Биоэнергетика. Утилизация отходов
Жизнедеятельности
Под биоэнергетикой в современных условиях понимают использование энергии биомассы (древесного топлива, отходов сельскохозяйственного производства и т.п.) для получения электроэнергии и тепла.
В области использования энергии биомассы для решения проблемы экономии энергии в жилищно-коммунальном хозяйстве необходимо прежде всего создание, освоение производства и широкое использование биоэнергетических ресурсов для утилизации твердых и жидких отходов сельского хозяйства, лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности, коммунального хозяйства городов.
При этом одновременно решаются вопросы:
уменьшения загрязнения окружающей среды (благодаря сокращению и ликвидации свалок в городах и на животноводческих фермах);
улучшения условий труда на очистных сооружениях;
использования биогаза и твердых органических отходов в качестве топлива;
получения (одновременно с биогазом) высокоэффективных минеральных удобрений.
Наиболее перспективными направлениями в биоэнергетике являются следующие:
1. Развитие сети мусоросжигательных установок (СМУ) для сжигания твердых бытовых отходов (БТО) с рекуперацией тепловой энергии вместо захоронения на полигонах.
Наиболее рациональным способом переработки ТБО является их сжигание. В мировой практике способ сжигания ТБО получил широкое распространение. Так, в ФРГ в настоящее время сжигается более 35% всех отходов, а к 2000 году планируется довести этот процент до 60-70. В США и Западной Европе действуют крупные мусоросжигательные заводы, ТЭЦ и электростанции, использующие в качестве топлива мусор. В то же время в Москве перерабатывается на предприятиях лишь 3%, остальное вывозится на свалки.
Сжигание мусора имеет существенные преимущества перед другими способами переработки. Теплотворная способность ТБО в среднем составляет 2000-2500 ккал/кг (8000-10000 кДж/кг), т.е. 4-5 т мусора эквивалентны 1 т нефти. Поэтому утилизация тепла при эксплуатации мусоросжигательных установок обеспечит значительную экономию топливно-энергетических ресурсов. Продукты сгорания мусора - шлак и зола - составляют лишь около 15% от первоначального объема мусора, значительно меньше загрязняют окружающую среду и могут быть использованы для различных целей. Серьезной проблемой при эксплуатации МСУ является загрязнение воздушного бассейна продуктами сгорания мусора, из-за чего в ряде стран запрещена эксплуатация мусоросжигательных печей без очистных устройств. Однако современные методы очистки дымовых газов (электрофильтры, скруббера Вентури, мокрые пылеуловители и т.д.) способны решить эту проблему.
По производительности все мусоросжигательные установки могут быть разделены на:
крупные - более 500 т/сутки;
средние - 100-500 т/сутки;
малые - до 100 т/сутки.
По технологии сжигания мусора МСУ могут быть:
непрерывного действия, т.е. подача мусора и удаление шлака и золы осуществляются в ходе работы;
периодического действия, когда цикл работы включает загрузку мусора, сжигание, уборку шлака и т.д.
По использованию тепловой энергии различают:
установки с рекуперацией тепла, т.е. использование тепловой энергии для получения электроэнергии, пара, горячей воды;
установки без рекуперации тепла.
Рекуперация тепла существенно снижает эксплуатационные расходы, но увеличивает капитальные затраты на строительство установки на 10-30%. Считается, что рекуперация тепла на мусоросжигательных установках обязательна при производительности установки свыше 50 тыс. т в год. Мелкие МСУ нередко выполняются без рекуперации тепла. При решении вопроса об использовании тепла МСУ необходимо иметь в виду, что максимальное поступление ТБО на установку приходится на летний период, когда потребности в тепле минимальны.
2. Использование для теплоснабжения и выработки электроэнерги биогаза (метана) коммунальных очистных сооружений.
Анаэробное метановое сбраживание детально отработано для систем очистки городских сточных вод, где оно применяется для обработки осадка сточных вод. При анаэробной ферментации осадков в метантенках очистных сооружений 1 м3 осадка выделяет 10-12 м3 биогаза.
Строительство метантенков в составе очистных сооружений производится на основе типовых проектов с железобетонными или стальными резервуарами - реакторами. Существенным недостатком типовых проектов метантенков является то, что в них, как правило, не предусматривается использование биогаза, кроме как на поддержание температурного режима самих метантенков.
В конце 80-х годов на очистных сооружениях канализации в СССР работало свыше 700 метантенков, которые вырабатывали 310 млн. м3 биогаза в год, или около 220 тыс. т у.т. Однако биогаз использовался лишь на 20-30 митантенках и в большинстве случаев либо выбрасывался в атмосферу, либо сжигался в факелах.
Анализ энергопотребления очистных сооружений канализации с метантенками показывает, что на 1000 м3 очищаемой воды расходуется около 52 кг условного топлива, и при этом бесцельно сжигается или выбрасывается в атмосферу около 53 кг условного топлива в виде метановой смеси. Таким образом, использование метана во многих случаях позволяет полностью удовлетворить потребности очистных сооружений в тепле и энергии.
Типовые биогазовые установки (БГУ), используемые в городских очистных сооружениях, включают: метантенки на основе железобетонных или стальных резервуаров, насосные станции, газгольдеры, газосборные пункты, газопроводы и т.п. Экономические показатели типовых БГУ с железобетонными и стальными резервуарами приведены в табл. 3.52.
Таблица 3.52
| Выход товарного биогаза (50%) | ||||
| Метантенки | Объем реактора, м3 | Производительность по газу, м3/сут | м3/сут. | т у.т. в год |
| С железобетонными резервуарами | (1000х4) (1600х4) (2500х4) (4000х4) | |||
| Со стальными резервуарами | (1100х4) (2500х4) (5000х4) (9000х4) | |||
| Примечание: 1 - Метантенки железобетонные, типовой проект 903-2. 2 - Метантенки металлические, типовой проект 902-5-15-18.86. |
Существенным недостатком действующих типовых проектов БГУ коммунального типа с метантенками является то, что они разработаны лишь для крупных очистных станций производительностью свыше 15000 м3/сут. В то же время опыт развитых стран свидетельствует, что БГУ могут эффективно использоваться и на небольших очистных станциях, обслуживающих около 1000 жителей.
Биогаз метантенков может быть использован для обеспечения собственных нужд очистных сооружений в тепловой энергии (при сжигании его в котельных), для выработки электроэнергии в газовых дизель-генераторах, для получения баллонного газа для коммунальных и бытовых потребителей при создании станций баллонного газоснабжения.
Расчеты показывают, что для типовых проектов метантенков (табл. 3.52) суточная производительность станции в 50-литровых баллонах будет составлять:
при объеме метантенков 4400 м3 - 230 баллонов,
-”- -”- -”- 10000 м3 - 525 баллонов,
-”- -”- -”- 20000 м3 - 1050 баллонов,
-”- -”- -”- 36000 м3 - 1900 баллонов.
Газовые баллоны могут быть использованы в качестве топлива для бытовых целей или для специализированного коммунального транспорта и строительно-дорожных машин.
3. Оборудование организованных свалок (полигонов) для хранения ТБО системами сбора и утилизации газа для выработки тепловой и электрической энергии.
Проблема утилизации ТБО в стране является исключительно актуальной. В городах и поселках городского типа на территории бывшего Союза ежегодно образуется 50 млн. т ТБЛ. Около 96% этих отходов вывозится на свалки и полигоны, занимающие в стране свыше 20 тыс. га земли. Чтобы очистить города от такого количества мусора ежегодно тратилось свыше 350 млн. руб. (в ценах 1990 года).
При решении проблемы утилизации ТБО следует иметь в виду, что свалки и полигоны ТБО представляют собой гигантские биореакторы, загруженные энергетическим сырьем. По расчетам специалистов, при обезвреживании ТБО на свалках и полигонах 1 т отходов образуется от 200 до 500 м3 биогаза. Количество биогаза тем больше, чем большую часть отходов составляют органические фракции (пищевые отходы, бумага, древесина и т.п.). Теплота сгорания биогаза со свалок 14655-20900 кДж/м3, усредненный состав биогаза: метан - 50-65%, углекислый газ - 30-45%, сероводород - 1-2%, азот, водород - 1-2%, а также небольшое количество кислорода и различных соединений. Крупная свалка ТБО может служить источником биогаза 10-20 лет.
В США проведен эксперимент по обеспечению стабильного получения на городской свалке и подаче в общую газовую сеть 60 тыс. м3/сут. биогаза. На этой свалке сбор биогаза производится через 18 скважин, и в дальнейшем он подвергается сушке и чистке в абсорберах.
Особенно большое значение для нас имеет опыт ФРГ, где почти 350 свалок оснащены установками по сбору и утилизации биогаза. Полученный на свалках биогаз используется как топливо в различных отопительных системах, ТЭЦ и двигателях внутреннего сгорания.
По опыту ФРГ, оборудование для сбора биогаза на организованных свалках включает систему горизонтальных труб дренажа газа и систему вертикальных труб удаления газа. Полученный газ для дальнейшего применения должен быть очищен и высушен.
В качестве примера использования данной технологии можно привести оборудование свалки г. Кельн (ФРГ). Капитальные вложения для создания системы на 3500 м3/ч биогаза (или 17500 кВт энергии) составляют 8,7 млн. марок ФРГ. Для получения 17500 кВт энергии в течение года требуется затратить 15 млн. л жидкого топлива, стоимость которого 11 млн. марок ФРГ. Таким образом капитальные затраты окупаются менее чем за год эксплуатации.
Для образующегося на организованной свалке газа в объеме 3500 м3/ч предусмотрено использование стандартных блоков для ТЭЦ, в которые входят 5 газовых 18-цилиндровых двигателей и 5 генераторов 400 В / 50 Гц.
Другим примером свалки с системой сбора и сжигания биогаза может служить центр захоронения технологических отходов вблизи г. Лион (Франция). На этой свалке объемом 60 тыс. м3 бытового мусора и технологических отходов на площади 4 га организован сбор образующегося в толще отходов биогаза с помощью зондов из перфорированных труб, вставленных в скважины. Глубина скважин 12 м. Зонды соединяются коллектором, подающим газ к горелкам. Производительность системы сбора и сжигания биогаза - 1300 м3/ч. Стоимость системы - 3 млн. франков. Недостатком системы является отсутствие системы утилизации тепла от сжигания биогаза.
Таким образом, оборудование организованных свалок и полигонов ТБО системами сбора и утилизации биогаза не только предотвращает загрязнение воздушного бассейна газами от разложения ТБО, но и позволяет получить значительное количество электрической и тепловой энергии при утилизации биогаза. При этом наряду со сжиганием биогаза в котельных установках и газовых двигателях возможна подача очищенного биогаза в общие газовые сети или развертывание газонаполнительных пунктов баллонного газоснабжения для снабжения потребителей бытовым топливом в баллонах.
В настоящее время отработка технологии сбора и утилизации биогаза с организованных свалок и полигонов ТБО является актуальной проблемой, решение которой может дать большой экономический и экологический эффект.
4. Применение газогенераторных установок на основе местных видов топлива, древесных и сельскохозяйственных отходов для производства тепловой и электрической энергии.
Существенным недостатком дизель-электрических станций как автономных источников энергосбережения является высокая стоимость электроэнергии, обусловленная в первую очередь значительными затратами на доставку высококачественного жидкого топлива. Снижение затрат по этой статье возможно либо за счет использования местных топливных ресурсов (там, где они имеются), либо путем внедрения установок, не требующих для своей работы органического топлива.
Наиболее перспективным направлением использования местных топливных ресурсов представляется получение на их основе искусственного газообразного топлива, получаемого в простых технических устройствах (газогенераторах) в результате переработки местного топлива и различных древесных и других горючих отходов (кора, опилки, стружка, навоз и т.п.).
Преимуществами газообразного топлива являются: возможность его передачи на большие расстояния (по трубопроводам) с меньшими затратами и без потерь; более высокая тепловая эффективность, чем у твердого топлива, а также возможность его использования как для энергетических, так и для технологических и бытовых целей.
Оценивая перспективы применения для энергообеспечения малых населенных пунктов энергоустановок с использованием генераторного газа, получаемого в результате пиролиза биомассы, можно констатировать, что в России в принципе создан достаточный научно-технический задел, на базе которого возможна организация серийного производства таких установок. При этом можно выделить три основных направления в создании газогенераторных энергоустановок:
1) энергоустановки малой мощности (4-25 кВт) - для обеспечения отдельных фермерских хозяйств, лесничеств, станций, малых поселков;
2) энергоустановки средней мощности (50-1000 кВт) - для обеспечения вахтовых поселков, воинских частей, малых населенных пунктов численностью до 500 чел.;
3) энергоустановки повышенной мощности (1±30 МВт) - для обеспечения малых городков с населением до 10 тыс.чел.
Газогенераторная установка на дровах для выработки низкокалорийного газа производительностью 12 м3/ч разработана обществом с ограниченной ответственностью (ООО) “Экозащита” совместно с фирмой “ПАЛ”.
Газогенераторная установки предназначена для производства низкокалорийного газа, используемого для работы двигателя внутреннего сгорания, в том числе для привода электрических генераторов мощностью до 16 кВт. Стоимость установки - 800 дол. США. Той же фирмой выпускается передвижная электростанция в блочно-комплектном исполнении мощностью 4 кВт, работающая на древесных отходах или биогазе, стоимостью 500 дол. США.
В Южно-Африканской республике фирмой “Рино Энеджи” для широкой продажи предлагается теплоэлектрогенерирующая установки на основе пиролиза биомассы. Разработка газогенератора и подготовка к производству проводились совместно с Великобританией.
Серийная установка имеет два газогенератора диаметром около 800 мм и высотой 1500 мм. При загрузке генератора топливом (дрова, солома, подсушенный навоз) включается вентилятор поддува и запальным устройством зажигается нижний слой топлива. Через 10-15 минут генератор начинает выдавать пиролизный газ с теплотой сгорания 5500 кДж/м3.
Базовая модель установки включает мотор-генератор мощностью 25 кВт с утилизацией тепла выхлопных газов и охлаждения двигателя для приготовления горячей воды. Разовая загрузка реактора обеспечивает работу установки в течение 4-6 часов, дозагрузка возможна в процессе работы.
Установка смонтирована на колесном прицепе, имеет пульт управления и полностью готова к выдаче мощности после доставки ее к месту назначения и загрузки топливом. Транспортабельный вариант весит около 3,5 т. Получаемый газ может использоваться не только на собственной установке, но также для подачи в качестве топлива другим потребителям, в том числе для двигателей внутреннего сгорания как с искровым зажиганием, так и дизельным.
Установка оценивается как эффективная: 3,5 кг древесины позволяют экономить 1 л дизельного топлива или 2,5 кг древесины - 1 л бензина.
Опытно-промышленная установка для получения искусственного генераторного газа из древесных и полифракционных отходов повышенной влажности тепловой мощностью 1 МВт (по сжиганию газа) разработана в Лесотехнической академии (г. Санкт-Петербург).
Основными элементами газогенератора мощностью 1 МВт являются: бункер топлива, фурмы для подапчи воздуха, воздухоподогреватель, тракты - воздушный, генераторного газа, дренажа водяных паров.
Расчетная производительность установки по древесному топливу с относительной влажностью 30% составляет 550 кг/ч, а по генераторному газу - 1000 м3/ч.
Финская фирма “Парусюхюма” выпускает газогенераторы “Бионер” мощностью 1-15 МВт. Газогенератор имеет простую цилиндрическую вертикальную теплоизолированную камеру, в нижней части которой имеется вращающаяся коническая воздухораспределительная решетка. Подаваемый вентилятором воздух предварительно подогревается в водяном калорифере до 50-600С.
Первая газогенераторная теплоцентраль “Бионер” мощностью 5,2 МВт была построена в Финляндии в 1981 году. Газ, получаемый в газогенераторе, используется в качестве топлива в водогрейном котле. Теплоцентраль полностью автоматизирована. При применении предварительно подсушенного топлива имеется возможность повышать мощность на 40%. В дымовых газах после котла нет серы, а содержание золовых частиц составляет 250 кг/м3, т.е. ниже нормативных значений. Теплоцентраль с газогенератором “Бионер” имеет КПД 85% и высокие технико-экономические показатели, обеспечивая экономию 3 тыс. т жидкого топлива в год.