрекъснат мониторинг, като обичайно концентрацията му в емисиите е от 0,1 до 10 mg/Nm3.

Непрекъснатото измерване на HF може да бъде пропуснато, ако се прилага пречистване спрямо HCl, гарантиращо, че нормите за допустими емисии за хлороводород няма да бъдат надхвърлени. В този случай емисиите на HF се подлагат на периодични измервания.

Йод и бром
Битовите отпадъци обикновено съдържат много малки количества бромни или йодни съединения и затова емисиите на бром и йод от инсталациите за изгаряне се считат за незначителни. В съоръженията за опасни отпадъци органичните и неорганичните отпадъчни материали се обработват предварително.

Бромни съединения могат да бъдат открити в някои електронни устройства под формата на забавители на горенето, а йод – във фармацевтични отпадъци или като покритие на метални повърхности. Като цяло обаче, количествата им са малки в сравнение с тези на хлорираните съединения.

Бромът и йодът спомагат за окислението на живака и намаляване на съдържанието му в пречистените газове чрез подобряване капацитета на задържане на мокрите скрубери. Когато емисиите съдържат тези елементи, химичните им свойства могат да доведат до оцветяване на изпусканите през комина газове.

Серни оксиди
Ако отпадъците съдържат серни съединения, при изгарянето им в емисиите се отделя основно SO2. При подходящи реакционни условия може да се образува и SO3. За твърди битови отпадъци съдържанието на SO3 може да достигне до 5% на вход на пречиствателните съоръжения. Източник на сяра в отпадъчните потоци са хартията, гипсокартонът (калциев сулфат) и утайките. Серният диоксид се измерва непрекъснато, като концентрацията му в емисиите от инсинератори за отпадъци варира в границите 1 - 50 mg/Nm3.

Азотни оксиди
Вследствие на изгарянето на отпадъци се отделят различни азотни оксиди, които, в зависимост от вида си, имат токсично или киселинно действие, или допринасят за глобалното затопляне. Азотните оксиди също се следят чрез системи за непрекъснат мониторинг. Емитираните NO и NO2 от инсинераторите се образуват от съдържащия се в отпадъците азот (горивни NOX) и от превръщането на атмосферния азот от горивния въздух в азотни оксиди (термични NOX).

В инсталациите за изгаряне на битови отпадъци пропорцията на термичните NOX обикновено е много малка, което се дължи на по-ниските температури в следгоривната камера. Образуването на термични NOX става по-значимо при температури над 1000°C. В инсинераторите за твърди битови отпадъци формирането на термичните NOX зависи до голяма степен и от количеството и начина на инжектиране на вторичен въздух в следгоривната камера.

Механизмите на образуване на NOX от съдържащия се в отпадъците азот са много сложни. Това е така, защото азотът може да се съдържа в отпадъците под много различни форми, които в зависимост от химичната среда, могат да реагират или до NOX, или до елементен азот. Силно въздействие върху процеса оказват високите температури и концентрации на сяра и кислород. Съотношението NO/NO2 в общите емисии на NOX обикновено е 95:5.

Диазотният оксид не се измерва като част от мониторинга на NOX. N2O може да се отдели при недостатъчно висока температура на горене (под 850°C) и недостатъчна концентрация на кислород. Следователно емисиите на N2O от инсталациите за изгаряне на отпадъци са свързани с тези на CO.

Когато се прилага неселективна каталитична редукция, формирането на N2O може да се повиши, в зависимост от дозите на използвания реагент и температурата. Измервани са стойности от 20 до 60 mg/m3, но в случаи, когато се цели постигане на много ниски нива на NOX и за процеса се използва уреа. За инсталации за изгаряне на битови отпадъци емисиите на N2O са 1 - 12 mg/Nm3, за опасни отпадъци - 30 до 32 mg/Nm3, и за утайки - 10 mg/Nm3.

Емисиите на NOX допринасят за киселинните дъждове и еутрофикацията и затова се следят непрекъснато. Съвременните инсталации за изгаряне на отпадъци отделят между 30 и 200 mg/Nm3 емисии на азотни оксиди.

Прах
Емисиите на прах от инсталациите за изгаряне на отпадъци съдържат основно фината пепел от процеса на горене, която се унася с потока отпадъчни газове. В зависимост от реакционното равновесие, в праха могат да се концентрират и други елементи и съединения. Посредством съоръженията за пречистване обикновено се отстраняват по-голямата част от праха и унесените неорганични и органични съединения (например метални хлориди, PCDD/F и др.).

Пречистващите системи редуцират в голяма степен емисиите на прахови частици от инсинераторите за отпадъци. Както при всички горивни процеси, видът на използваното пречиствателно оборудване влияе върху гранулометрията на емитирания прах.

Филтриращите съоръжения са по-ефективни за по-големите прахови частици и затова променят пропорцията на фината фракция, изпускана в атмосферата, като същевременно намаляват общата емисия на прах. Концентрациите на прах се следят непрекъснато от системата за мониторинг, като се отчитат стойности между <0,05 и 15 mg/Nm3.

Живак и живачни съединения
Живакът се съдържа в компоненти на потока битови отпадъци като батерии, термометри, дентална амалгама, флуоресцентни лампи или живачни превключватели. Разделното събиране на тези отпадъци би могло да спомогне за редуцирането на общите товари на живак в смесените твърди битови отпадъци, но практиката показва, че 100%-та им сепарация е непостижима.

Емисиите на живак могат да бъдат измервани непрекъснато. В повечето случаи концентрацията варира между 0,0014 и 0,05 mg/Nm3. Формата на живачните емисии зависи силно от химичната среда в отпадъчния газ. Обикновено се установява равновесие между метален живак (Hgo) и HgCl2. Ако концентрацията на HCl в отпадъчните газове е достатъчно висока, живакът преобладава като HgCl2, който може да бъде отстранен значително по-лесно, отколкото металния живак.

Температурата на горене също оказва влияние върху формирането на HgCl2. Той може да бъде отстранен в мокри скубери, ако присъства и SO2. Образувалият се тогава Hg2Cl2 може да се разпадне до HgCl2 и Hg. Тези реакции могат да бъдат предотвратени чрез регулиране на pH в мокрите скрубери до ниски стойности и чрез премахване на Hg от отпадъчния поток.

Полихлорирани дибензодиоксини и фурани
Диоксините и фураните (PCDD/F) отдавна са предмет на дискусия, когато става дума за изгаряне на отпадъци. Формирането и изпускането им не е характерно само за инсинертаорите, но и за всички термични процеси при определени условия. През последните години е постигнат значителен напредък в емисионния контрол на PCDD/F.

Подобренията в проектирането и експлоатацията на горивните и пречиствателните системи позволяват постигането на много ниски емисионни норми. Национални и регионални инвентаризации на емисиите показват, че ако има съответствие с Директива 2010/75/ЕС, инсинераторите за отпадъци допринасят много малко към общите емисии на диоксини и фурани в атмосферата.

PCDD/F в отпадъчните газове от инсталациите за изгаряне на отпадъци са резултат на рекомбинация на въглерод, кислород и хлор. Някои прекурсорни вещества (например хлорфеноли) също могат да реагират до диоксини и фурани. При образуването на тези замърсители важна роля играят и някои катализатори под формата на съединения на преходни метали (мед). Измерванията на диоксини и фурани, както и на тежки метали, трябва да се извършват най-малко два пъти годишно, а в течение на първите 12 месеца от експлоатацията на инсталацията следва да се провежда едно измерване на всеки три месеца.

Системи за мониторинг
В традиционните системи мониторингът се провежда чрез взимане на малка проба от отпадъчните газове чрез помпа. Когато пробата е гореща, мокра или лепкава, тя се разрежда с чист, сух въздух, обикновено до съотношение 100:1, за да може да се работи по-лесно с нея. Пробата се транспортира по пробоотборната тръба до различни индивидуални анализатори. Система за събиране на данни получава сигнал от всеки анализатор и записва данните за емисиите.

Алтернатива на този метод е директният непрекъснат мониторинг, при който пробата не се разрежда, а се пренася по подгрявана пробоотборна линия до кондициониращо устройство. Пробата преминава през филтър за отстраняване на частиците и се изсушава преди да постъпи в колектора. Едно от предимствата на тази техника е, че осигурява възможност за измерване на концентрацията на кислород в пробата. Тъй като в системите с разреждане пробата се смесва със свеж въздух, измерването на кислорода не е възможно.

Един по-съвременен подход включва измерването на всички замърсители в една точка. Инфрачервената спектроскопия с трансформация на Фурие (FTIR) анализира спектъра от постъпващата инфрачервена светлина. Инфрачервеният спектър позволява идентифицирането на молекулите, както и отчитането на концентрациите на веществата.

Електронно управлявана пробовземна система пренася газовата проба при постоянно налягане от пробоотборната точка до анализаторите. За да се избегне въздействие на налягането върху пробата, което би могло да се случи с конвенционална диафрагмена помпа, не се използват движещи се части.

Регулирането на температурата при пробовземане, транспорт и анализ на пробата до 180°C гарантира, че химичните и физичните свойства на газа се поддържат постоянни и няма да настъпят промени в тях поради кондензация. Тази технология може да бъде приложена и за повишаване на ефективността на пречиствателните съоръжения чрез анализиране на отпадъчните газове след горене и отново след третиране. Резултатът от тези анализи се използва за регулиране на добавяните в процесите реагенти.