Некоторые новые подходы к выбору альтернативных возобновляемых источников сырья в производстве тепловой и электрической энергии

НОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИ

УДК 66.062.38

НЕКОТОРЫЕ НОВЫЕ ПОДХОДЫ К ВЫБОРУ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ СЫРЬЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Сообщение 1. Энергетические перспективы практического использования твердых бытовых отходов в качестве энергоресурса

Ю.Я. ПЕТРУШЕНКО*, Г.И. ДРУЖИНИН*, Г.Н. МАРЧЕНКО*,

Э.Р. АЛТЫНБАЕВА*, Г.А. МАРЧЕНКО**

* Казанский государственный энергетический университет ** Казанский государственный финансово-экономический институт

В проблеме поиска альтернативных источников тепловой и электрической энергии, причем возобновляемых, необоснованно мало внимания уделяется вопросу использования отходов промышленного производства, пищевых и бытовых отходов жизнедеятельности человека, отходов сельскохозяйственного производства, включая отходы биомассы животноводческих комплексов как возможного дополнительного и, что особенно важно, возобновляемого ресурса в производстве тепловой и электрической энергии.

Авторы проводят подробный анализ этой многоаспектной проблемы и дают оценку возможностей практической реализации ее на ближайшую перспективу.

Использование возобновляемых источников, прежде всего отходов производства, твердых отходов мусора и биомассы, для выработки тепловой и электрической энергии является одной из существенных задач энергосбережения. Внедрение энергоустановок, работающих на бытовых отходах, решает острейшую проблему крупных мегаполисов, связанную с утилизацией этих отходов.

Термическое обезвреживание бытовых отходов в ряде индустриально развитых стран Европы является безальтернативным способом их утилизации, так как федеральные законы запрещают вывоз отходов на полигоны сжигания с содержанием органических веществ более 5% [1-8].

В последние два десятилетия в странах ЕС, США, Японии происходит расширение строительства новых и реконструкция существующих заводов по переработке отходов с выработкой тепловой и электрической энергии. В работах [2-4, 7] показано, что твердые бытовые отходы (ТБО) по своим

теплотехническим характеристикам вписываются в общую диаграмму естественных видов топлива. Низшая теплота сгорания в пересчете на рабочую массу отходов в Москве, согласно данных [4], составляет в среднем 7500...8000 кДж/кг, влажность 30...40%, зольность 25...30%. Ежегодно в России образуется около 40 млн.т. бытовых отходов, из них как топливо используется менее 1%, в Швейцарии 80%, Дании 80%. Японии 85%, Франции 65%, Германии 60%. Опыт освоения работы использования ТБО на отечественных ТЭЦ ограничивается двумя предприятиями ГУКП "Экотехпром" г.Москвы: ТЭС в Алтуфьеве

© Ю.Я. Петрушенко, Г.И. Дружинин, Г.Н. Марченко, Э.Р. Алтынбаева, Г.А. Марченко Проблемы энергетики, 2008, № 9-10

(спецзавод №2) и спецзавод №4, входящий в комплекс по обезвреживанию и переработке твердых бытовых и биологических отходов в Руднево [4-7].

Первая в России ТЭС, работающая на бытовых отходах (спецзавод №2), введена в эксплуатацию в 1999-2000 г.г. В состав ТЭС входят три турбины ПТ-1213/6 (Калужского турбинного завода) и три технологические линии (Французская фирма CNIN) для термической переработки ТБО (рис. 1).

Рис. 1. Схема технологической линии по термической переработке ТБО спецзавода (СЗ) №2 ГУП "Экотехпром": 1 - камера дожигания; 2- пароперегреватель; 3 - подъемный газоход; 4 - конвективные поверхности нагрева; 5 - обратнопереталкивающая решетка; 6 - шлаковыгружатель; 7 - шлаковая ванна;

8 - рукавный фильтр

На ТЭС реализовано слоевое сжигание, которое является оптимальным по эффективности процесса термической переработки ТБО.

Для разогрева при пуске используется подсветка природным газом. Для снижения концентрации вредных веществ в дымовых газах в топку котла вводят карбамид и мокросухой абсорбент (смесь активированного угля с щелочным сорбентом), очищенные газы посредством дымососа направляются в дымовую трубу. Вырабатываемый пар с параметрами: р=1,6 МПа; ^ = 240 °С от всех трех линий поступает в общий паровой коллектор и далее в турбины. В 2004 году введен в эксплуатацию московский СЗ №4, в состав которого входят две турбины мощностью по 6 МВт (Калужский турбинный завод) и три технологические линии для сжигания ТБО (немецкая фирма "Хельтер") с использованием принципиально новой для России технологии сжигания.

В нижней части топочного устройства (ТУ) формируются парные вихревые зоны (вихревой кипящий слой). Кроме топочного устройства, в состав каждой технологической линии входят расположенные за ТУ последовательно по ходу газов: котел - утилизатор, циклон, распылительный абсорбер, узел подачи реагентов для улавливания диоксинов, фуранов и ртути, рукавный фильтр и дымосос (рис. 2). На входе в дымовую трубу установлен автоматический газоанализатор, регистрирующий концентрацию основных загрязнений в дымовых газах.

Рис. 2. Схема технологической линии по термической переработке ТБО СЗ №4: 1 - печь сжигания; 2 -котел-утилизатор; 3 - сдвоенный циклон; 4 - абсорбер; 5 - сухой реактор; 6 - рукавный фильтр; 7 - подвод ТБО и песка; 8- зола уноса; 9 - ввод известкового молока; 10 - смесь извести и активированного угля; 11 -очищенные дымовые газы; 12- удаление донной золы; 13- удаление золы из котла-утилизатора;

14 -удаление золы из циклона; 15 - выход из абсорбера; 16 - удаление продуктов газоочистки

Результаты пусконаладочных работ, режимоналадочных и контрольных испытаний показали, что термический к.п.д. котельных установок на заводах СЗ №2 и СЗ №4 составляет более 70 %, что соответствует современным показателям для котлов, сжигающих ТБО.

В настоящее время на свалках скопилось огромное количество бытовых отходов, которые можно использовать в качестве топлива для ТЭС. Учитывая специфические особенности состава и практическую невозможность механизированной сортировки бытового мусора, специалистами ООО "ТЭПэнерго" (г. Москва) разработана теория горения несортированных бытовых отходов.

При использовании в качестве топлива бытового мусора необходимо решить три важных вопроса:

1. Возможность надежной поставки необходимого количества мусора и иных отходов для нормальной и непрерывной работы ТЭС.

2. Обеспечение экологической безопасности при сжигании мусора.

3. Выработка достаточного объема пара.

Предлагаемая технологическая схема решает указанные задачи.

1. Часовой расход мусора определяет производительность мусоросжигательных котлов. Приемное отделение ТЭС рассчитано на трехсуточный запас отходов с учетом суммарной производительности работающих котлов.

Кроме поступления всего суточного сбора отходов, в приемное отделение будет доставляться мусор со свалок, так как одной из конечных целей сооружения мусоросжигательной ТЭС является ликвидация свалок в соответствии с директивой Европейского Союза № 75/442/ЕЕС, относящейся ко всем

европейским государствам.

2. На основе созданной теории горения отходов разработана экологически безопасная и безотходная технология, которая является, по-видимому, единственно возможной для утилизации многокомпонентных и высоковлажных

бытовых отходов. Следует отметить, что другие предлагаемые в настоящее время технологии термического обезвреживания бытового мусора требуют значительных затрат и характеризуются выделением значительного количества вредных и в какой - то мере даже отравляющих веществ. Данная технология предусматривает пятиступенчатое сжигание отходов и дожигание продуктов неполного их сжигания.

Первая ступень - сжигания отходов в слое на наклонноперетаскивающей колосниковой решетке. Стабилизация процесса горения достигается за счет сжигания определенного количества дополнительного топлива (газа, мазута).

Вторая ступень - дожигание продуктов неполного сгорания, содержащихся в дымовых газах. Процесс происходит в камере дожигания при температуре 850 -950 0С с пребыванием в ней газов в течении не менее 2 сек. и подачей в нижнюю часть камеры вторичного воздуха с температурой не менее 250 С.

Температурные условия автоматически поддерживаются за счет сжигания дополнительного топлива.

Общее количество дополнительного топлива, необходимого для стабилизации процесса горения, составляет до 4% сжигаемого на решетке мусора.

В этих двух ступенях образуются и нейтрализуются за счет разрыва молекулярных связей большая часть (98 - 99%) диоксинов и фуранов.

Так как до поступления в газоочистные устройства в дымовых газах содержатся хлор- и фторосодержащие элементы, а в последних газоходах мусоросжигательного котла температурный уровень низкий, то в дымовых газах на выходе из котла не только сохраняются остаточные первичные диоксины и фураны, но и появляются вновь образующиеся вторичные диоксины и фураны.

С таким содержанием вредных веществ, а также с образовавшимися НИ, HF, S02, N02, тяжелыми металлами, в том числе ртутью, пылью, летучей золой, дымовые газы поступают в газоочистительньте устройства, где с помощью мелкой извести, мочевины в процессе абсорбции на поверхности улавливаемой пыли и летучей золы они очищаются от вредных веществ, кроме диоксинов и фуранов, которые могут быть только нейтрализованы.

С целью полной нейтрализации первичных и вторичных диоксинов и фуранов, при отсутствии в составе дымовых газов, хлор- фторосодержащих компонентов, в технологической схеме предусмотрен второй котел-утилизатор, в котором имеются третья и четвертая ступени для повторного пережога отходов, поступающих от мусоросжигательного котла. Нейтрализация вредных веществ, абсорбированных на поверхности уловленной пыли летучей золы и содержащихся в составе шлака, осуществляется в пятой ступени, где с помощью термической переработки при температуре 1600-1800 0С выделяется металл в жидком виде.

Многоступенчатая схема сжигания бытового мусора и дожигания продуктов неполного его сжигания обеспечивает экологическую безопасность мусоросжигательной ТЭС.

3. Каждая тонна бытового мусора, сжигаемого в стабилизационном режиме, позволяет выработать 2,4 тонны перегретого пара при температуре 300-350 0С. Таким образом, для ТЭС 25 МВт должно сжигаться 80 т/ч бытового мусора, что возможно для города с населением около 3 млн. человек (рис. 3).

Рис. 3. Технологическая схема мусоросжигательной ТЭС: 1 - приемное отделение; 2 - гоейферный кран; 3- приемный бункер; 4 - расходный бункер котла; 5 - мусоросжигательный котел; 6 и 7 -первая и вторая ступень сжигания; 8- циклон; 9- роторный фильтр; 10 - дымосос; 11 - котел-утилизатор; 12 и 13 -третья и четвертая ступени сжигания; 14 - фильтр для улавливания ртути; 15 - дымовая труба; 16 - отделение для расплава шлака (пятая ступень); 17 - золопровод; 18 -отделение для расплава золы (пятая ступень); 19 - отделение изготовления слитков металла и строительных материалов; 20- химводоподготовка, 21 - деаэратор; 22 - паровая турбина с

генератором; 23 - паровой коллектор; 24 - насос добавочной воды; 25 - насос химочищенной воды; 26 - питательный насос; 27 - конденсатор; 28 - воздух от вентилятора; 29 - впрыск мочевины или раствора №Н3; 30 - горелочное устройство для сжигания дополнительного топлива; 31-паропровод; 32 - исходная вода; 33 - химочищенная вода; 34 - питательная вода; 35 - конденсат;

36 - вторичный воздух; 37 - первичный воздух; 38 - СаС03

Оборудование, приведенное в технологической схеме, за исключением наклонно-переталкивающих колосниковых решеток, - отечественное, изготовлено серийно, все узлы работают в течении многих лет на различных предприятиях. Удельные капитальные вложения на сооружение ТЭС мощностью 25 МВт оцениваются в 3000 долл/кВт.

Дополнительно вырабатываемая товарная продукция:

- легированный чугун 95 долл/т;

- облицовочная химически стойкая стеклоплитка 10 долл/м;

- сверхпрочный гравий 20 долл/т.

Общая сумма годового дохода оценивается в 27,3 млн. долл. при годовых эксплуатационных затратах 2,75 млн. долл. Прибыль может составить 24,55 млн. долл. Срок окупаемости примерно 3,5-4 года.

При размещении данной ТЭС на территории существующей ТЭЦ или поблизости от нее, капитальные затраты будут значительно ниже, так как будет использована существующая теплотехническая и электрическая часть ТЭЦ.

Изучение процесса метаногенеза больших свалок ТБО показывает, что, даже если свалка законсервирована слоем грунта, происходит эмиссия метана в атмосферу. По этой причине большие свалки ТБО достаточно длительное время (30-50 лет) не могут использоваться в качестве застраиваемой территории из-за опасности накопления метана в зданиях, отравления полей и даже взрыва. Такие факты имели место в мировой практике. Учитывая природу этого процесса, стали

разрабатывать технологию использования биогаза ТБО. Сначала это делалось при помощи бурения скважин и установки вакуумных насосов для сбора биогаза [9], т.е. использовалась технология, применяемая в угольной промышленности для дегазации угольных пластов перед их вскрытием. В дальнейшем обычные свалки стали превращаться в полигоны ТБО со специальным обустройством: антифильтрационные подложки и дренирующие каналы, колодцы для сбора биогаза, которые выполняются при закладке ТБО (3,4,5). В Европе и Америке имеется несколько сотен установок по добыче и использованию биогаза из ТБО. Добыто сотни миллиардов кубометров газа, которые используются в агрегатах по производству электрической и тепловой энергии.

Самая крупная из электростанций, работающих на биогазе ТБО, находится в Лос-Анджелесе. Эта станция с котлом, паропроизводительностью 200т/ч, и турбиной, мощностью 50 МВт, эксплуатируется с 1986 года. Большое количество установок по добыче биогаза из свалок имеется в Китае.

Исходя из выше изложенного, Среднеазиатским институтом ВНИПИэнергопром был выполнен раздел схемы теплоснабжения города Ташкента по вовлечению биогаза из городской свалки для целей теплоснабжения. Технологическая схема комплекса (рис.4) предусматривает сепарацию ТБО с извлечением ценных компонентов (черных, цветных металлов и др.) при размещении на территории полигона 100 скважин. Для сбора биогаза установлены вакуум-насосы кольцевого типа. После отделения воды газ поступает в газодувки и по напорному газопроводу подается в котельную на сжигание. Расстояние от полигона до города 30 км, длина газопровода 35 км.

Рис. 4. Технологическая схема комплекса

Технико - экономические показатели системы: годовой выход ТБО (на 2005 год) 5 млн.м3; биогаза -20 млн. м3, тепловой эквивалент 70 - 80 Гкал/год, годовая экономия условного топлива за счет использования биогаза 10-11 тыс. т/год.

Summary

In a problem of search of alternative sources of thermal and electric energy, and renewed, not enough attention is unreasonable is given a question of use of waste of industrial production, food and household waste of ability to live of the person, waste of an agricultural production, including waste of a biomass of cattle-breeding complexes as possible additional and, that is especially important, a renewed resource in manufacture of thermal and electric energy.

Authors spend the detailed analysis of this multidimensional problem and assess opportunities of its practical realization on immediate prospects.

Литература

1. Безопасность жизнедеятельности: Учебник/под ред. проф. Э.А.

Арутюнова. - 7 изд. перераб. и доп. - М.: Торговая корпорация «Датков и К0», 2004. - 496 с.

2. Алымов В.Т., Крапчатов В.П., Тарасова Н.П. Анализ техногенного риска. - М.: Круглый стол, 2000. - 160 с.

3. Николайкин Н.И., Николайкина Н.Е., Мелехова О.П. Экология: Учебник для вузов. - 2-ое изд., перераб. и дополн. - М.: Дрофа, 2003. - 624 с.

4. Лифшиц А.В. Современная практика управления твердыми бытовыми отходами. Чистый город. - 1999. - №1 (5). - С. 2-14.

5. Петросян Л.А., Захаров В.В. Математические модели в экологии. - СПб.: Изд. Санкт-Петербургского ун-та, 1997. - 256 с.

6. Хакен Г. Синергетика. Иерархия неустойчивости в самоорганизующихся системах и устройствах / Пер. с англ. - М.: Мир, 1985. - 419 с.

7. Касимов Н.С., Перельман А.И., Евсеев А.В. и др. Экогеохимия городских ландшафтов. - М.: МГУ, 1995.

8. Экология, экономика, политика / К.Я. Кондратьев, В.К. Донченко, К.С. Лосев, А.К. Фролов - СПб.: Изд. Научного центра РАН, 1996. - 827 с.

9. Марсавина Н.Д. Утилизация метана, образующегося на свалках мусора: Экспресс-информация. - Алма-Ата: КазНИИНТИ, 1985 г.

Поступила 05.06.2008