Твердые бытовые отходы – источник тепловой и электрической энергии

Практический опыт поставок тепловой и электрической энергии за счет утилизации твердых бытовых отходов на VII конференции в г.Минске – «Научно-технические проблемы использования альтернативных видов топлива в строительном комплексе Республики Беларусь», был представлен в докладе руководителя НПO EKOPRON (г. Днепропетровск, Украина) В.Я.Меллера

ТБО – неиссякаемый источник энергии

Согласно исследованиям Европейского агентства по охране окружающей среды уменьшение количества отходов является одной из наиболее важных задач для стран ЕС, ежегодно производящих их около 1,3 млрд т, в которых доля коммунальных отходов равна 14 %, а на среднестатистического жителя Европы приходится около 400 кг ТБО в год.

Наиболее широкое распространение в мировой практике из высоко технологических методов получило мусоросжигание. Существует много причин выбора этого метода. Основная из них - соответствие санитарно-гигиеническим требованиям, поэтому мусоросжигательные предприятия могут располагаться вблизи жилой застройки, что значительно сокращает расходы на вывоз мусора из домовладений. Современные предприятия по термической переработке ТБО высоко механизированы и автоматизированы, обслуживающий персонал не имеет контакта с отходами.

Теперь после эмоциональных волнений недавних лет, полемик, вызванных более фанатизмом, чем научностью, и после заключений, полученных на основании многочисленных исследований на международном уровне, спор переместился на вопрос о качестве процессов с точки зрения безопасности и энергетической эффективности.

Сегодня, когда запасы ископаемых видов топлива повсеместно истощаются, а их расход на промышленные и бытовые нужды постоянно растет, использование возобновляемых топливных ресурсов становится все более актуальным.

Мусоросжигание представляет собой метод переработки бытовых отходов путем сжигания их в топках специальных котлов.

Следует подчеркнуть, что ТБО - это топливо, которое не будет исчерпано до тех пор, пока существует человечество. Общепризнано, что ТБО по своим характеристикам вписывается в обобщенную диаграмму естественных видов твердого топлива.

При среднем количестве бытового мусора, выбрасываемого каждым жителем Украины, равном в среднем 0,3 т/год, ежегодное поступление бытовых отходов составляет более 13 млн т.

Если принять среднюю теплоту сгорания ТБО в Украине равной 1500 ккал/кг, то общее количество тепла, которое можно получить при их сжигании, составит около 20 млн Гкал/год.

Если же часть тепла в виде пара направить в паровые турбины, то дополнительно можно получить электроэнергию. Сошлемся на опыт развитых стран. Так, например, завод в юго-восточной части Лондона при сжигании 450 тыс. т отходов в год вырабатывает 32 МВт энергии, которая поступает в национальную энергосистему.

Мировая практика мусоросжигания и ее плюсы

Отходы как топливо используют во всем мире. Например, Швейцария (80 %), Дания (80 %), Япония (90 %), Франция (65 %), Германия (60 %) и т. д.

Сжигание этого топлива в городах и более мелких населенных пунктах не требует сооружения шахт, бурения скважин и строительства транспортных магистралей. Топливо равномерно распределено пропорционально плотности населения и готово к применению.

Сжигание бытовых отходов означает заметное сокращение и улучшение санитарного состояния свалок, являющихся источниками загрязнения окружающей среды в населенных местностях, поскольку при сжигании ТБО подвергается огневому обезвреживанию.

Существенными причинами для положительного развития метода сжигания твердых бытовых отходов является:

1) возможность уничтожения всего собираемого бытового мусора без предварительной сортировки;

2) термический процесс преобразования отходов проходит по сравнению со свалками или компостированием в существенно более короткий срок. Способные к гниению органические компоненты преобразуются путем окисления воздухом в течение одного часа в естественные конечные продукты - углекислый газ и воду;

3) значительное уменьшение объема остаточных продуктов в сравнении с мусором (около 10 % исходного объема);

4) стерильность и инертность остаточных веществ, которые могут складироваться или применяться в строительстве дорог, производстве строительных материалов;

5) возможность извлечения из отходов металлов, прошедших огневое обезвреживание, с целью их дальнейшего использования как вторичного сырья;

6) газообразные выбросы, с экологической точки зрения, в отличие от всех других систем могут контролироваться и регулироваться;

7) комбинация сжигания мусора с целесообразным получением и использованием энергии позволяет оптимально утилизировать скрытый в твердых бытовых отходах энергетический потенциал. Обеспечивает решение экономических проблем по использованию топливно-энергетических ресурсов;

8) установки по сжиганию мусора могут располагаться недалеко от места возникновения отходов и потребности в электроэнергии.

Указанные преимущества привели к значительному распространению мусоросжигания в мировой практике. В 1965 году в ФРГ эксплуатировалось семь мусоросжигательных установок, в 1983 году - 43 установки, в 1985 году - 48, к концу 2001 года в Германии работал 61 завод по сжиганию бытовых отходов общей производительностью 14 млнт/год.

В настоящее время построены или находятся в стадии строительства еще 12 новых заводов. В 2005 году производительность заводов увеличилась до 18 млн т в год. Все отходы перерабатываются с извлечением энергии - тепловой и (или) электрической. Мусоросжигательные заводы Германии используют 72 % всей вырабатываемой энергии для генерации тепла (13 609 ГВт-час) и около 28 % - для получения электроэнергии (5257 ГВт-час) Получаемая от сжигания отходов электроэнергия составляет примерно 0,6 % всей электроэнергии, вырабатываемой в Германии. И это при сильной парламентской партии «зеленых». Это отмечается для того, чтобы понять экологическую целесообразность использования этого метода.

В США в 1988 году работало около двухсот установок по сжиганию мусора. Здесь разработана государственная программа по защите окружающей среды. Одна из позиций этой программы - ликвидация свалок бытовых отходов. В настоящее время в США работает около 300 мусоросжигательных заводов. За каждую тонну сжигаемых отходов в США заводу платят в зависимости от региона 60-85 долларов. В Англии, экономящей за счет мусоросжигания до 8 млн т угля в год, успешно эксплуатируется электростанция на 40 МВт, работающая на ТБО в Лондоне. Швеция до 25 % коммунальной потребности в теплоэнергетике погашает за счет твердых бытовых отходов. В некоторых регионах Швеции эта цифра достигает 75 %. В Японии сжигается 90 % отходов и работает около 2000 заводов, в Швейцарии - 70 %, ФРГ - 55 %, США - 25 %.

Кроме того, в настоящее время термическое обезвреживание твердых бытовых отходов в ряде индустриально развитых стран Европы – практически безальтернативный способ их утилизации, так как федеральные законы запрещают вывоз на полигоны тех отходов, в которых содержание органических веществ, превышают 5 %.

Существенными причинами для положительного развития метода сжигания твердых бытовых отходов является возможность уничтожения всех городских ТБО, поступающих на завод без предварительной сортировки, что не требует ручного труда. Извлекаемый металлолом после огневого обезвреживания стерилен и пригоден для использования в качестве вторичного сырья. Газообразные выбросы, с экологической точки зрения, в отличие от всех других систем могут контролироваться и регулироваться.

В мире считают, что мусоросжигание решает проблему трех «Э»: экология, энергетика, экономика.

Энергетические и экономические аспекты проблемы

Сжигание мусора исключительно эффективно в экономическом плане. Прием отходов в переработку оплачивается. Извлекаемый металлолом продается. При этом нельзя забывать, что твердые углеродистые промыш-ленно-бытовые отходы, составляющие около половины всех твердых отходов в Украине, это еще и вторичное сырье, запасы которого очень велики и обладают большим энергохимическим потенциалом, и его важно использовать как можно полнее и с экономической выгодой. В связи с этим возможна продажа электроэнергии и тепла.

С тех пор, когда цена за нефть на моровом рынке перевалила за 40 долларов за баррель, все другие методы переработки, по мнению ведущих специалистов, с экономической точки зрения потеряли свою актуальность.

Было подсчитано, что при сжигании одной тонны отходов можно получить 1300-1700 кВт/ч тепловой энергии или 300-550 кВт/ч электроэнергии.

В качестве доказательства вышесказанному приведем расчет возможного эффекта в виде количества сэкономленного органического топлива от сжигания ТБО.

Учитывая, что количество отходов производства и потребления, приходящееся в год, к примеру, на одного жителя г Киева, составляет примерно 300 кг/чел., ниже приведем несколько вариантов расчета:

с низшей теплотой сгорания ТБО QPH = 6,45 МДж/кг и Qp ТБО = 8,38 МДж/кг, в зависимости от способа утилизации отходов.

ТЭС на ТБО

Известно, что самым доступным и одним из наиболее экономически целесообразных возобновляемых источников энергии являются ТБО, сжигаемые на тепловых электростанциях ТЭС (ТЭС на ТБО). ТБО - это топливо, которое, как уже говорилось выше, по теплоте сгорания сопоставимо с торфом и некоторыми марками бурых углей, образуется в местах, где электроэнергия наиболее востребована, то есть в крупных городах, и имеет гарантированное предсказуемое возобновление, пока существует человечество. Работа ТЭС на ТБО не зависит от природных условий (в отличие, например, от солнечных или ветровых установок), географического расположения (по сравнению с геотермальными и приливными электростанциями), и в результате ее эксплуатации, помимо выработки энергии, решается важная социальная задача - утилизируются образующиеся в процессе жизнедеятельности человека бытовые отходы.

В России и Украине до недавнего времени предприятия для сжигания отходов находились вне сферы интересов энергетиков. Переработкой ТБО занимались коммунальные службы, которые в первую очередь решали проблему санитарной очистки городов от образующихся отходов. Выделяющуюся в процессе сжигания энергию использовали для покрытия собственных теплофикационных нужд и в лучшем случае отпускали излишки внешним потребителям, расположенным поблизости с мусоросжигательными заводами.

В отличие от России и Украины за рубежом в настоящее время значительная часть предприятий для сжигания отходов принадлежит ведущим энергетическим компаниям, и интерес энергетиков к этому источнику энергии продолжает возрастать.

ТБО уже давно и практически во всех промышленно развитых странах рассматриваются как один из перспективных возобновляемых источников получения электроэнергии. В результате утилизации ТБО только в Европе уже сейчас ежегодно вырабатывается более 28 млрд кВт/ч электроэнергии и примерно 70 млрд кВт/ч тепловой энергии. Это позволяет экономить 7...38 млн т органического топлива и, кроме того, предотвращать до 37 млн т в год выбросы парниковых газов (в пересчете на С02), которые могли бы выделиться в виде метана при полигонном захоронении отходов. Повсеместно ведется строительство новых ТЭС на ТБО, причем, как правило, со значительной долей капитальных вложений со стороны энергетических компаний.

Основной задачей термической переработки твердых бытовых отходов до начала шестидесятых годов прошлого столетия было решение проблемы уничтожения мусора. Особенно такие схемы путем сжигания практиковались в США. Не говоря уже о неэкономичности метода, возникал ряд проблем с охлаждением дымовых газов и их очисткой. В связи с этим критика метода, весьма обоснованная во многих случаях, сравнивала показатели мусоросжигания с полигонным захоронением, компостированием и т. д.

Следующим шагом в развитии концепции мусоросжигания стала утилизация тепла, полученного в результате сжигания ТБО в паровых котлах. При этом основным показателем оставалось уничтожения отходов.

Переход концепции с уничтожения ТБО как основы мусоросжигания на энергетическое использование тепловой энергии, содержащейся в отходах, в корне изменило подходы в рассмотрении целесообразности метода и в его экологической оценке. Сравнивать мусоросжигание теперь стало необходимым не только с другими методами переработки отходов, но и с точки зрения энергетической: сравнительными ценами на топливо, целесообразности сохранения мировой сырьевой базы угля, нефти, природного газа, для использования их в перерабатывающих отраслях промышленности, экологической безопасности выработки тепла и электроэнергии при использовании различных видов минерального топлива и ТБО.

За рубежом практически на всех современных предприятиях выделяемая в процессе термической переработки ТБО энергия обязательно преобразуется в тепловую для отпуска потребителю или для дальнейшей выработки электроэнергии.

На современных предприятиях с экономической и экологической точек зрениях энергетическая эффективность процесса составляет 60-65 %.

Если предприятие, удовлетворяющее этому требованию, специализируется на отпуске электроэнергии внешнему потребителю (или на комбинированном отпуске тепловой и электрической энергии), его можно считать ТЭС на ТБО. Вырабатывать электроэнергию за счет термической утилизации ТБО становится экономически целесообразным, если доходы от продажи электроэнергии покрывают расходы, связанные с дополнительными капитальными и эксплуатационными затратами на приобретение, установку и обслуживание основного и вспомогательного электрогенерирующего оборудования.

Для каждой конкретной страны с учетом сложившихся в ней тарифов на покупку электроэнергии, а также законодательства и налогообложения, производство электроэнергии на предприятиях, сжигающих ТБО, становится прибыльным, если годовой отпуск электрической энергии превышает некоторое пороговое значение. В России, например, как показывают выполненные в докторской диссертации Тугова А.Н. (Всероссийский теплотехнический научно-исследовательский институт) оценочные расчеты, сейчас этот предел находится на уровне 100 тыс. МВт-ч в год (установленная электрическая мощность должна быть не менее 15 МВт).

Энергетический потенциал ТБО и электрическая энергия

Количество поступающих на термическое уничтожение ТБО зависит от ряда факторов, к которым в первую очередь относятся численность населения, удельный объем накопления ТБО в конкретном регионе, а также политика региональных властей в области обращения с отходами с учетом наметившихся мировых тенденций в сфере управления ТБО, таких, например, как раздельный сбор и сортировка.

Важным этапом создания ТЭС на ТБО является разработка и обоснование принципиальных технических и технологических решений, позволяющих максимально эффективно преобразовать энергетический потенциал ТБО в электрическую энергию с наименьшим воздействием на окружающую среду и с оптимальными показателями по надежности и экономичности.

Первоочередная задача в этом направлении – выбор метода и технологии термической переработки ТБО, которые наиболее технически приемлемы и экономически обоснованы для ТЭС на ТБО.

К технологиям термической переработки ТБО, прошедшим промышленную апробацию, относятся: сжигание на механических колосниковых решетках в слоевых топках (в настоящее время во всем мире эксплуатируется около 3 тыс. установок), сжигание в кипящем слое (около 200 установок), сжигание в барабанных печах (примерно 20 установок), комбинированные методы с использованием процессов пиролиза и газификации, в том числе с плазматронами. Некоторые технологии находятся на стадии освоения (лабораторных, стендовых и полупромышленных исследований).

Решающими факторами, определяющими электрическую мощность ТЭС на ТБО, являются прогнозируемый расход поступающих на переработку отходов и их свойства. (Электрическая мощность обычных ТЭС, на которых сжигают органическое топливо, как правило, выбирается исходя из потребности региона в электроэнергии.)

Теплотворная способность бытовых отходов сравнима, а в некоторых развитых странах выше таких топлив, как бурый уголь, торф. Она всего в 2-2,5 раза ниже, чем у природного газа. В условиях дефицита топливных ресурсов и высоких цен на природный газ и нефтепродукты не использовать дармовое, многотоннажное, непрерывно возобновляемое топливо по меньшей мере неразумно. Не нужно в таком количестве копать шахты и использовать опасный труд шахтеров, бурить дополнительные скважины, сокращается нагрузка многокилометровых железных дорог в связи с уменьшением объема перевозок минеральных топлив - угля, мазута и т. д. Сокращается потребность в новых трубопроводах большого диаметра для транспортировки природного газа, нефти и нефтепродуктов. Нет опасности в том, что запасы топлива быстро исчерпаются. Пока живо человечество, мусора будет в достатке.

Дата публикации: 05.11.2013
12211

Популярное в новостях

Популярное в аналитике