Сжигание твердых бытовых отходов с комбинированной и раздельной выработкой тепла и электроэнергии

Твердые бытовые отходы (ТБО) – это энергетическое сырье, которое начинает играть все бо-лее важную роль в России. Получение энергии из ТБО имеет большое значение, поскольку при этом уменьшаются объемы мусора, подлежащие вывозу на свалку. Расчетное количество бытовых отхо-дов по СНиП II-60-75 принимается на 1 человека в год:

⇒ твердых, для жилых зданий, оборудованных водопроводом, канализацией, центральным отоплением и газом – 190 кг;

⇒ твердых, для прочих жилых зданий – до 300 кг (с учетом общественных зданий). Расчетное количество при децентрализованном (местном) отоплении увеличивается на 10 %,

а при сжигании бурых углей – на 50 %.

Общее количество жидких отходов на 1 человека в год составляет при наличии канализации до 1400 литров, а из выгребных устройств – 2000 литров.

Ежегодное количество органических отходов в России составляет более 390 млн. тонн. Сельскохозяйственное производство дает 250 млн. тонн, из них 150 млн. тонн приходится на животноводство и птицеводство, 100 млн. тонн – на растениеводство. Лесо-и деревопереработ-ка дают 70 млн. тонн твердые бытовые отходы городов – 60 млн. тонн, осадки коммунальных стоков – 10 млн. тонн (все приведенные значения даются на абсолютно сухое вещество).

На каждого россиянина приходится в среднем по 280-300 кг. ТБО в год без учета про-мышленных отходов. Средний фракционный состав ТБО крупных промышленных центров при-веден в таблице 16. Плотность ТБО составляет от 200 до 300 кг/м³.

 

Таблица 16 – Средний фракционный состав ТБО крупных промышленных центров

Наименование твердых бытовых отходов	Значение, %
Бумага	47
Древесина	1
Кожа и резина	1.8
Кости	0.5
Металл	4.5
Пищевые отходы	29
Текстиль	5
Стекло	3
Камни	1.9
Пластмасса	2
Отсев размером менее 15 мм	4.5
Прочее	0.4

 

ТБО состоит примерно на треть из органических материалов пригодных для сжигания, как с точки зрения энергетики, так и с точки зрения экологии.

Приблизительно половину ТБО можно сортировать для повторного использования или для других видов обработки. Это макулатура, стекло, упаковки из различных материалов, электроприборы, электроника, экологически вредные отходы. Введение первичной сортировки ТБО позволит повысить его теплоту сгорания. Оставшуюся часть мусора следует вывозить на свалки.

Существует четыре метода получения энергии из твердых бытовых отходов:

сжигание;

получение газа на свалках (депонигаз);

получение газа при гниении (биогаз);

термическая газификация.

 

Сжигание

Сжигание ТБО представляет из себя сложную технологию. Топливо негомогенно как по содержанию, так и по размеру. Оно предъявляет особые требования к оборудованию для его сжигания. При сжигании ТБО из-за его негомогенности по составу образуется в большей или меньшей степени нежелательных выбросов, что требует специального оборудования для очистки дымовых газов – и, соответственно, больших инвестиций. Сжигание ТБО по существующему опыту российских и зарубежных городов становится рентабельным тогда, когда оно осуществляется в больших масштабах. Для выработки 1 Гкал тепловой энергии в зарубежных и отечественных энергоэффек-тивных установках требуется в среднем 450 кг. сжигаемых ТБО.

Элементарный состав ТБО крупных российских городов приведен в таблице 17.

Как видно из таблицы 3, теплота сгорания ТБО для различных городов страны не превышает 1800 ккал/кг, при этом влажность ТБО составляет более трети состава. За рубежом за счет принятия специальных положений, связанных с сортировкой мусора, его теплота сгорания составляет 2900 ккал/кг, т.е. в 1,6 раза выше, чем в Москве и более чем в 2 раза выше, чем во Владивостоке.

 

Таблица 17 – Элементарный состав ТБО крупных российских городов
Рабочая масса, %	Москва	С. Петербург	Н. Новгород	Екатеринбург	Владивосток
W	39.65	34.1	39.91	34.76	43.14
A	17.93	31.15	20.5	31.09	24.35
S	0.13	0.09	0.11	0.11	0.13
C	21.36	17.52	19.62	17.4	16.34
H	2.8	2.3	2.62	2.24	2.18
N	0.13	0.47	0.56	0.55	0.59
O	17.52	14.33	16.67	13.85	13.37
Теплотворная способность Qн, ккал/кг	1730	1410	1560	1390	1260

 

Естественно, что большое количество отходов накапливается в густонаселенных районах, в частности. В этих же районах имеется и наибольшая потребность в энергии. Строительство мусоросжигательных заводов наиболее уместно в таких районах, где имеются развитые тепловые сети.

Процесс сжигания ТБО происходит следующим образом.

Отходы подаются в мусоросжигающие печи с помощью грейферов. В настоящее время существует два типа печей для сжигания ТБО: в печах первого типа используются колосниковые решетки, в печах второго типа мусор сжигается в кипящем слое.

Обычно применяется слоевое сжигание ТБО на подвижной решетке. Благодаря высокой температуре в печи и наддуву, а также подвижной решетке, на которой мусор перемешивается и крошится, достигается более ровное и эффективное горение.

При сжигании в кипящем слое воздух вдувается через перфорированную пластину, на которой мусор перемешан с песком, золой и известью. Топливо составляет, как правило, небольшую часть слоя. Сжигание отходов в кипящем слое ставит более высокие требования к качеству топлива, чем сжигание на решетке. Топливо должно быть более гомогенным по размеру и составу. Кроме то-го, эксплуатационный персонал должен иметь более высокую квалификацию.

Полученный в процессе сжигания ТБО шлак может вывозиться на свалки или использоваться для строительства дорог. Летучая зола, накапливающаяся в фильтрах, будет содержать множество вредных элементов, поэтому с ней надо обращаться как с экологически опасным веществом.

Институт проблем химической физики РАН разработал уникальный завод по переработке как бытового мусора, так и промышленных отходов, включая автомобильные покрышки.

Комплекс рассчитан на выходную мощность 1 МВт электроэнергии и 4 МВт тепловой энергии и оценивается в 4 млн. долл. США «под ключ» без учета подключения к электрическим и тепловым сетям и обустройства инфраструктуры. Следует учесть что полигоны ТБО обычно находятся за территорией города, поэтому необходимы еще дополнительные капитальные вложения на строительство тепловых и электрических сетей. Эксплуатационные затраты составляют ориентировочно 100 тыс. долл.США/год, однако они нивелируются сокращением платы за аренду земли под полигон для ТБО и уменьшение вредных выбросов в окружающую среду. Завод обслуживает персонал в количестве 20 человек В настоящее время комплекс успешно работает в г. Электросталь Московской области, а также в Финляндии и Испании. Он может полностью обеспечить утилизацию мусора города с населением не менее 40-50 тыс. человек. Время работы установки 7000 часов ежегодно и круглосуточно. Срок службы установки 25 лет. Расчет экономического эффекта (без учета подвода тепловых и электрических сетей к территории завода) показывает, что срок окупаемости даже при высоких тарифах на тепло и электроэнергию составляет более 7 лет.

ОАО “ ЭНИН” разработало технологию уничтожения разных отходов, в том числе твердых бытовых отходов, резинотканевых и текстильных (замасленных) материалов, пищевых, больничных отходов, старых шин и др.

Основной принцип технологии – непрямое, двухступенчатое сжигание, включающее предварительное термическое разложение (пиролиз) органической части исходного сырья, сжигание газообразных продуктов с использованием выделяющегося тепла на поддержание процесса и дожигание коксового остатка (КО). При этом все покидающие устройство продукты проходят через огневую зону, что обусловливает экологически чистое уничтожение твердых отходов (ЭЧУТО). Образующееся в процессе сжигания тепло может использоваться для теплоснабжения.

Установки ЭЧУТО могут использоваться в небольших поселениях (коттеджные застройки) в черте города и на отдельных мелких предприятиях. Так, установка ЭЧУТО-150.02 одновременно с уничтожением примерно 3 м³ отходов в сутки способна обеспечить производственные помещения предприятий теплом в количестве примерно 0,01 Гкал/ч.

Установки типа ЭЧУТО изготавливаются на территории ОАО "Компания Славич" (г. Переславль-Залесский), там же они проходят испытания на отходах различного морфологического состава. Установки, изготовленные по заказу московского правительства и отдельных унитарных структур города, прошли опытную эксплуатацию на предприятиях г. Москвы: СИЗО

№ 1, Московская жилищная ассоциация, ОАО “ ЭНИН им. Г. М. Кржижановского”, ОАО "Компания Славич", КЭМП в городе Подольске. Установка большей производительности (до 2 т в сутки), выполнена по заказу РАО "ЕЭС России" и предназначена для утилизации бытовых отходов ТЭЦ (замасленная ветошь, резинотехнические, пищевые, упаковочные, древесные отходы, остатки лакокрасочных изделий, пленки, пластиковые бутылки и др.). Она утилизирует низкопотенциальное тепло в количестве 0,08 Гкал/ч.

Газ свалок

В небольших городах ТБО складируются на свалках. В больших городах на свалку отвозят то, что осталось после сортировки отходов: парковый, строительный мусор, канализационный ил из коммунальных и промышленных очистных сооружений, шлак из мусоросжигающих заводов и др.

ТБО, которые складируются на свалках, тоже могут являться источником энергии, но не в такой мере каковыми они являются при сжигании. Мусор свалок разлагается также, как и при гниении, но существенно медленнее. Внутри свалок образуется метан. На старых свалках, не предназначенных для получения газа, бурят специальные скважины, через которые отводят газ. На новых свалках закладывают специальные трубы, через которые впоследствии отводят газ.

Действительно для получения 1 Гкал тепловой энергии требуется более чем в 10 раз больше мусора, чем при его сжигании, ориентировочно 5000 кг. В Дании из 1 тонны отходов свалок получают 2.7 м³ газа с теплотой сгорания 3700-4000 ккал/кг. Такие установки, могут быть установлены на свалках городов, где численность населения также не менее 40 тыс. человек. Минимальная производительность установки по газу – 100 м³/ч, что соответствует 450 кВт. Стоимость установки оценивается в 800 долл. США/кВт. Стоимость монтажа газопровода определяется в зависимости от расстояния полигона до ближайшей котельной. Кроме того, следует переоборудовать котел для совместного сжигания синтез газа и угля или одного синтез газа. Эксплуатационные расходы даже с учетом снижения платы за аренду полигона и уменьшения вредных выбросов составляет 5 долл./кВт установленной мощности.

Результаты расчета экономического эффекта показывают, что срок окупаемости установки даже при высоких стоимостях тепла 14-23 долл. США/Гкал составляет 9-15 лет.

Складирование ТБО в специальных биологических ячейках имеет смысл в тех случаях, когда мусор содержит много органических материалов. Биологическая ячейка представляет камеру для гниения органических отходов, в которой через несколько недель образуется метан. Складирование ТБО в биоячейках удобнее, чем складирование мусора на свалках. Меньше газа уходит в атмосферу и практически не происходит загрязнение грунтовых вод. Кроме того, содержимое биоячейки через несколько лет будет представлять собой удобрение для сельского хозяйства.

Биогаз

Органический мусор (органические фракции, канализационный ил, удобрения, сельхозпродукты и т.д.) перегнивает до образования биогаза, который можно использовать в энергетике. Гниение происходит в специальных метантенках, куда закрыт доступ кислорода. Тепло и вода добавляется в таких пропорциях, чтобы создать определенную среду для анаэробных бактерий. Биогаз, состоящий главным образом из метана и двуокиси углерода, образуется через 2-3 недели и с успехом может быть использован в качестве топлива.

Термическая газификация

Термическая газификация или пиролиз – альтернатива сжиганию ТБО. Технология основана на том, что мусор нагревается при малой подаче воздуха, мусор при этом не горит, но разлагается на газ и жидкий шлак. Полученный газ может быть использован для его дальнейшего сжигания.