Потенциал сжигания для снижения глобального кризиса загрязнения пластиком

Ограничения механической переработки являются основным драйвером этого кризиса. Механическая переработка хорошо работает для чистых однополимерных пластмасс, таких как ПЭТ-бутылки и кувшины HDPE. Но она борется с загрязнением, ухудшает качество полимера с каждым циклом и экономически нежизнеспособна для многих низкоценных пластмасс. Пленки, многослойная упаковка, цветные пластмассы и смешанные материалы обычно отвергаются объектами переработки. Эта неперерабатываемая фракция часто оказывается на свалках, где она сохраняется на протяжении веков, или сбрасывается незаконно. Во многих развивающихся странах она сжигается в открытых ямах, выпуская токсичный коктейль из диоксинов, фуранов и черного углерода непосредственно в сообщества. Именно эта часть потока отходов предназначена для обработки современных контролируемых сжиганий.

Как работают современные объекты по переработке отходов в энергию

Контролируемое сжигание в контексте современного обращения с отходами означает высокотемпературное сжигание внутри объекта, оснащенного передовыми системами контроля загрязнения и рекуперации энергии. Сегодня WtE-заводы работают при температурах, которые обычно превышают 850°C (1562°F), со временем пребывания достаточно долго, чтобы обеспечить полное уничтожение органических соединений. В промышленности используется несколько различных технологий.

Массовое сжигание

Массовый ожог является наиболее широко применяемой во всем мире технологией WtE. Он принимает смешанные коммунальные твердые отходы с минимальным предварительным сортировкой. Отходы загружаются в бункер и подаются на движущуюся решетку внутри камеры сгорания. Тепло от горящих отходов кипит воду в котельных трубах, производя пар высокого давления, который приводит в действие турбину для выработки электроэнергии. Негорючий материал, который остается, называемый донной золой, собирается и перерабатывается. Черные и цветные металлы извлекаются для переработки, а минеральная фракция часто используется в качестве агрегата в строительстве, уменьшая потребность в первичных материалах. В Европейском союзе работает более 400 установок массового сжигания, ежегодно перерабатывая более 90 миллионов тонн остаточных отходов.

Газификация и пиролиз

Эти передовые технологии термической обработки тепловых отходов в среде с низким содержанием кислорода. Газификация превращает органическую часть отходов в горючий синтетический газ, в то время как пиролиз производит жидкое масло, которое может быть рафинировано в топливо или химические вещества. Сингаз или масло могут использоваться на месте для производства электроэнергии или в качестве сырья для химического производства. Эти технологии предлагают потенциально более высокую эффективность и более низкие выбросы по сравнению с массовым сжиганием, но они более чувствительны к составу сырья и еще не так широко используются для смешанных пластиковых отходов. Они особенно перспективны для обработки конкретных промышленных пластиковых потоков, которые являются однородными по составу, например, из остатков автомобильного измельчителя или производства упаковки.

Сжигатели жидких кроватей

В системах с жидкостным слоем суспендируется слоем песка или другого гранулированного материала при помощи восходящего потока воздуха. Отходы вводятся в слое, где быстро нагреваются и сжигаются. Эти системы обеспечивают отличную теплопередачу и температурную однородность, что делает их хорошо подходящими для потоков отходов с высоким содержанием влаги или высоким содержанием пластика. Они обычно используются для промышленного и опасного сжигания отходов, а некоторые объекты в Японии и Китае приняли технологию сжиженного слоя для муниципальных отходов.

Независимо от используемой технологии, основной химический процесс тот же. Углеводородные полимеры, которые составляют пластмассы, окисляются в углекислый газ и водяной пар, высвобождая химическую энергию, хранящуюся в их молекулярных связях. Объем исходных отходов уменьшается на целых 90 процентов. Остается стерильная, инертная зола, которая занимает гораздо меньше места на свалке или может быть использована продуктивно.

Экологический аргумент в пользу контролируемого сжигания

При оценке альтернативных вариантов захоронения, открытого захоронения и открытого сжигания, современные WtE предлагают несколько очевидных экологических преимуществ.

Сокращение объема и сохранение земель

Наиболее прямой выгодой является резкое сокращение объема отходов. Одна современная установка WtE может перерабатывать сотни тысяч тонн отходов каждый год, уменьшая свою массу до доли первоначального объема. Это экономит ценные земли, которые в противном случае использовались бы для свалок. Это также устраняет долгосрочные экологические риски, связанные со свалками, включая загрязнение подземных вод от выщелачивания и выброс метана, мощного парникового газа с потенциалом глобального потепления в 28 раз больше, чем у углекислого газа. В густонаселенных регионах, где земля скудна и дорогая, это является критическим соображением. Такие страны, как Япония и Сингапур, где площадь земли чрезвычайно ограничена, десятилетиями полагались на сжигание для управления отходами без расширения свалок.

Уничтожение микропластиковых прекурсоров

Пластиковые отходы, которые засыпаются или выбрасываются в окружающую среду, со временем развалятся на микропластики через воздействие солнечного света, тепла и физической истиранности. Эти крошечные частицы практически невозможно удалить после их рассеивания. Они были обнаружены в арктическом льду, Марианской впадине и человеческих органах. Сжигание при высоких температурах полностью разрушает полимерную структуру пластмасс, исключая любую возможность будущей фрагментации. Перехват пластиковых отходов до того, как у них появится шанс попасть в окружающую среду, WtE-растения выступают в качестве конечного барьера между потреблением и загрязнением экосистемы. Это преимущество особенно важно для пластиковых пленок и пенопластов, которые особенно подвержены фрагментации и трудно улавливаются в потоках рециркуляции.

Восстановление энергии и декарбонизация сетки

Пластмассы получают из ископаемых видов топлива и содержат высокую плотность энергии. Калорийность полиэтилена и полипропилена сравнима с теплоэнергией дизельного топлива. Современные установки WtE улавливают эту энергию как электричество и, во многих европейских установках, как тепло для сетей централизованного теплоснабжения. По данным Конфедерации европейских установок по переработке отходов в энергию, европейские установки WtE в 2021 году выработали около 42 ТВтч электроэнергии и 96 ТВтч тепла. Эта энергия может вытеснить энергию с угольных или газовых установок, что приводит к чистому сокращению выбросов парниковых газов по сравнению с захоронением, даже при учете ископаемого CO2, выделяемого при сжигании. В мире, который по-прежнему в значительной степени зависит от ископаемого топлива для производства электроэнергии, этот эффект замещения имеет значение. Например, завод Spittelau в Вене поставляет тепло более 60 000 домохозяйств, резко сокращая зависимость города от свалок.

Восстановление металлов и минералов из пепла

Дно золы с заводов WtE содержит значительные количества черных и цветных металлов, которые иначе были бы потеряны на свалке. Эти металлы извлекаются с помощью магнитных сепараторов и сепараторов вихревого тока. В таких странах, как Нидерланды, более 95 процентов металлов из донной золы извлекаются и отправляются обратно в производственную цепочку поставок. Оставшаяся минеральная фракция, известная как агрегат, используется в дорожном строительстве, бетонных блоках и асфальте. Эта петля извлечения добавляет круговой размер к процессу сжигания, превращая поток утилизации в источник вторичного сырья. В 2021 году европейские заводы WtE извлекли более 2 миллионов тонн металлов из золы.

Законные проблемы: выбросы, углерод и конфликт в области переработки

Несмотря на свои преимущества, контролируемое сжигание подвергается серьезной критике, и эти проблемы должны быть признаны и учтены в любой ответственной политической системе.

Токсичные выбросы воздуха

Сжигание пластмасс, особенно поливинилхлорида, может генерировать диоксины и фураны. Эти стойкие органические загрязнители токсичны при чрезвычайно низких концентрациях и накапливаются в пищевой цепи. Тяжелые металлы, включая свинец, кадмий и ртуть, также могут выделяться, если присутствуют в кормах для отходов. Современные заводы WtE решают эту проблему с помощью многоступенчатых систем очистки дымовых газов, которые включают в себя инъекцию активированного угля, фильтры для мешков, мокрые скрубберы и селективное каталитическое сокращение. Эти системы, при правильном использовании и обслуживании, могут снизить выбросы до уровней, значительно ниже нормативных ограничений. Выбросы диоксина от европейских заводов WtE упали более чем на 99 процентов с 1990-х годов. Однако технология должна постоянно контролироваться, и нормативный надзор должен быть надежным. Плохо поддерживаемый или некачественный объект может создать серьезные риски для общественного здравоохранения для окружающих сообществ, поэтому Европейское агентство по окружающей среде подчеркивает непрерывный мониторинг выбросов в качестве необсуждаемого требования.

Выбросы диоксида ископаемого углерода

Сжигание превращает углерод в пластмассах в CO2, парниковый газ. В то время как WtE обычно производит более низкие чистые выбросы, чем захоронение, когда учитывается предотвращение метана, он все еще выпускает ископаемый углерод в атмосферу. В мире, приверженном чистым нулевым выбросам, это проблема. Некоторые предложения призывают к интеграции технологии улавливания и хранения углерода в заводы WtE, но это остается дорогим и коммерчески недоказанным в масштабе. Межправительственная группа экспертов по изменению климата определила WtE с улавливанием углерода как технически осуществимый вариант для генерации отрицательных выбросов при переработке фракций биогенных отходов, но требуемые инвестиции в инфраструктуру значительны. Критики утверждают, что строительство долгоживущей инфраструктуры сжигания может блокировать выбросы ископаемого углерода в течение десятилетий, отвлекая инвестиции от действительно круговых решений, таких как системы повторного использования и химическая переработка.

Стимулы для сжигания вместо переработки

Наиболее стойкая и, возможно, самая важная критика WtE заключается в том, что она может подорвать переработку. Если муниципалитет создает потенциал для сжигания, это создает спрос на отходы в качестве топлива. Это может создать извращенный стимул для поддержания высоких объемов отходов, потенциально препятствующих сокращению источников, повторному использованию и программам переработки. Эта динамика «кормления зверя» реальна и должна управляться с помощью политики. Эффективные рамки предписывают амбициозные цели по переработке, ограничивают типы отходов, которые могут быть сожжены до неперерабатываемых материалов, и используют экономические инструменты, такие как налоги на свалки и сборы за ворота, чтобы гарантировать, что переработка остается предпочтительным вариантом. В хорошо управляемых системах в Европе высокие ставки рециркуляции и WtE сосуществуют, потому что строгие правила сортировки не позволяют вторичной переработке достичь мусоросжигателя. Швеция, например, перерабатывает почти половину своих муниципальных отходов при отправке только 1 процента на свалки, а остальная часть идет на заводы WtE, которые производят электроэнергию и тепло в районе.

Технологические и нормативные гарантии

Экологические показатели WtE значительно улучшились за последние три десятилетия, в основном благодаря регулированию и инновациям. Справочные документы по наилучшим доступным технологиям, такие как опубликованные в соответствии с Директивой Европейского союза о промышленных выбросах, стали глобальным эталоном. Современные заводы спроектированы с несколькими ключевыми конструктивными особенностями.

• Высокотемпературное горение: Газы флюида поддерживаются выше 850°С в течение по крайней мере двух секунд для обеспечения уничтожения органических загрязнителей.
• Многоразмерная очистка дымовых газов: Это включает удаление кислотных газов, фильтрацию твердых частиц, улавливание тяжелых металлов и каталитическое уменьшение оксидов азота.
• Постоянный мониторинг выбросов: Датчики отслеживают загрязняющие вещества в режиме реального времени, и данные часто становятся общедоступными для обеспечения прозрачности. Многие объекты в Японии и Европе имеют общедоступные доски отображения, показывающие данные о выбросах в режиме реального времени.
• Негативный прием отходов под давлением: Приемный зал поддерживается под отрицательным давлением воздуха, чтобы предотвратить запахи и беглые выбросы от выхода в окружающую область.

Эти стандарты проектирования в сочетании с жесткими процессами выдачи разрешений и инспекции позволяют объектам WtE работать с минимальным воздействием на окружающую среду. Ключевое значение имеет то, что эти стандарты должны применяться повсеместно, а объекты, которые не могут их удовлетворить, не должны допускаться.

Позиционирование сжигания в иерархии отходов

Ни одна технология не может решить кризис загрязнения пластиком. Иерархия отходов остается наиболее логичной основой для действий. Наверху - профилактика: сокращение производства и использования ненужных пластмасс. Далее идет повторное использование: проектирование продуктов и упаковки для нескольких циклов использования. Затем идет переработка: преобразование отходов в новые продукты. Ниже идет переработка, в том числе восстановление энергии от сжигания. Внизу - утилизация, в первую очередь захоронение. Сжигание с рекуперацией энергии относится к восстановительному ярусу. Сжигание с рекуперацией энергии принадлежит к восстановительному ярусу. Никогда не следует допускать, чтобы оно конкурировало или вытесняло сокращение, повторное использование или переработку. Оно должно служить защитной сеткой для материала, который остается после того, как все варианты более высокого уровня были исчерпаны.

Такие страны, как Швеция, Дания и Нидерланды, продемонстрировали, что это достижимо. Эти страны поддерживают уровень переработки выше 50 процентов, одновременно эксплуатируя значительные мощности WtE. Ключом является строгое разделение источников. Домохозяйства и предприятия разделяют перерабатываемые материалы в точке утилизации, а системы сбора предназначены для того, чтобы эти материалы не попадали в поток остаточных отходов. Только неперерабатываемая фракция идет на сжигание. Этот подход требует государственного образования, удобной инфраструктуры сбора и правоприменения. Он также требует экономической политики, которая отражает истинные затраты на удаление и делает переработку финансово конкурентоспособной.

Глобальные тематические исследования: разные контексты, разные результаты

Европа: зрелая инфраструктура и жесткий надзор

Европейский союз управляет приблизительно 500 заводами WtE, перерабатывая приблизительно 90 миллионов тонн отходов каждый год. Директива ЕС о свалках и План действий по круговой экономике привели к устойчивому сдвигу от захоронения отходов к более высоким вариантам. Многие европейские заводы WtE интегрированы с сетями централизованного теплоснабжения, достигая энергоэффективности, превышающей 90 процентов. Общественное признание в таких странах, как Австрия и Германия, относительно высокое, построенное через десятилетия строгого соблюдения выбросов и прозрачного участия сообщества. Завод Malmö в Швеции, например, обеспечивает централизованное отопление более чем 100 000 домашних хозяйств, удовлетворяя стандартам выбросов, которые являются одними из самых строгих в мире.

Япония: сжигание в обществе, ограниченном землей

Япония сжигает более 70 процентов своих твердых бытовых отходов, включая большую часть своих пластиковых отходов. Страна имеет ограниченную емкость свалок, поэтому сокращение объема является практической необходимостью. Японские объекты WtE часто расположены в городских районах, спроектированы так, чтобы вписываться в городской ландшафт и подвергаться строгим ограничениям выбросов. Нижняя зола, образуемая этими заводами, часто остеклена в шлак и используется в качестве строительного материала. Опыт Японии показывает, что сжигание может быть центральным компонентом управления отходами в обществе высокой плотности, при условии, что инвестиции в борьбу с загрязнением являются приоритетными. Токийский завод в Синагаве, например, построен в жилом районе и использует передовую фильтрацию для обеспечения того, чтобы выбросы не обнаруживались жителями.

Развивающиеся страны: опасный порок открытого горения

Во многих странах с низким и средним уровнем дохода формальная инфраструктура управления отходами сильно ограничена. Наиболее распространенным методом удаления пластиковых отходов является открытое сжигание, которое выделяет диоксины, фураны, черный углерод и другие загрязнители непосредственно в воздух, которым дышат люди. Для этих регионов соответствующее сравнение не между сжиганием и идеальной круговой экономикой. Для этих регионов уместно сравнение не между неконтролируемым открытым сжиганием и контролируемой, хорошо регулируемой WtE. Международные финансы и техническая помощь могут поддержать развертывание надлежащим образом масштабированных заводов WtE, которые заменяют худшие формы утилизации. Однако такие проекты должны включать значительные инвестиции в создание местного потенциала для эксплуатации, обслуживания и регулирования. Без этих гарантий существует риск импорта дорогостоящих технологий, которые выходят из строя или становятся источником загрязнения. Глобальная сеть очистки отходов предоставляет данные на местах, показывающие, что в регионах без формальной обработки открытое сжигание остается по умолчанию, и даже небольшие подразделения WtE могут предложить значительное улучшение, если правильно управлять.

Для дальнейшего изучения масштабов проблемы и диапазона вариантов политики доклад ЮНЕП является важным ресурсом. Анализ Европейского агентства по окружающей среде обеспечивает тщательный обзор технологии и ее экологических показателей. И для критического взгляда на пределы сжигания и важность предотвращения Глобальная сеть очистки отходов предлагает данные на местах о потоках отходов и пробелах в обработке во всем мире.