В экономически развитых странах все больше количество ТБО перерабатывается промышленными способами. Наиболее эффективным из них является термический. Он позволяет почти в 10 раз снизить объем отходов, вывозимых на свалку. Не сгоревший остаток уже не содержит органических веществ. В настоящее время отдается предпочтение мусоросжигающим установкам, которые не только сжигают отходы, но и вырабатывают энергию. Согласно концепции «энергетического баланса», которая предложена рабочей группой Всемирного энергетического совета, полученная энергия должна покрывать энергетические затраты на переработку ТБО.
По мнению специалистов, уже в ближайшее время, сжигание ТБО с выработкой тепловой и электрической энергии будет основным способом переработки отходов. Это, прежде всего, касается тех стран, которые имеют небольшую территорию и где введены ограничения на захоронение отходов. В мировой практике применяется больше десятка технологий сжигания ТБО. По оценке Всероссийского теплотехнического института (ВТИ), вырабатываемая при их реализации тепловая энергия может быть эффективно использована в трёх случаях: 1) при сжигании ТБО на колосниковых решетках; 2) при сжигании в топках с псевдосжиженным (кипящем) слоем; 3) в процессе высокотемпературного сжигания [1].
Самой распространенной технологией является сжигание на колосниках в слоевой топке. По этой технологии работают большинство зарубежных мусоросжигательных заводов, в том числе и отечественные мусоросжигательные заводы.
Сжигание отходов в топках с псевдосжиженным слоем широко применяется в Японии. В Европе такие заводы используют в Испании, Германии и Франции. В США работают заводы по сжиганию отходов в циркулирующем псевдосжиженном слое.
Но эти технологии не решают проблему утилизации твердых остатков (шлаков и летучей золы). Если шлак можно использовать в строительстве, то золу требуется захоранивать на специально оборудованных полигонах, так как она адсорбирует тяжелые металлы и различные токсичные вещества.
Комбинированные технологии сжигания отходов при высокой температуре дают возможность обезвредить золу и шлак. Например, комбинированная технология немецкой фирмы «Сименс» под названием «Пиролиз – высокотемпературное сжигание», является практически безвредной и почти полностью безотходной.
Первый крупномасштабный завод, работающий по такой технологии, был построен в городе Вюрте (Германия). Эта технология сочетает в себе низкотемпературный пиролиз (обработку отходов без доступа кислорода) с их последующем сжиганием при высокой температуре. Комбинированная технология фирмы «Сименс» имеет следующие преимущества: 1) из ТБО получают материалы, которые можно использовать без дальнейшей обработки; 2) выходящие из установки газы имеют высокую степень очистки; 3) выделяемое при сжигании тепло можно использовать для производства электроэнергии и централизованного теплоснабжения или направлять на технологические нужды.
Технология высокотемпературной переработки ТБО, не имеющая аналогов в мировой практике, разработана группой российских ученых – металлургов «Алгон». Технологический процесс отличается высоким температурным режимом. Основной агрегат этой технологии – барботажная печь со шлаковой ванной, в которой в шламовом расплаве, продуваемом кислородосодержащим дутьем, сжигаются отходы.
Отходы загружают в печь без предварительной сортировки и подготовки. Процесс сжигания происходит в шлаковой ванне при температуре 1450…1550 ºС. Выделяющееся из ванны газы дожигаются над поверхностью расплава воздухом или кислородосодержащим дутьем. После полного дожигания они поступают в котел – утилизатор. Крупная пыль, уловленная газоочисткой, возвращается в печь. Мелкая уловленная пыль представляет собой концентрат тяжелых металлов, которые можно извлечь на предприятиях цветной металлургии. Шлак из печи поступает на переработку. Он экологически безопасен и может быть использован для производства строительных материалов, минеральных волокон, наполнителя для дорожных покрытий.
В мире разрабатывается плазменный метод сжигания ТБО. Технологическая схема этого метода включает в себя плазмогенератор (агрегат для газификации) и другое вспомогательное оборудование. Тепловая энергия в газогенератор подводится с помощью дуговых плазмотронов струйного типа плазмоэлектродной системы, обеспечивающих расплавление непиролизуемых компонентов и жидкое удаление шлака. По мнению разработчиков, этот метод дает возможность проводить глубокую переработку ТБО с получением синтез газа, имеющего теплоту сгорания 11…13 тыс. кДж/м3. Шлак может гранулироваться и использоваться в строительстве.
Осуществление процесса плазменной газификации требует определенной подготовки бытового мусора. Способ плазменного сжигания является очень дорогостоящим по капитальным затратам и эксплуатационным расходам. Он энергоёмок и технически сложен. Пока данная технология существует в виде опытного научного оборудования.
Экологическое воздействие мусоросжигательных заводов в основном связаны с загрязнением атмосферы мелкодисперсной пылью – оксидами серы и азота, фуранами и диоксинами, которые образуются при сжигании полимерных материалов, содержащих хлор, и являются токсичными. Серьезные проблемы также связаны с захоронением золы, которая по весу составляет до 30 % от исходного веса отходов. Для безопасного захоронения золы используют специальные хранилища.
На мусоросжигательных заводах применяют многоступенчатую систему газоочистки с использованием карбамида, щелочного реагента и активированного угля. Дополнительно, дымовые газы очищаются от золы и газообразных компонентов в рукавном фильтре. Очищенные дымовые газы направляются дымососом в дымовую трубу [12]. Схема технологической линии по термической переработке ТБО представлена на рис. 9.1.
Рис. 9.1. Схема технологической линии по термической обработке ТБО: 1 – печь сжигания; 2 – котел-утилизатор; 3 – сдвоенный циклон; 4 – абсорбер; 5 – сухой реактор; 6 – рукавный фильтр; 7 – подвод ТБО и песка; 8 – зола уноса; 9 – ввод известкового молока; 10 – смесь извести и активированного угля; 11 – очищенные дымовые газы; 12 – удаление донной золы; 13 – удаление золы из котла-утилизатора; 14 – удаление золы из циклона; 15 – выход золы из абсорбера; 16 – удаление продуктов газоочистки
Кроме топочного устройства в состав каждой технологической линии входят: котел – утилизатор, циклон, распылительный абсорбер, узел подачи реагентов для улавливания диоксинов, фуранов и ртути, рукавный фильтр и дымосос.
К недостаткам мусоросжигательных заводов следует отнести низкие параметры пара. На отечественных мусоросжигательных заводах они равны р =16 ата, t =240 °С, при паропроизводительности 15…35 т/ч. Удельные показатели по выработке электроэнергии существенно ниже по сравнению с ТЭС. Это объясняется следующими свойствами ТБО: кусковое топливо, низкая температура плавления золы и коррозионные свойства дымовых газов.
Одним из способов решения проблемы сбыта низко потенциального пара, полученного при сжигании ТБО, является совместная работа мусоросжигательного завода в единой системе теплоснабжения. Основным источником тепла в этой системе являются установки, работающие на энергетическом топливе и подключенные к крупным потребителям тепла. В этом случае установки, сжигающие ТБО, подают пар или тепловую воду в общую сеть, а основное количество тепла производят паровые котлы, работающие на энергетическом топливе [12].
В России впервые такую схему предполагалось реализовать в г. Челябинске. Предусматривалась работа завода, сжигающего ТБО в единой системе с Челябинской ТЭЦ-2. Предполагалось, что потребителями низкопотенциального пара будут предприятия Тракторозаводского района. При необходимости излишки пара будут направляться на ТЭЦ-2 для собственных нужд.
Как показывает зарубежный опыт, реализация такой схемы не везде возможна. Поэтому большее распространение находят установки, сжигающие ТБО, с выработкой электроэнергии. Она является более востребованной по сравнению с тепловой.
Эффективность выработки электроэнергии существенно зависит от начальных параметров пара. Поэтому, для эффективного преобразования энергии ТБО в электрическую, прежде всего, необходимо повысить параметры пара. Следует отметить, что большая часть мусоросжигательных заводов из-за низкой надежности оборудования и несбалансированности цен на отпускаемую энергию и себестоимость ее производства пока убыточны и используются всего на 20…50 % проектной мощности.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При рассмотрении перспектив развития традиционных и нетрадиционных источников энергии следует привести экспертные оценки направлений развития энергетики, сделанные ведущими учеными Российской Федерации. Эти оценки в определенной степени отражают позицию Академии наук РФ в этом вопросе.
Академик Владимир Фортов: нефть, газ и уголь
– Анализ состояния и планов развития энергетики России до 2020 г. приводит к выводу о грядущем дефиците энергии в стране и необходимости срочного ввода новых мощностей. Но и это не поможет удовлетворить все нужды без децентрализации энергоснабжения.
С учетом богатых запасов органического топлива и гидроэнергии для оптимального развития отечественной энергетики и надежного снабжения регионов целесообразно обеспечивать их энергией от электростанций разных типов: ГЭС, АЭС и ТЭС (на газе и угле).
Нужны новые технологии и оборудование, для чего, в свою очередь, необходимо развивать такие дисциплины, как газовая динамика, тепломассообмен, теплофизика экстремальных состояний, физика и химия горения, прикладная математика, теория управления, геофизика, геология, ядерная физика и физика плазмы, электродинамика.
Основные перспективы «традиционной» энергетики связаны с повышением КПД за счет роста температуры рабочей среды, более широким применением асинхронных генераторов, электродвигателей с регулируемой скоростью, мощных полупроводниковых преобразователей и новых материалов, в частности – высокотемпературных сверхпроводников.
Академик Александр Румянцев: мирный атом
– В соответствии с Энергетической стратегией России мощность АЭС к 2020 г. вырастет на 40 ГВт, выработка энергии – до 300 млрд. кВт×ч, а доля АЭС в электроэнергетике – до 23 %.
Если в атомную энергетику начнет поступать хотя бы часть средств от экспорта природного газа, сэкономленного благодаря выработанной на АЭС энергии, это даст начало структурной перестройке всей российской экономики
Роль атомной энергии будет возрастать. Большие надежды связаны с реакторами на быстрых нейтронах (БН), обладающими замкнутым топливным циклом, что облегчит соблюдение режима нераспространения ядерного оружия и материалов для его производства. Приятно, что Россия лидирует в разработке реакторов БН, которые станут основой атомной энергетики будущего.
Академик Жорес Алферов: энергия Солнца
– Солнце – неисчерпаемый и самый «чистый» источник энергии. Солнечные батареи уже снабжают энергией космические аппараты и все больше наземных потребителей (портативные электронные приборы, частные дома, метеостанции и т.д.). КПД солнечных элементов ныне достигает 30 %. Главный недостаток солнечной энергии – малая плотность светового потока. Поэтому фотоэлектричество пока заметно дороже электроэнергии, получаемой традиционными методами. Перспективы солнечной энергетики связаны с преобразованием предварительно сконцентрированного светового излучения. Площадь (и стоимость) солнечных элементов уменьшается пропорционально степени концентрации. При 100-кратной концентрации КПД каскадных солнечных элементов на основе гетероструктур составит 35 %.
Академик Илья Моисеев: «зеленое топливо»
– У химиков свои «счеты» с энергетикой. Химики потребляют в большом количестве не только энергию, но и энергоносители. В свою очередь, химическая промышленность производит такие перспективные энергоносители, как метанол, диметиловый эфир, а также различные добавки к топливу, повышающие его качество. Все виды топлива для транспорта получают сегодня с помощью химической технологии. Водород, самый «чистый» энергоноситель, с которым связано столько надежд – тоже продукт химической промышленности. По мнению ряда специалистов, основным сырьем в химической промышленности вместо нефти и газа скоро станут уголь и биомасса, в том числе – бытовые отходы. В биосфере – около 800 млрд. т биомассы, из них ежегодно обновляется 200 млрд. т. Уже сегодня биоресурсы привлекают внимание как ученых, так и предпринимателей. Только биотоплива (биогаз, биодизель, соя-керосин, кокос-дизель, рапсо-бензин) выпускают сотни тысяч тонн в год. По оценкам, к 2010 году 7 % топлива в ЕС будет «зеленым».