Твердые бытовые отходы. Утилизация и переработка бытовых отходов. Вторичное сырье. - "Газификация твердых топлив: оборудование и технологии"

"Газификация твердых топлив: оборудование и технологии"

В. В. Копытов, к.т.н., ФГУП «ММПП «Салют»

Начиная с 30-х гг. XX века сначала в Германии и США, а затем и в других промышленно развитых странах мира получили широкое распространение технологии газификации твердых топлив в целях последующего синтеза из компонентов, образующих генераторный газ (монооксида углерода и водорода), различных химических соединений, в том числе искусственных жидких топлив (например, по методу Фишера–Тропша). В связи с активным использованием в химической промышленности генераторный газ получил новые имена – «синтез-газ» (или «сингаз») и «продукт-газ».

В настоящее время технологии и оборудование газификации твердых топлив (ГТТ) из раритетов прошлого постепенно превращаются в спутники настоящего и будущего. Данное предположение, хоть и косвенно, подтверждает динамика инвестиций в альтернативную энергетику (с 10 млрд долл. в 1998 г. до 66 млрд долл. в 2007 г. и, по прогнозам экспертов, почти до 350 млрд долл. к 2020 г.) и анализ количества патентов, заявленных на оборудование ГТТ.

Оборудование ГТТ предназначено для преобразования (конверсии) органической части твердого топлива (ТТ) в генераторный газ (ГГ), удобный для последующего сжигания, как в горелках котлов различного назначения, так и в камерах сгорания (внешних и внутренних) двигателей различных типов.

Кроме того, в результате более полного (в сравнении с прямым сжиганием ТТ) сгорания газообразного топлива образуется значительно меньшее (в несколько раз, а по некоторым позициям, и на порядки) количество вредных для окружающей среды химических соединений (как в дымовых газах, так и в зольном остатке). Это позволяет существенно сэкономить на дорогостоящем оборудовании газоочистки дымовых газов, выбрасываемых в атмосферу (стоимость такого оборудования, например в составе мусоросжигающих заводов, составляет более 50 %).

В настоящее время на «ММПП «Салют» ведутся работы по созданию оборудования ГТТ параллельно по двум направлениям:
I. Создание крупногабаритного оборудования ГТТ с противоточным «вертикальным» либо с прямоточным «горизонтальным» процессом газификации.

Основной характеризующий признак, отличающий это оборудование, – сравнительно большая единичная электрическая (от 1,0 МВт) и тепловая (от 2,0 Гкал/ч) мощность. «Платой» за это является необходимость проведения строительно-монтажных работ, в том числе работ по устройству фундаментов, при вводе оборудования в эксплуатацию (средняя трудоемкость не менее 3 000 чел.-ч).

К данному оборудованию можно отнести твердотопливную электростанцию ТЭС‑1 (энергетический комплекс), комплекс газификации (изд. 44), «горизонтальный» комплекс газификации «туннельного» типа, разрабатываемый для утилизации отходов нефтепереработки.

Наиболее рациональное применение данного оборудования – переработка (использование, утилизация) твердых бытовых, промышленных и сельскохозяйственных отходов с получением некоторого количества тепловой и (или) электрической энергии (как правило, путем подмешивания к природному газу или иному топливу), и в первую очередь для собственных нужд организаций, эксплуатирующих оборудование ГТТ.

Предполагаемые места эксплуатации – крупные населенные пункты (или их окрестности) с развитой инфраструктурой, в том числе с централизованными системами тепло- и электроснабжения, не в полной мере удовлетворяющими имеющиеся потребности по приемлемым ценам, поблизости от источников образования отходов различного происхождения.

Примером такого применения крупногабаритного оборудования ГТТ может служить проект переработки бытовых и промышленных отходов в г. Мишкольце (Венгерская Республика).

В случае применения оборудования ГТТ для переработки твердых бытовых (коммунальных и городских) отходов (ТБО) нужно иметь в виду, что отходы, которые допустимо и целесообразно направлять на газификацию (либо сжигание), в среднем составляют около 20–30 % от общего объема ТБО. Часть отходов из состава ТБО подвергать газификации технологически недопустимо (например, металлы и стекло), часть – недопустимо по экологическим соображениям (например, химические источники электрического тока (аккумуляторы, батарейки), ртутные лампы, термометры, другие ртутьсодержащие отходы, электронный скрап, некоторые виды пластмасс и других синтетическиеких материалов, предметы бытовой химии, лаки, краски и т.п.), часть – экономически нецелесообразно (например, бумагу, ткани и пищевые отходы) и, наконец, часть – просто бессмысленно (например, керамику, минералы, строительные и другие отходы, не содержащие углерод).

В ведущих странах ЕС наиболее значительную часть ТБО (около 30–50 %) подвергают рециклингу (возвращению в промышленность в качестве вторичных материальных ресурсов), вторую по величине горючую часть отходов (около 20–30 %) отправляют на сжигание и (или) газификацию с получением тепловой и (или) электрической энергии, биоразлагаемую часть ТБО (около 15–25 %) – на анаэробное (метанирование) и (или) аэробное (компостирование) сбраживание с получением биогаза и (или) компоста и, наконец, оставшуюся часть отходов (около 10–20 %), не подлежащих рециклингу, переработке и утилизации, – на полигоны захоронения (рис. 1).

Рис. 1. Распределение потоков твердых бытовых отходов при их переработке (утилизации) в ведущих странах ЕС

Кроме того, нужно понимать, что оборудование ГТТ предназначено для газификации не отходов, а твердого топлива, произведенного из отходов (refusederivedfuel(RDF) путем сортировки, сушки, размельчения и брикетирования или пеллетирования, а в случае с ТБО и другими низкокалорийными отходами желательно и после смешивания с более калорийными компонентами типа кокса, угля, древесины и т. п.

II. Создание компактного модульного оборудования ГТТ с прямоточным «вертикальным» процессом газификации.

Основной характеризующий признак, отличающий модульное оборудование, – сравнительно небольшая единичная электрическая (до 500 кВт) и тепловая (до 1,0 Гкал/ч) мощность. Однако при этом отсутствует необходимость проведения строительно-монтажных работ, в том числе работ по устройству фундаментов, при вводе оборудования в эксплуатацию (время развертывания на неподготовленной грунтовой площадке силами бригады из 4 человек составляет не более 16 ч; средняя трудоемкость – не более 64 чел.-ч).

Наиболее рациональное применение данного оборудования – децентрализованное распределенное преобразование химической энергии местных углеводородных ТТ в тепловую и (или) электрическую энергию (в том числе в составе локальных сетей энергоснабжения) с использованием в качестве промежуточного энергоносителя горючего ГГ, получаемого при газификации этих топлив. К местным топливам обычно относят дрова и другие топлива, произведенные из фитомассы, каменные и бурые угли, торф, горючие сланцы и т.п.

Предполагаемые места эксплуатации – небольшие населенные пункты с неразвитой инфраструктурой, в том числе без централизованных систем тепло- и электроснабжения (например, отдаленные районы Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера), а также регионы с дефицитом тепловой и электрической энергии.

Кроме того, модульные электростанции могут быть востребованы геологическими партиями, археологическими экспедициями, учреждениями ФСИН, в местах добычи полезных ископаемых, на лесозаготовительных участках и т.п.

Наконец, благодаря авиатранспортабельности и малому времени развертывания, в том числе силами МЧС, модульные электростанции могут быть использованы для оперативного восстановления энергоснабжения и снижения ущерба от аварий природного и техногенного характера, связанных с выходом из строя существующих систем тепло- и электроснабжения.

Примером такого применения компактного модульного оборудования ГТТ может служить проект замены дизельных электростанций в поселках Сангар и Жиганск (Республика Саха-Якутия, Россия) на электростанции ТЭС‑75/100, предназначенные для работы на местном ТТ (каменном угле, добываемом в шахте «Джебарики-Хая»).

Все создаваемое на сегодняшний день ФГУП «ММПП «Салют» оборудование ГТТ, за исключением оборудования «туннельного» типа, предназначено для автотермической паровоздушной среднетемпературной газификации при атмосферном давлении крупно-, средне- и мелкозернистых ТТ в псевдостационарном опускающемся слое с сухим золоудалением и получением горючего ГГ с низкой теплотой сгорания для энергетических целей.

В основе технологического процесса газификации лежит способность органической части ТТ переходить при определенных условиях из твердого состояния в газообразное с образованием монооксида углерода (угарного газа) и водорода. Назначение оборудования ГТТ – создать такие условия.

Одним из таких необходимых условий является процесс термохимической деструкции ТТ, называемый пиролизом. Пиролиз внутри реакторов газогенераторов происходит в результате нагрева топлива при отсутствии кислорода. Нагрев ТТ обеспечивается за счет окисления части газифицируемого топлива (около 10– 30 % в зависимости от характеристик ТТ и оборудования газификации) без подвода теплоты извне. Отсутствие кислорода в зонах формирования ГГ и пиролиза (восстановительной зоне и зоне коксования) объясняется тем, что подаваемые в реактор газифицирующие агенты, сбалансированы таким образом, что весь содержащийся в них кислород используется в зоне окисления (зоне горения).

В процессах пиролиза ТТ, происходящего при температуре около 400– 900 °С, и взаимодействия продуктов пиролиза с кислородом газифицирующих агентов при температуре около 900–1 350 °С по экзотермическим химическим реакциям С + О2 = СО2 + + 409 кДж/моль и 2С + О2 = 2СО + Рециклинговая часть ТБО, подвергаемая возвращению в промышленность в качестве вторичных материальных ресурсов (30–50 %) Горючая часть ТБО, подвергаемая газификации (сжиганию) с получением тепловой и (или) электрической энергии (20–30 %) Биоразлагаемая часть ТБО, подвергаемая анаэробному (метанированию) и (или) аэробному (компостированию) сбраживанию с получением биогаза и (или) компоста (15–25 %) Неперерабатываемая часть ТБО, подвергаемая захоронению на полигонах твердых отходов (10–20 %) + 246 кДж / моль выделяется теплота. Эта теплота используется в процессах:
• сушки ТТ при температуре около 150–400 °С;
• взаимодействия продуктов пиролиза с диоксидом углерода и водяным паром при температуре около 750–1 000 °С по эндотермическим химическим реакциям (С + СО2 = = 2СО – 162 кДж/моль и С + Н2О = = СО + Н2–137 кДж/моль);
• подогрева газифицирующих агентов при температуре теплоносителей (продуктов газификации) около 200–900 °С. В результате вышеприведенных химических реакций происходит образование монооксида углерода и водорода – основных горючих компонентов ГГ.

Результаты других химических реакций, имеющих место при газификации ТТ, ввиду их незначительного влияния на состав и калорийность ГГ можно не рассматривать. Условия, необходимые для протекания химических реакций газификации и сопутствующих им процессов в соответствующих зонах реактора, обеспечиваются правильной организацией тепломассообмена.

Таким образом, при правильно сбалансированных потоках топлива, инертного материала (при наличии) и газифицирующих агентов, подаваемых в реактор, а также при правильной организации тепломассообмена внутри реактора исходное ТТ с достаточно высокой эффективностью (КПД газификации – 0,65–0,9) пре- образуется в конечные продукты термохимической деструкции сложных органических веществ – горючий ГГ и твердый зольный остаток. Нужно отметить, что ТТ растительного происхождения, произведенное из специально выращиваемой быстрорастущей фитомассы (тепличные и фотобиореакторные водоросли, древесные, кустарниковые и травянистые «энергетические леса» и т.п.), а также топливо, произведенное из отходов, являются возобновляемыми источниками энергии.

В связи с предпринимаемыми в настоящее время усилиями мирового сообщества по снижению эмиссии (выбросов) парниковых газов примечательно, что эксплуатация энергетических установок на базе оборудования ГТТ, использующих ТТ из специально выращиваемой фитомассы, не приводит к повышению концентрации углекислого газа в атмосфере. Это обусловлено тем, что объем СО2, получаемый при сгорании ГГ, не превышает объема диоксида углерода, поглощаемого растениями при их росте в процессе фотосинтеза. Таким образом, ТТ из фито- массы является СО2-нейтральным топливом. Кроме того, если фитомассе дать возможность естественным образом разложиться на воздухе, то ввиду преобладания в этом процессе окислительных реакций произойдет выделение того же объема углекислого газа, что и при ее газификации или сжигании. На основании ст. 6 Киотского протокола (в ноябре 2009 г. Россия приняла новый механизм реализации этой статьи) организации, эксплуатирующие СО2-нейтральное оборудование, имеют право продажи соответствующих квот на выбросы углекислого газа.

Еще одним важным преимуществом ТТ из фитомассы перед другими, особенно ископаемыми, видами топлив является почти полное отсутствие в нем серы (S) и других вредных для оборудования ГТТ и окружающей среды химических элементов и соединений.

Если рассматривать вопрос в принципе, то получаемый в результате газификации ТТ генераторный газ может использоваться в системах лучистого обогрева (при условии применения горелок инфракрасного излучения, работающих на ГГ), в качестве котельного топлива в котлах различного назначения (при условии применения специальных горелок для сжигания ГГ), а также как топливо двигателей внутреннего (при условии применения оборудования очистки и охлаждения ГГ) и внешнего (при условии применения горелок, аналогичных котельным) сгорания.

Последний тип двигателя следует признать предпочтительным с точки зрения эффективности и экономичности использования ГГ. Это обусловлено тем, что в результате снижения (либо снятия совсем) требований по очистке ГГ не только упрощается и удешевляется оборудование газоочистки, но и повышается теплотворная способность газа за счет содержащихся в нем горючих низко- и высокомолекулярных органических соединений (например, спиртов и особенно смол). Кроме того, в связи со снятием требований по охлаждению ГГ одновременно с экономией на соответствующем оборудовании и хладагентах свой вклад в нагрев рабочего тела энергоустановок с внешними камерами сгорания внесет и физическое тепло горячего ГГ.

Ввиду наличия водорода в составе ГГ последний может также рассматриваться в качестве энергоносителя для получающих все большее распространение топливных элементов (fuelcells).

Еще один перспективный вариант применения оборудования ГТТ в сфере «зеленой» энергетики – создание «симбиоза» с фотобиореакторами для выращивания водорослей в целях получения биотоплива. В этом случае конечные продукты газификации используются для создания оптимальных условий роста, жизнедеятельности, размножения и наращивания фитомассы водорослей (электроэнергия – для питания автономных источников света, тепловая энергия – для создания нужного температурного режима, углекислый газ – для обеспечения реакции фотосинтеза, азот и минерализованный зольный остаток – в качестве составляющих питательной среды). Из отходов производства биотоплива, в свою очередь, может формироваться топливо для газификации, а выделяемый при фотосинтезе кислород из фотобиореакторов – подаваться в реакторы-газогенераторы, исключая «кислородное отравление» водорослей. При такой технологической схеме выращивать водоросли и производить биотопливо можно непрерывно в базовом режиме (без остановок на ночь и снижения объемов выработки зимой), в том числе в местах с дефицитом солнечного света и тепла, и без использования централизованных систем энергоснабжения.

Технологический процесс генерирования электрической и (или) тепловой энергии путем газификации возобновляемых источников энергии (специально выращиваемой быстрорастущей фитомассы и отходов различного происхождения) представлен на рис. 2.

Кроме того, необходимо решить задачу утилизации (обезвреживания) вторичных отходов (эффлюента), появившихся в процессе подготовки и газификации ТТ, генерирования электрической и (или) тепловой энергии.

Часть вторичных отходов (например, жидкие отходы, образующиеся в процессе очистки ГГ) может быть утилизирована с помощью источника их появления (оборудования ГТТ).

При этом вторичные отходы можно рассматривать и в качестве сырья для получения дополнительных товарных продуктов. Так, твердые продукты газоочистки и зольный остаток (шлам) можно использовать при производстве строительных материалов (зольный гравий, асфальтобетон, цементные смеси, бетоны и т.п.) и изделий (кирпичи, блоки и т.п.), вносить в почву в качестве удобрений, раскислителей и стабилизаторов, использовать при ландшафтном строительстве и в других подобных целях. Жидкие отходы в виде газового конденсата (фугата) могут служить сырьем для синтеза различных химических соединений, в том числе искусственных жидких топлив.

В результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований было показано, что используемый метод термохимической переработки ТТ отличается высоким энергетическим КПД и позволяет резко снизить образование токсичных продуктов горения, в первую очередь диоксинов, полиароматических углеводородов и сажи. Это было подтверждено в промышленном масштабе на примере переработки промышленных отходов (опытно-промышленная установка в г. Электростали, Московская обл., Россия) и твердых бытовых отходов (мусороперерабатывающийминизавод в г. Лаппеенранта, Финляндия).

На технологию газификации получено заключение Российской государственной экологической экспертизы, подтверждающее технологическую безопасность и конструктивную надежность используемого оборудования (приказ МПР России от 22 января 2002 г. № 15).

В 2004 г. Российским научно-исследовательским центром чрезвычайных ситуаций Минздрава РФ были проведены анализы химического состава генераторного и дымовых газов, а также зольного остатка и дана оценка воздействия установки на окружающую среду.

На 5-м Международном форуме «Высокие технологии ХХI века» (апрель 2004 г.) проект «Установка по переработке твердых бытовых отходов методом паровоздушной газификации» занял первое место.

На установку газификации ТТ получены сертификат соответствия № 6540155 от 05.09.05 г. и патент на полезную модель «Комплекс для переработки твердых бытовых отходов» № 61844 от 14 августа 2006 г.

На установку для получения энергии (модульную твердотопливную электростанцию ТЭС-100) получен патент на изобретение № 2342542 от 27 декабря 2008 г.

Рис. 2. Технологический процесс генерирования электрической и (или) тепловой энергии путем газификации возобновляемых источников энергии

Данная статья является отрывком из книги «Газификация конденсированных топлив: ретроспективный обзор, современное состояние дел и перспективы развития». Полный вариант к вышел в издательствах «Инфра-Инженерия»(электронная версия - http://infra-e.ru/books/YEnergetika/960.html ) и «Агрорус XXI» (бумажная версия - www.agroxxi-shop.ru).

Статьи журнала "Твердые бытовые отходы"

Подготовка кадров для промышленности по обращению с отходами производства и потребления Экономика замкнутого цикла предполагает вовлечение в оборот отходов производства и потребления, из...	Прогноз перспектив и последствий регулирования обращения с ТКО Удаление отходов – это прежде всего функция обеспечения санитарно-эпидемиологической безопасности ...
Оценка экологогеологического состояния и устойчивости откосов свалочного тела полигона Сегодня многие полигоны для захоронения отходов нуждаются в рекультивации или реконструкции. Рассмот...	Что лежит в контейнере, или в чем опасность неопасных ТКО В прошлой статье цикла мы выяснили, что ТКО – это малоопасные и неопасные отходы IV и V классов оп...
Механико-биологическая обработка ТКО. Часть 2. Выщелачивание загрязняющих веществ при захоронении В статье рассмотрены характеристики выщелачивания загрязняющих веществ (ЗВ) из продуктов механико-би...	Механико-биологическая обработка ТКО. Часть 1. Этапы обработки, состав отходов Механико-биологическая обработка ТКО сокращает количество направляемых на полигоны отходов. Этому сп...
НООЛР: разработка, утверждение, особенности административной ответственности Разработка нормативов образования отходов и лимитов на их размещение является одной из обязанност...	Развитие рынка утилизации ОЭЭО: экосбор vs эконалог Президент России В. В. Путин на съезде Российского союза промышленников и предпринимателей 14.03.201...

Настоящим, в соответствии с Федеральным законом № 152-ФЗ «О персональных данных» от 27.07.2006 года, Вы подтверждаете свое согласие на обработку компанией ООО «Концепция связи XXI век» персональных данных: сбор, систематизацию, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), использование, передачу в целях продвижения товаров, работ, услуг на рынке путем осуществления прямых контактов с помощью средств связи, продажи продуктов и услуг на Ваше имя, блокирование, обезличивание, уничтожение.

Компания ООО «Концепция связи XXI век» гарантирует конфиденциальность получаемой информации. Обработка персональных данных осуществляется в целях эффективного исполнения заказов, договоров и иных обязательств, принятых компанией в качестве обязательных к исполнению.

В случае необходимости предоставления Ваших персональных данных правообладателю, дистрибьютору или реселлеру программного обеспечения в целях регистрации программного обеспечения на Ваше имя, Вы даёте согласие на передачу своих персональных данных.

Компания ООО «Концепция связи XXI век» гарантирует, что правообладатель, дистрибьютор или реселлер программного обеспечения осуществляет защиту персональных данных на условиях, аналогичных изложенным в Политике конфиденциальности персональных данных.

Настоящее согласие распространяется на следующие персональные данные: фамилия, имя и отчество, место работы, должность, адрес электронной почты, почтовый адрес доставки заказов, контактный телефон, платёжные реквизиты. Срок действия согласия является неограниченным. Вы можете в любой момент отозвать настоящее согласие, направив письменное уведомление на адрес: podpiska@vedomost.ru с пометкой «Отзыв согласия на обработку персональных данных».

Обращаем Ваше внимание, что отзыв согласия на обработку персональных данных влечёт за собой удаление Вашей учётной записи с соответствующего Интернет-сайта и/или уничтожение записей, содержащих Ваши персональные данные, в системах обработки персональных данных компании ООО «Концепция связи XXI век», что может сделать невозможным для Вас пользование ее интернет-сервисами.

Давая согласие на обработку персональных данных, Вы гарантируете, что представленная Вами информация является полной, точной и достоверной, а также что при представлении информации не нарушаются действующее законодательство Российской Федерации, законные права и интересы третьих лиц. Вы подтверждаете, что вся предоставленная информация заполнена Вами в отношении себя лично.

Настоящее согласие действует в течение всего периода хранения персональных данных, если иное не предусмотрено законодательством Российской Федерации.

Принимаю условия соглашения