Одним из основных направлений переработки и обезвреживания отходов производства и потребления является использование их для получения тепловой и электрической энергии. Выработка энергии из отходов может быть достигнута с использованием широкого спектра сырья и технологий генерации. Представленные на российском рынке установки по переработке широкого спектра отходов (ТКО, сельскохозяйственных, резиносодержащих, пластика и др.), которые отвечают требованиям технического задания, можно разделить на 4 основные группы:
– низкотемпературные пиролизные установки (T = 300 – 500 °C);
– высокотемпературные пиролизные установки (Т = 500 – 1200 °С);
– установки высокотемпературного сжигания – инсинераторы (Т = 1000 – 1300 °С).
– плазменные установки (Т = 2 000 – 5 000 °С);
Низкотемпературные пиролизные установки характеризуются низким потреблением электрической энергии, стабильным уровнем температур, отсутствием возможности процесса горения, высоким уровнем термохимической конверсии, а также высокой стоимостью и сложностью в эксплуатации, при этом допускается возможность изготовления в мобильном исполнении. Генерируемый продукт: пиролизный газ, представляющий собой смесь горючих компонентов. Теплота сгорания не превышает 10 МДж/м3.
Высокотемпературные пиролизные установки отличаются более высокой температурой в камере реактора и присутствием окислителя, и, по сути, реализуют процесс газификации. Генерируемые продукты: пиролизный газ с теплотой сгорания не более 15 МДж/м3, шлак, металлы, углерод. Плазменная или плазмохимическая технология переработки ТКО является высокотемпературной разновидностью технологии пиролиза (газификации). Генерируемый газ: СО и Н2 (практически чистый горючий синтез-газ). Теплота сгорания не превышает 30 МДж/м3.
Для утилизации отходов нужны различные установки. В России около 900 малых и средних городов, с численностью населения менее 100 тыс. человек, а также примерно 150 тыс. сельских поселений, в которых проживает около 38 млн. человек. Все они являются источниками образования отходов. Способы их утилизации и переработки на местах различны. Поэтому, наряду с крупными перерабатывающими комплексами требуются малогабаритные установки, способные функционировать в автономном режиме и обеспечивать мобильность их перемещения. Именно для этих условий наиболее эффективным является процесс высокотемпературного пиролиза, который не требует тщательной подготовки сырья. Однако требуется тщательная очистка газов от ядовитых соединений, что решается современными технологиями.
Преимущество пиролиза по сравнению с непосредственным сжиганием отходов заключается в его эффективности предотвращения загрязнения окружающей среды. С помощью пиролиза можно перерабатывать составляющие отходов, трудно поддающиеся утилизации, такие, как автопокрышки, пластмасса, отработанные масла, отстойные вещества. После пиролиза не остается биологически активных веществ, поэтому подземное складирование пиролизных отходов не наносит вреда природной среде. Образующийся пепел имеет высокую плотность, что резко уменьшает объем отходов, подвергающийся подземному складированию. При пиролизе не происходит восстановления (выплавки) тяжелых металлов. К преимуществам пиролиза относятся и легкость хранения и транспортировки получаемых продуктов, а также то, что оборудование имеет небольшую мощность. В целом процесс требует меньших капитальных вложений. Установки или заводы по переработке твердых бытовых отходов способом пиролиза функционируют в Дании, США, ФРГ, Японии и других странах.
Учеными и специалистами Российского научного центра «Государственный институт прикладной химии» разработан технологический процесс двухстадийной переработки отходов с получением пиролизного газа, который можно использовать в котле-утилизаторе для получения водяного пара с различными параметрами. Для повышения коэффициента использования сырья рекомендуется проектировать котел-утилизатор с камерой дожигания либо с рециркуляцией в камеру реактора. Таким образом, на выходе из данного технологического комплекса мы получаем высокоэнергетическую парогазовую или паровоздушную смесь, которую можно использовать в микротурбинных установках в качестве рабочего тела для получения электрической и тепловой энергии.
Энергоснабжение собственных нужд утилизационных комплексов с помощью паросиловой установки
В составе малых утилизационных комплексов необходимо иметь собственную энергетическую установку, главной задачей которой – выработка энергии на собственные нужды комплекса. Для большинства автономных мобильных утилизационных установок наиболее востребованными являются установки электрической мощностью 30 – 200 кВт. Для этих целей большее значение приобретают энергоустановки малой распределенной энергетики на основе газовых и влажно–паровых турбин. Пиролизный газ после утилизационной установки характеризуется непостоянством своих теплотворных характеристик, и эта особенность может оказывать негативное влияние на работу особенно газовых и газопоршневых энергоустановок. Паросиловые энергоагрегаты, работающие через промежуточное звено – котел-утилизатор, менее чувствительны к калорийности пиролизного газа и поэтому они предпочтительны при установке на утилизационном энергокомплексе. На выбор энергоустановки для утилизационного комплекса оказывает большое влияние температурный режим работы двигателя. Рабочий процесс газовых турбин и газопоршневых двигатель происходит при температурах 400 – 1200 °С, в то время как паровые микротурбины работаю в зоне температур не выше 200 °С. Следует также отметить, что газопоршневые агрегаты обычно производят на 1 кВт электрической энергии 1,2 – 1,5 тепловой; газовые турбины имеют возможность увеличить это соотношение до 2,0 кВт. Большего соотношения можно получить при использовании паросиловых установок – до 10 – 12,0 [9, 10, 11]. Влажно–паросиловая установка более эффективна для комплексного производства электроэнергии и тепла зимой, и для абсорбционного кондиционирования и горячего водоснабжения летом. Влажно-паровая турбинная установка удобна для индивидуального потребителя еще и тем, что в отличие от когенерационных газовой турбины и газопоршневого агрегата она способна раздельно регулировать производство электроэнергии и тепла. В Российской Федерации в настоящее время отсутствуют энергетические устройства, способные обеспечить функционирование автономных мобильных комплексов по переработке отходов.
Экспериментальный образец блочно-модульного энерготехнологического комплекса (БМ ЭТК) по утилизации отходов методом пиролиза
Созданием утилизационного микроэнергокомплекса, принципиальная схема которого представлена на рисунках 1, занимаются целый ряд организаций, входящих в общий консорциум: ООО НПП «Донские технологии», г. Новочеркасск; ФГУП Российский научный центр «Прикладная химия», г. Санкт-Петербург; ОАО «Калужский турбинный завод», г. Калуга; «ЦНИИ конструкционных материалов «Прометей»», г. Санкт-Петербург; ЧАО «Новокраматорский машиностроительный завод», г. Крамоторск, Украина; Московский завод тепловой автоматики и ОИВТАН РАН, г. Москва.
Консорциум обладает действующими экспериментальными образцами оборудования и комплекса в целом. 24 апреля 2019 года общественности была продемонстрирована работа комплекса (фото стенда на рисунках 2 и 3) в полностью автоматическом режиме. В качестве топлива применялись отходы сортировки маркой «топливо rdf». Выработка энергии осуществлялась в режиме когенерации. Энергетический модуль комплекса стабильно работал, поддерживая заданную частоту вращения (около 9000 об/мин) при изменении параметров поступающего пара. Для проверки работы систем безопасности имитировались внештатные ситуации. Выбросы после системы очистки не превышали допустимых. Полученные результаты позволяют масштабировать разработанные конструкторско-технологические решения на типовой ряд планируемых к разработке комплексов.
Номенклатурный ряд разрабатываемых БМ ЭТК представлен в Таблице. Комплексы планируется изготавливать в полной заводской готовности, в модульном исполнении, с возможностью создания микро- и миниТЭЦ необходимой мощности. Выработка энергии осуществляется в режиме когенерации, с полным обеспечением на собственные нужды и возможностью локального электроснабжения. Регулирование электрической и тепловой энергии раздельное. Разработанный микроэнергетический комплекс (МЭК) может сопрягаться с любым другим оборудованием по переработке отходов при условии подачи на вход турбины пара с параметрами по температуре не менее 160 °С. Контейнерное исполнение комплекса дает возможность его монтажа на свайных конструкциях, что снимает необходимость экспертизы строительной части проекта.
Таблица — Номенклатурный ряд БМ ЭТК
Свежие комментарии