на применение современных европейских технологий по сжиганию твердых бытовых отходов и их эколого-энергетическую безопасность

Заключение комиссии Общественного совета при Росприроднадзоре по твердым бытовым и промышленным отходам

на применение современных европейских технологий по сжиганию твердых бытовых отходов и их эколого-энергетическую безопасность

Одновременно с развитием мегаполисов на их территории возникает дефицит энергоресурсов и новые требования к их качеству, в том числе к экологической безопасности при производстве электроэнергии. Связано это тем, что объекты теплоэнергетики являются крупнейшими, после автотранспорта, загрязнителями атмосферы, а их размещение, преимущественно в крупных промышленных центрах, входит в противоречие с требованиями по охране окружающей среды, в т.ч. по степени очистки отходящих газов. Однако, повышение степени очистки отходящих газов теплоэлектростанций (ТЭС), неизбежно приведет к значительному росту тарифов для всех категорий потребителей, как это произошло в развитых странах мира. Одно из возможных частных решений проблемы экологизации производства электроэнергии на ТЭС состоит в развитии экологически безопасных альтернативных несетевых генерирующих мощностей в коммунальной энергетике. Такими генерирующими мощностями малой энергетики являются, например, тепло-утилизационные установки современных мусоросжигательных заводов.

Вопрос использования твердых бытовых отходов (ТБО) в качестве топлива рассматривается с тех пор, как началось сжигание ТБО. Периодическое возвращение к этому вопросу связано с тем, что, во-первых, разрабатываются новые методы промышленной пе­реработки ТБО, во-вторых, совершенствуются методы сжигания и использования тепла и, в-третьих, периодически меняется конъюнк­тура топлива на рынке. В разных странах складываются свои особенности, причем методы переработки ТБО, приемлемые в одной стране, зачастую неприемлемы в другой. В настоящее время, в связи с ратификацией Россией «Киотского протокола», активно обсуждается фактор влияния процесса сжигания всех видов топлива, в том числе и ТБО, на эмиссию парниковых газов в атмосферу Земли.

Распространенные заблуждения по поводу выбросов опасных газообразных соединений с потоками дымовых газов мусоросжигательных заводов, полностью оправданы лишь по отношению к технологиям мусоросжигания тридцатилетней давности. Реализованные, на тысячах мусоросжигательных заводов по всему миру, современные системы очистки потоков отходящих газов от опасных соединений, успешно и безаварийно работают уже много лет.

Аппараты систем химической и механической газоочистки и технологии их эксплуатации отработаны многолетней промышленной практикой, как на мусоросжигательных заводах, так и на предприятиях химической промышленности. За десять лет эксплуатации мусоросжигательных заводов Москвы под непрерывным государственным и общественным контролем не было зафиксировано ни одного случая превышения нормативных показателей по газовым выбросам не только диоксинов, фуранов, ртути, свинца, кадмия, хлора, фтора, брома, но и многих других строго нормируемых соединений.

Строительство мусоросжигательного завода, с традиционной паротурбинной теплоутилизационной установкой (ПТУ), для областного города с населением 500-700 тыс. чел., помимо решения экологических проблем, позволяет обеспечить выработку тепловой энергии в количестве около 500000 Гкал.год, что эквивалентно тепловой энергии, получаемой от сжигания природного газа в объеме до 70 млн. нм³/год. Если использовать в ПТУ теплоту от сжигания всех ТБО такого города для выработки электроэнергии, то за счет нее можно покрыть не менее 8,2 % годового расхода электрической энергии на одного жителя города из расчета потребляемых им ~ 9000 МДж/год.

Таким образом, при создании современных экологически безопасных МСЗ могут быть решены следующие важные для российских городов проблемы создания систем обращения с отходами:

- резко сокращены потребности городов в землеотводе под полигоны ТБО,

- улучшена экологическая ситуация в сфере обращения с ТБО;

- снижены затраты бюджетов на содержание системы обращения с ТБО;

- обеспечена экономия потребления природного газа за счет генерации энергии на МСЗ.

Сжигание отходов производства и потребления, помимо сокращения их объема в 10-12 раз и массы в 4 раза, позволяет получать дополнительные энергетические ресурсы, которые могут быть использованы для централизованного отопления и производства электроэнергии на территориях, примыкающих к мусоросжигательным заводам (МСЗ).

Общеизвестно, что стоимость производства энергии на крупных энергопредприятиях всегда ниже, чем на малых ТЭС, типа МСЗ. Однако, при оценке стоимости производства тепла и электроэнергии в системе обращения с отходами следует сначала уточнить, что мы понимаем под стоимостью производства энергии на МСЗ.

Сжигание отходов изначально не было предназначено для производства энергии. Следовательно, необходимо произвести расчет затрат на то, чтобы эта энергия стала используемой. В самом общем виде технологические циклы на любой ТЭС, в том числе и на мусоросжигательном заводе, состоят из цикла доставки и подготовки топлива (ТБО), цикла сжигания топлива (ТБО) и цикла утилизации тепла отходящих газов. Естественно, что в каждом из циклов выполняются как экологические, так и специфические энергопроизводящие операции. При сжигании отходов без производства энергии необходимо охладить поток отходящих газов для его дальнейшей обработки. Дополнительные капитальные затраты на энергопроизводство должны быть уточнены, то есть из них следует вычесть, например, стоимость градирни, которая была бы обязательным элементом МСЗ при отсутствии энергопроизводства. В то же время большая часть затрат на производство энергии при сжигании отходов относится не к энергопроизводящим операциям, а к экологическим. Согласно нашим расчетам, при учете тарифных платежей, отпускная цена тепла и электроэнергии, вырабатываемых на МСЗ, опускается ниже стоимости тепловой или электроэнергии, производимой на электростанциях, по причине того, что большая часть затрат оплачивается за счет тарифа на обезвреживание отходов. Отсюда следует, что тарифная политика местных администраций на территориях расположения МСЗ должна строиться с учетом возможности снабжения населения энергоресурсами от МСЗ по более низким ценам, чем от сетевых поставщиков. Реализация такой политики в мегаполисах позволит в значительной степени избавиться и от дефицита энергии и от полигонного захоронения за счет строительства локальных теплоэлектростанций работающих на местном возобновляемом топливе – ТБО. Однако, для этого необходимо преодолеть исторически сложившееся негативное отношение населения и региональных администраций к МСЗ. Причины такого отношения во многом ушли в прошлое, т. к. современные МСЗ оснащены высокоэффективными природоохранными системами. В то же время выявление новых факторов влияния процесса сжигания ТБО на окружающую среду, в данном случае на эмиссию парниковых газов в атмосферу Земли, вновь приводит к общественному беспокойству.

Проводя сравнение термических методов обезвреживания ТБО по их влиянию на парниковый эффект, на первом этапе проведем сравнение с базовой ситуацией (с полигонным захоронением отходов) технологии сжигания ТБО без рекуперации энергии, а затем технологии сжигания с рекуперацией энергии. На втором этапе сравним технологию сжигания с рекуперацией с технологией сжигания без рекуперации.

Как известно, только часть содержащегося в отходах углерода имеет современное органическое происхождение, сжигание которого, как считается, не производит парникового эффекта в сравнении с базовым решением. Если отходы сжигаются без рекуперации тепла, то при сжигании одной тонны отходов выделяется примерно 90 кг углерода. Если тепло утилизируется, то при сжигании одной тонны отходов производится 1700 кВт/ч тепла, более или менее эффективно используемого в виде пара. Чтобы получить такое количество тепла в котельной с КПД 85 %, пришлось бы сжечь определенное количество газа, содержащего 112 кг углерода или определенное количество мазута, содержащего 172 кг углерода, что на 20 или соответственно 80 кг превышает количество углерода, содержащегося в этой тонне отходов. Если тепло используется для получения электричества, то это позволит предупредить выброс в атмосферу 260 кг углерода, в том случае если для производства электроэнергии применяется уголь, при производстве электроэнергии на атомных электростанциях выбросы углерода отсутствуют.

Кроме того, складирование оставшейся части твердых отходов после сжи­гания экологически более безопасно, требует значительно меньшей площади и, в перспективе, вообще не потребуется, так как уже сегодня в промышленном объеме реализованы технологии экологически безопасного использования золошлаковых отходов МСЗ в качестве наполнителя при производстве бетонных изделий.

По нашим оценкам, при стоимости 1 барреля нефти выше 40 USD, рентабельность производства подавляющего числа товаров, производимых из вторичных материальных ресурсов содержащихся в ТБО, значительно уступает рентабельности производства энергии, т. е. киловатт/часа. Даже при нынешних, паротурбинных схемах производства энергии на МСЗ, если использовать теплоту от сжигания ТБО для выработки электроэнергии, то за счет нее можно покрыть не менее 8,2 % годового расхода электрической энергии на одного жителя крупного российского города из расчета потребляемых им ~ 9000 МДж/год. Вопреки расхожему мнению об опасности МСЗ, современные мусоросжигательные заводы (МСЗ) оснащаются столь серьезными и мощными аппаратами для очистки отходящих газов от пылевидных отходов и химически опасных газообразных компонентов, что стоимость таких сооружений часто достигает 50% от общей стоимости МСЗ. Количество экологически безопасных МСЗ в мире увеличивается вдвое каждые 10 лет, общая мощность генерации на них превышает на сегодня 100ГВт [1], а в стране, где сосредоточены более 1500 МСЗ (в России их 3), самая высокая на планете продолжительность жизни. Речь идет о Японии, которая полностью импортирует ископаемое углеводородное топливо и потому широко развивает альтернативную энергетику.

Для сравнительного анализа технологий экологически безопасной выработки электрической энергии оценим эколого-энергетическую безопасность современных МСЗ и ТЭЦ, по такой удельной характеристике, как загрязнение атмосферы, в миллиграммах, при производстве 1 кВт/ч по формуле:

К (г/ кВт•ч) = G (т)(за год)/ Q (млн. кВт•ч) (за год)..

При проведении анализа использовались фактические данные по МСЗ №2 (г. Москва) и МСЗ №4 (г. Москва) за 2010 г., а для ТЭЦ ОАО «Мосэнерго» использовались данные из официальных источников за 2010 г. [2].

Набор нормируемых характеристик включал в себя данные о выбросах диоксида азота (NO₂), диоксида серы (SO₂), пентаоксида ванадия (V₂O₅), пылевидных твердых веществ (тв). Сведения о других компонентах в выбросах ТЭЦ отсутствуют, хотя информация о наличии в составе мазутов солей хлора, железа и т.п., а также о содержании ртути в природном газе имеется в литературе [3,4]. Так, например, содержание хлорида магния в сырой нефти достигает 2мг/литр. Эта величина, незначительно изменяясь по технологической цепи производства топочного мазута (увеличиваясь при ректификации и уменьшаясь под влиянием паровой обработки мазута), определяет содержание хлора в топочном мазуте ТЭЦ Москвы и, в конечном итоге в топочных газах, где концентрация хлора по нашим оценкам составит приблизительно 2мг/м³.

Таким образом, каждый кВт/ч электроэнергии, произведенной на ТЭЦ, приводит к выбросам хлора в атмосферу города с концентрацией в разы превышающей нормативы (0,1 мг/м³ для воздуха рабочей зоны, 0,03 мг/м³- среднесуточная доза). Вероятность возникновения рекомбинантных полициклических галогеносодержащих соединений, в том числе из гомологического ряда хлорсодержащих диоксинов, здесь соответствует вероятности их образования в котлоагрегатах МСЗ. При этом, размер экологического влияния мазутных ТЭЦ на воздушный бассейн Москвы несравнимо больше, чем МСЗ, ибо объемы выбросов различаются на четыре порядка, а очистка отходящих газов от диоксинов на ТЭЦ не предусмотрена. В отличие от МСЗ, содержание этих компонентов и продуктов их сгорания в котлоагрегатах ТЭЦ законодательно не нормируется в России, поэтому официальной информации о выбросах диоксинов ТЭЦ, работающими на мазуте, в государственных надзорных органах нет, замеры таких выбросов регламентами не предусмотрены и никогда не проводились.

Необходимые для нашего анализа данные о типе используемого на каждой ТЭЦ топлива, а также о выработанной электроэнергии и совпадающих по набору выбросах загрязняющих веществ ТЭЦ и МСЗ за 2010г. представлены в табл. 1. Данные о количестве ежегодно использованного топочного мазута каждой ТЭЦ также не публикуются.

Результаты расчета удельного показателя К для диоксида азота (NO₂), диоксида серы (SO₂), пентаоксида ванадия (V₂O₅), твердых веществ (тв) представлены в виде графиков на рис.1 (А-Г)

Таблица 1

Выработанная электроэнергия, тип топлива и выбросы ТЭЦ и МСЗ.

2,5
N
Рис. 1.Удельный показатель К (г/ кВт•ч) для диоксида азота (А), диоксида серы (Б), пентаоксида ванадия (В), твердых веществ (Г). N – номер предприятия в соответствии с табл.1.

Результаты расчетов показали, что по диоксиду серы и пентаоксиду ванадия, в пределах фактической выработки электроэнергии, оборудование МСЗ обеспечивает степень очистки в расчете на один кВт•ч выбросов в разы большую, чем на ТЭЦ. Величина удельного показателя К по диоксиду азота и твердым веществам находится на уровне газо-мазутных и угольно-мазутных ТЭЦ (N - 1,3,12 из табл.1). При этом, фактическая концентрация нормируемых компонентов в дымовых газах МСЗ [3,4] в 2-3 раза ниже, чем в выбросах указанных ТЭЦ [2].

Кроме того, системы генерации электроэнергии на московских МСЗ обладают низкой энергоэффективностью. Так, на МСЗ №2 при производительности 160 000 т ТБО в год на 1 тонну ТБО вырабатывается 102,5 кВт•ч, а на МСЗ №4 при производительности 250 000 т ТБО в год – 240 кВт•ч.

Установленное на московских МСЗ генерирующее оборудование относится к 80-м годам прошлого века, но за прошедшее время произошел весьма значительный качественный скачок в генерирующем оборудовании. Оборудование нового поколения позволяет в 2 и более раз увеличить выработку электроэнергии на 1 тонну ТБО, доведя ее до 750 кВт/ч на тонну.

Учитывая вышеизложенное для МСЗ существует потенциальная возможность снижения удельного показателя К для диоксида азота, твердых веществ при увеличении выработки кВт•ч на 1 тонну ТБО.

Для сравнения суммарного выброса в атмосферу используем безразмерный показатель Ф, который представляет соотношение концентрации загрязняющего вещества в выбросах к предельно - допустимой концентрации [5]. Сумму показателей Ф будем считать оценкой экологической безопасности предприятия по выбросам. Для рассматриваемых предприятий отнесем показатель к единице выработанной энергии. Полученное таким образом значение можно считать эколого-энергетического критерием безопасности генерирующего предприятия.

Результаты расчета эколого-энергетического критерия Э для МСЗ и ТЭЦ представлены в виде диаграммы на рис.2.

Рис. 2. Расчетэколого-энергетического критерия Э для МСЗ и ТЭЦ

N – номер предприятия в соответствии с табл.1.

Из приведенных данных видно, что при увеличении выработки электроэнергии на 1 тонну ТБО около 720 кВт•ч удельные выбросы МСЗ будут чище удельных выбросов любой ТЭЦ (N - 16). Следовательно, замещение электроэнергии, произведенной на мазутных и угольных ТЭЦ Москвы, электроэнергией произведенной на МСЗ позволит снизить антропогенную нагрузку на атмосферу мегаполиса, одновременно решая задачу санитарной очистки территории от ТБО. При этом, необходимо при проектировании новых МСЗ закладывать в проекты максимально возможную энергетическую эффективность, как важное условие экологической безопасности.