Твердые промышленные и бытовые отходы городов содержат макулатуру, отходы упаковочного материала, древесину, ткани, пищевые отходы, стекло и т.д. Полигоны-свалки для их размещения занимают большие площади, являются источниками токсичных и дурнопахнущих газов, пожароопасны.
На полигонах размещается около 4,5 млн м3 твердых отходов в год. Отходы содержат различные вредные вещества: мышьякк, ртуть, кадмий, свинец, органические токсины, диоксины и т.д. Эти загрязнители с дождевой водой попадают в грунтовые воды.
В ряде стран разработаны установки для сжигания твердых отходов. В Японии их сжигают до 80%, в Швеции – около 60%. Теплота сгорания твердых городских отходов меняется в пределах 7-12 МДж/кг.
Рассмотрим разработанную в США установку для сжигания отходов без предварительной сортировки и измельчения, с максимальным размером отдельных предметов до 1 м (см. рис. 11.4). Содержание влаги в отходах составляет в среднем 23%, инертных веществ и золы – 20%. В отходы могут добавляться отработанные масла, пластмассы, отходы химлабораторий, неразрезанные покрышки и другие резинотехнические изделия, иловые осадки городских сточных вод.
Рисунок 11.4 – Схема установки для сжигания твердых отходов:
1 – газификатор; 2 – зона первичного горения; 3 – подача воздуха; 4 – зона пиролиза; 5 – зона сушки; 6 – подача отходов; 7 – введение отходов; 8 – загрузочное устройство; 9 – газоотвод; 10 – подача вторичного воздуха; 11 – продвижение подсушенных отходов; 12 – продвижение горючих летучих газов; 13 – зона догорания горючих летучих; 14 – слив расплавленных шлаков; 15 – отвод остаточных шлаков
В газификатор 1 твердые отходы подаются загрузочным устройством 8 через бункер 7. Уровень отходов в аппарате поддерживается постоянным. Слой отходов 6 продвигается под действием собственного веса в зону осушки 5 и далее в зону пиролиза (термического разложения) 4. Подогретый до температуры около 1000ºС воздух для горения подводится в нижнюю часть газификатора через патрубок 3.В зоне сжигания коксового осадка и плавления негорючих компонентов 2 образуется жидкий шлак, который непрерывно выводится из аппарата через гидрозатвор в охлаждаемый приемник 14.
Газовый поток, выходящий из газификатора, уносит до 90% теплоты от сжигания твердых отходов. Основные компоненты газового потока – СО, СО2, Н2, углеводороды и водяной пар. Теплота сгорания этих газов на уровне 5-7 МДж/нм3. Газы сжигаются в камере вторичного горения 13, воздух для горения подается через патрубок 10. В камере вторичного горения поддерживается температура 1150-1300ºС. Взвешенные негорючие частицы газового потока при этом плавятся, образуя жидкий шлак, отводимый через сливную систему 15.
Для подогрева воздуха, подаваемого в аппарат, применены регенеративные подогреватели, использующие до 15% объемного расхода отходящих газов. Остальные 85% направляются в котельную, вырабатывающую насыщенный пар с давлением до 6 МПа. Уходящие газы из котельной и системы регенеративного подогрева воздуха имеют температуру 260ºС.
Они поступают в систему газоочистки, включающую электрофильтры и скрубберы. После очистки уходящие газы содержат около 70% N2, 10% СО2, 5% О2 и 15% водяного пара. Шлаки представляют собой стекловидную черную массу, включающую токсичные вещества. Они имеют объем примерно в 10 раз меньше исходного объема твердых отходов, могут быть использованы для дорожного строительства.
Первая установка подобного типа пущена в США в 70-е годы. Она перерабатывала в сутки 68 т твердых отходов. Подобные установки введены позже в Люксембурге, Франции, ФРГ. Термическое разложение и шлакование твердых отходов, помимо использования дополнительных энергоресурсов, решает также экологически важную задачу сокращения площадей под городские свалки и загрязнения ими атмосферного воздуха и грунтовых вод.
Контрольные вопросы
1. Перечислите виды биотоплива.
2. Каковы запасы и перспективы энергетического использования древесины?
3. Каковы перспективы использования торфа в Северо-Западном регионе России?
4. Что такое биогаз?
5. Каковы возможности энергетического использования полевых культур?
6. Из чего получают синтетическое жидкое и газовое топливо?
7. Как устроены топки с кипящим слоем?
8. В чем состоят особенности установок для сжигания иловых осадков?
9. Как устроены установки для сжигания твердых отходов?
12. ТЕХНОЛОГИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
12.1 Технологии использования гелиоэнергетических
ресурсов
Современные технологии использования солнечной энергии развиваются по двум основным направлениям – преобразование лучистой энергии Солнца в тепло и электричество.
Простейшим способом использования солнечной энергии является нагрев воды в плоских солнечных коллекторах. Эффективный солнечный водонагреватель был изобретен в 1909 году, ис тех пор технология преобразования солнечной энергии в тепловую постоянно совершенствовалась. Достоинствами технологии являются сравнительно высокий КПД и небольшая стоимость гелиоустановок.
В ряде стран солнечные водонагревательные установки стали обычным атрибутом жизни. Так, например, в Израиле горячее водоснабжение 80% всех жилых домов обеспечивается солнечными водонагревателями, что дает экономию более 5% производимой в стране электроэнергии. Многие десятки фирм-производителей различных типов солнечных коллекторов и водонагревательных установок успешно действуют в Европе, Америке, Австралии и других регионах мира. Суммарная площадь установленных в наше время солнечных коллекторов в мире превышает уже 50 млн м2, что эквивалентно замещению традиционных источников энергии в объеме примерно 5-7 млн т у.т. в год [104].
Более современными являются технологии преобразования солнечной энергии в электрическую. При этом солнечная радиация может быть преобразована в электроэнергию непосредственно или косвенно.
Косвенное преобразование осуществляется путем концентрации радиации с помощью следящих зеркал с последующим превращением воды в пар и генерированием электрической энергии традиционным способом.
Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую осуществляется с помощью термоэлектрических или фотоэлектрических преобразователей.
Работа термоэлектрических преобразователей основана на эффекте Зеебека – возникновении термоЭДС на концах двух спаянных проводников разного химического состава, помещенных в среду с разными температурами. В современных термоэлектрических генераторах используются полупроводниковые термоэлементы, которые для увеличения мощности соединяются в последовательные цепочки. Термоэлектрические генераторы применяются в качестве автономных источников питания для потребителей небольшой мощности – маяков, морских сигнальных буев и т.п.
Наиболее перспективным способом прямого преобразования энергии излучения Солнца вэлектроэнергию в настоящее время является применение полупроводниковых фотоэлектрических элементов. Простейший солнечный элемент состоит из двух соединенных между собой кремниевых пластин. Падающий на верхнюю пластину свет выбивает из нее электроны, которые, перемещаясь на нижнюю пластину, создают ЭДС элемента. Несколько объединенных фотоэлектрических преобразователей представляют собой солнечную батарею. Напряжение солнечных батарей достигает десятков вольт, а мощность – десятков киловатт.
Современные фотоэлектрические преобразователи изготавливаются из химически чистого кристаллического кремния, широко распространенного в земной коре элемента, – это песок, кварц. КПД кремниевых фотоэлектрических преобразователей составляет 12-17%, в лабораторных условиях на некоторых полупроводниках достигнута эффективность 40%.
Основным достоинством солнечных батарей является абсолютная экологическая чистота получения электроэнергии, большой срок службы, практическое отсутствие эксплуатационных расходов.
Практическое использование солнечных батарей в энергетических целях началось с 1958 года с запуском первых искусственных спутников Земли. Солнечные батареи являются основным источником энергоснабжения космических аппаратов и орбитальных станций. На Луне дольше года работал «Луноход», питаемый от солнечных батарей, а площадь фотоэлементов станции «Мир» составляла больше сотни квадратных метров.