Переработка твёрдых бытовых отходов для выработки тепловой и электрической энергии. Переработка отходов в энергию и получение энергии из отходов Есть ли выгода, опыт России и других стран

Биогаз – это источник плодородия огорода. Из нитритов и нитратов, содержащихся в навозе и отравляющих ваш урожай, получается чистый азот, который так необходим растениям. При переработке навоза в установке погибают семена сорняков, и при удобрении огорода метановым флюентом (переработанным в установке навозом и органическими отходами) у вас будет уходить гораздо меньше времени на прополку.

Биогаз – доходы из отходов. Пищевые отходы и навоз, которые скапливаются в хозяйстве, являются бесплатным сырьем для биогазовой установки. После переработки мусора вы получаете горючий газ, а также высококачественные удобрения (гуминовые кислоты), являющиеся основными составляющими чернозема.

Биогаз – это независимость. Вы не будете зависеть от поставщиков угля и газа. А еще экономите деньги на этих видах топлива.

Биогаз – это возобновляемый источник энергии. Метан можно использовать для нужд крестьянских и фермерских хозяйств: для приготовления пищи; для подогрева воды; для отопления жилищ (при достаточных количествах исходного сырья – биоотходов) .

Сколько же можно получить газа из одного килограмма навоза? Исходя из того, что на кипячение одного литра воды расходуется 26 литров газа:

С помощью одного килограмма навоза крупного рогатого скота можно вскипятить 7,5-15 литров воды;

С помощью одного килограмма навоза свиней – 19 литров воды;

С помощью одного килограмма птичьего помета – 11,5-23 литра воды;

С помощью одного килограмма соломы зернобобовых можно вскипятить 11,5 литров воды;

С помощью одного килограмма картофельной ботвы – 17 литров воды;

С помощью одного килограмма ботвы томатов – 27 литров воды.

Неоспоримое преимущество биогаза – в децентрализованном производстве электроэнергии и тепла.

Процесс биоконверсии кроме энергетической позволяет решить еще две задачи. Во-первых, сброженный навоз по сравнению с обычным применением, повышает на 10-20% урожайность сельскохозяйственных культур. Объясняется это тем, что при анаэробной переработке происходит минерализация и связывание азота. При традиционных же способах приготовления органических удобрений (компостированием) потери азота составляют до 30-40%. Анаэробная переработка навоза в четыре раза - по сравнению с несброженным навозом - увеличивает содержание аммонийного азота (20-40% азота переходит в аммонийную форму). Содержание усвояемого фосфора удваивается и составляет 50% общего фосфора.

Кроме того, во время сбраживания полностью гибнут семена сорняков, которые всегда содержатся в навозе, уничтожаются микробные ассоциации, яйца гельминтов, нейтрализуется неприятный запах, т.е. достигается актуальный на сегодня экологический эффект.

3. Энергетическое использование отходов водоочистки в соединении с ископаемым топливом.

В странах Западной Европы более 20 лет активно занимаются практическим решением проблемы утилизации отходов водоочистных сооружений.

Одной из распространенных технологий утилизации ОСВ является их использование в сельском хозяйстве в качестве удобрений. Ее доля в общем количестве ОСВ колеблется от 10% в Греции до 58% во Франции, составляя в среднем 36,5%. Несмотря на популяризацию этого вида утилизации отходов (например, в рамках постановления ЕС 86/278/ЕС), он теряет привлекательность, поскольку фермеры опасаются накопления на полях вредных веществ. В настоящее время в ряде стран использование отходов в сельском хозяйстве запрещено, например, в Голландии с 1995 г.

Сжигание отходов водоочистки занимает третье место по объемам утилизации ОСВ (10,8%). В соответствии с прогнозом в перспективе его доля будет возрастать до 40%, несмотря на относительную дороговизну этого способа. Сжигание осадка в котлах позволит решить экологическую проблему, связанную с его хранением, получить дополнительную энергию при его сжигании, а, следовательно, снизить потребность в топливно-энергетических ресурсах и инвестициях. Полужидкие отходы целесообразно использовать для получения энергии на ТЭЦ в качестве добавки к ископаемому топливу, например, углю.

Выделяют две наиболее распространенные западные технологии сжигания отходов водоочистки:

Раздельное сжигание (сжигание в жидком кипящем слое (ЖКС) и многоступенчатые топки);

Совместное сжигание (на существующих ТЭЦ, использующих уголь, или на цементных и асфальтовых заводах) .

Среди способов раздельного сжигания популярным является использование технологии жидкого слоя, наиболее успешно эксплуатируются топки с ЖКС. Такие технологии позволяют обеспечить устойчивое горение топлива с большим содержанием минеральных составляющих, а также снизить содержание окислов серы в уходящих газах за счет связывания их в процессе горения известняком или щелочноземельными металлами, содержащимися в золе топлива.

Нами изучено семь альтернативных вариантов утилизации осадка сточных вод, основанных как на новых нетрадиционных технологиях, разработанных на базе российского или европейского опыта и не имеющих практического использования, так и на законченных “под ключ” технологиях:

1. Сжигание в циклонной топке на основе имеющихся, но не используемых барабанных сушильных печей очистных сооружений (российская технология - «Техэнергохимпромом», г. Бердск);

2. Сжигание в циклонной топке на основе имеющихся, но не используемых барабанных котлов очистных сооружений (российская технология - «Сибтехэнерго», Новосибирск и «Бийскэнергомаш», Барнаул);

3. Раздельное сжигание в многоступенчатой топке нового типа (западная технология - «NESA», Бельгия);

4. Раздельное сжигание в топке с кипящим слоем нового типа (западная технология - «Segher» (Бельгия);

5. Раздельное сжигание в новой циклонной топке (западная технология - фирмы «Steinmuller» (Германия);

6. Совместное сжигание на имеющейся ТЭЦ, работающей на угле; хранение высушенных отходов в хранилище .

В варианте 7 предполагается, что, после сушки до 10% содержания влаги и термической обработки, отходы водоочистки в размере 130 тыс. т в год биологически безопасны и будут храниться на площадях рядом с очистными сооружениями. Здесь учитывалось создание на водоочистных сооружениях замкнутой системы обработки воды с возможностью ее расширения при увеличении объемов обрабатываемых отходов, а также необходимость построения системы подачи отходов. Затраты по этому варианту сопоставимы с вариантами сжигания отходов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Одной из главных задач развитых стран является рациональное и экономное использование энергии. Особенно это касается нашего государства, где сложилась тяжелая ситуация с топливно-энергетическими ресурсами. В связи с высокими ценами и ограниченными запасами нефти, газа и угля возникает проблема поиска дополнительных энергетических ресурсов.

Одним из эффективных способов получения энергии в будущем может стать использование в качестве топлива твердых бытовых отходов. Использование тепла, получаемого при сжигании твердых бытовых отходов, предусматривается для выработки электроэнергии.

Среди возобновляемых источников энергии на основе сельскохозяйственных отходов биомасса является одним из перспективных и экологически чистых заменителей минерального топлива при производстве энергии. Полученный в результате анаэробной переработки навоза и отходов в биогазовых установках биогаз, может идти на отопление животноводческих помещений, жилых домов, теплиц, на получение энергии для приготовления пищи, сушку сельскохозяйственных продуктов горячим воздухом, подогрев воды, выработку электроэнергии с помощью газовых генераторов. Общий энергетический потенциал использования отходов животноводства на основе производства биогаза очень велик и позволяет удовлетворить годовую потребность сельского хозяйства в тепловой энергии.

Полужидкие отходы водоочистки целесообразно использовать для получения энергии на ТЭЦ в качестве добавки к ископаемому топливу, например, углю.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бобович Б.Б., Рывкин М.Д. Биогазовая технология переработки отходов животноводства / Вестник Московского государственного индустриального университета. № 1, 1999.

2. Шен М. Компогаз - метод брожения биоотходов / “Метроном”, № 1-2, 1994, с.41.

3. Оценка энергетического потенциала использования отходов в Новосибирской области: Институт энергоэффективности. - http://www.rdiee.msk.ru.

4. Федоров Л., Маякин А. Теплоэлектростанция на бытовых отходах / «Новые технологии», № 6 (70), июнь 2006 г.

Получение энергии от живых существ у многих вызывает примитивные ассоциации — с лошадью, везущей груз, или хомячком, крутящим через свое колесо небольшую динамо-машину. Кто-то еще вспомнит школьный опыт с воткнутыми в апельсин электродами, образующими эдакую «живую батарейку»… Однако гораздо эффективнее в этом плане труд куда более меньших наших «братьев» — бактерий!

«Мусорная проблема» в масштабах планеты гораздо существеннее, чем может показаться обывателю, несмотря на то, что она не столь явная, как иные экологические ужасы, о которых любят рассказывать в разного рода «скандалах-сенсациях-расследованиях». 26 миллионов тонн в год – это только Москва и только бытовой мусор! И даже если мы будем все прилежно сортировать и затем перерабатывать, количество органических отходов от этого не уменьшится, поскольку они составляют около 70% всей производимой человечеством дряни. И чем более развита экономика страны – тем больше органических бытовых отходов. Никакой переработкой эту ужасающую массу не победить. А ведь помимо бытовых отходов, существуют огромные объемы отходов промышленных – сточные воды, отходы пищевых производств. В них тоже заметное количество органики.

Перспективное направление борьбы с органическими отходами, заваливающими планету – это микробиология. То, что не доедают люди – доедят микробы Сам принцип известен давным-давно. Однако сегодня проблема состоит в его эффективном использовании, над чем и продолжают работать ученые. «Скормить» микробам в банке недоеденный гамбургер – легко! Но этого мало. Нужна технология, которая позволит бактериям быстро и продуктивно перерабатывать тысячи и миллионы тонн мусора без лишних затрат, без дорогостоящих конструкций и катализаторов, своей стоимостью сводящих на нет итоговый коэффициент полезного действия этого процесса. Увы, большинство технологий, использующих бактерии для перерработки мусора сегодня, либо невыгодны, либо малопродуктивны, либо плохо поддаются масштабированию.

К примеру, одна из достаточно известных и хорошо отработанных технологий переработки отходов с помощью бактерий – это знакомый многим зарубежным фермерам метод выработки биогаза. Навоз скота перегнивает с использованием микробов, выделяющих при этом метан, который собирается в огромном мешке-пузыре. Система работает и производит газ, пригодный для отопления той же фермы через электроэнергию, порождаемую газотурбинным генератором, либо непосредственно при сжигании. Но такой комплекс чисто технологически нельзя масштабировать. Для фермы или поселка годится, для большого города – уже нет. Плюс в городских отходах, в отличие от навоза, много токсичных компонентов. Эти токсичные вещества точно так же оказываются в газовой фазе, как и полезный метан, и итоговый «микс» получается сильно загрязненным.

Впрочем, наука не стоит на месте – одна из перспективнейших технологий, которые сейчас интересуют ученых всего мира (включая, вероятно, и пресловутых британских) – это использование так называемых «электрообразующих бактерий», которые являются одними из лучших пожирателей отходов, попутно производя во время этого малоприятного с человеческой точки зрения процесса электричество. На поверхности мембраны клетки такой бактерии находится белок цитохром, на котором образуется электрический заряд. В процессе метаболизма бактерия «сбрасывает» электрон на поверхность своей клетки и порождает следующий – и так раз за разом. Микроорганизмы с такими свойствами (например, геобактер) известны достаточно давно, но практического применения их электрические способности не находили.

Что же делают микробиологи? Об этом «Компьютерре» рассказал Андрей Шестаков, научный сотрудник кафедры микробиологии биологического факультета МГУ и руководитель лаборатории микробной биотехнологии:

«Мы берем электрод-анод, покрываем его поверхность клетками электрообразующих микроорганизмов, помещаем вместо водорода в питательную среду, которую нам нужно переработать (мусор, «раствор мусора» – для простоты обойдёмся без деталей), и во время метаболизма этих клеток мы от каждой из них будем получать электроны и протоны.

Далее же все, как в обычном топливном элементе – клетка отдает электрон и протон, протоны отправляются через протонообменную мембрану в катодную камеру ко второму электроду этой батареи, добавляя кислород из воздуха «на выхлопе» мы получаем воду, а электричество снимаем на внешнюю цепь. Это называется «Микробный Топливный Элемент», МТЭ, Microbial Fuel Cell.»

Не лишним будет вспомнить, как устроен и функционирует классический водородно-кислородный топливный элемент. Два электрода, анод и катод (допустим, угольные и покрытые катализатором – платиной), находятся в некой ёмкости, разделенной на две части протонообменной мембраной. На анод мы подаем водород из внешнего источника, который диссоциирует на платине и отдает электроны и протоны. Мембрана не пропускает электроны, но способна пропускать протоны, которые движутся к другому электроду – катоду. К катоду мы подаем также из внешнего источника кислород (или просто воздух), и на нем получаются отходы реакции – чистая вода. Электричество же снимается с катода и анода и используется по назначению. С различными вариациями такая конструкция используется и в электромобилях, и даже в портативных гаджетах для зарядки смартфонов вдали от розетки (такие, например, производит шведская фирма Powertrekk).

В небольшой емкости в питательной среде находится анод с микробами. От катода его отделяет протонообменная мембрана, сделанная из нафиона – под таким фирменным названием этот материал производит компания BASF, не так давно известная всем своими аудиокассетами. Вот оно – электричество, реально созданное живыми микробами! В лабораторном прототипе от него горит один-единственный светодиод через импульсный преобразователь, ибо светодиоду требуются для зажигания 2-3 вольта – меньше, чем выдает МТЭ. Хотя к лаборатории микробной биотехнологии МГУ в глубоком подвале приходится довольно долго добираться пыльными и дикими коридорами, она вовсе не является вместилищем допотопного советского научного оборудования, как это происходит с подавляющей частью отечественной науки сегодня, а неплохо оснащена современной импортной техникой.

Как и любой топливный или гальванический элемент, МТЭ выдает небольшое напряжение – около одного вольта. Ток же напрямую зависит от его габаритов – чем крупнее, тем выше. Поэтому в промышленных масштабах предполагаются достаточно крупногабаритные установки, соединенные последовательно в батареи.

По словам Шестакова, разработки в этой области начались около полувека назад:

«Микробные генераторы» начали всерьез изучать в НАСА в шестидесятые годы, не сколько как технологию получения энергии, сколько как эффективный принцип переработки отходов жизнедеятельности в замкнутом пространстве космического корабля (уже тогда, насколько это возможно, пытались оградить космос от мусора, беззастенчиво продолжая загаживать Землю…!) Но технология родилась и после этого фактически много лет пребывала в коматозном состоянии, мало кому нужная в реальности. Однако 4-5 лет назад она получила второе дыхание – поскольку в ней возникла существенная нужда в свете миллионов тонн мусора, заваливающих нашу планету, а также в свете развития разнообразных сопутствующих технологий, предположительно позволяющих сделать микробные топливные элементы не лабораторной экзотикой «настольного формата», а реальными индустриальными системами, позволяющими перерабатывать существенные объемы органических отходов.

Сегодня российские разработки в области МТЭ являются плодом совместных усилий биологического факультета МГУ и компании «М-Пауэр Ворлд» — резидента Сколково, получившей грант на такие исследования и отдавшей микробиологические разработки на аутсорс профильным специалистам, то есть — нам. Наша система уже функционирует и дает реальный ток – задача текущих исследований подобрать максимально эффективное сочетание бактерий и условия, в которых бы МТК можно было бы успешно масштабировать в промышленных условиях и начать применять в индустрии переработки и рециклинга мусора.»

О том, чтобы станции на МТЭ встали в один ряд с уже зарекомендовавшими себя традиционными источниками энергии, пока речи нет. Сейчас у ученых на первом месте стоит задача эффективно переработать биоотходы, а не получить энергию. Просто «так уж вышло», что именно электрообразующие бактерии и являются наиболее «прожорливыми», а значит – эффективными. И электричество, производимое ими в процессе работы – фактически побочный продукт. Его нужно забирать у бактерий и «сжигать», производя какую-то полезную работу для того, чтобы максимально интенсивно шел биопроцесс. По расчетам выходит, что его будет достаточно для того, чтобы мусороперерабатывающие заводы на основе микробных топливных элементов обходились без внешних источников энергии.

Впрочем, в лаборатории Шестакова ведут не только «мусорное» направление, но и другое — чисто энергетическое. Биогенератор несколько иного типа называется «биореакторная топливная ячейка» — он построен на других принципах, нежели МТЭ, но общая идеология получения тока от живых организмов, разумеется, сохраняется. И вот он уже направлен в первую очередь на производство энергии, как таковой.

Что интересно, если микробными топливными элементами, как средствами уничтожения мусора, сейчас в мире занимаются многие ученые, то топливными ячейками – только в России. Так что не удивляйтесь, если когда-нибудь провода от вашей домашней розетки будут вести не к привычным турбинам ГЭС, а к мусорному биореактору.

Проблема мусора знакома не понаслышке любому жителю большого города. Город пытается избавляться от ненужных отходов путем их свалки на специальных территориях. Свалки увеличиваются в размерах и уже наступают на отдельные микрорайоны. В России ежегодно накапливается не менее 40 млн т твердых коммунальных отходов (ТКО). Вместе с тем мусоросжигающие предприятия могут использоваться как дополнительный источник получения электроэнергии.

Первое поколение МСЗ

В Великобритании в конце XIX в. был построен первый мусоросжигательный завод (МСЗ). Первоначально МСЗ использовали для уменьшения объема складируемых на свалках остатков отходов и их обеззараживания. Позднее было обнаружено, что тепло, которое вырабатывает МСЗ, можно сравнить с теплотворной способностью высокозольных бурых углей, и ТКО могут использоваться в качестве топлива для теплоэлектростанций (ТЭС).

Первые мусоросжигательные агрегаты во многом повторяли котельные агрегаты ТЭС: ТКО сжигали на решетках энергетических котлов, а полученное от сжигания отходов тепло использовали для производства пара и последующего получения электроэнергии.

Надо отметить, что бум строительства МСЗ пришелся на период энергетического кризиса 1970-х гг. В развитых странах построили сотни МСЗ. Казалось, проблема утилизации ТКО была решена. Но МСЗ того времени не имели надежных средств для очистки выбрасываемых в атмосферу отработанных газов.

Многие специалисты стали отмечать, что у данной технологии большие минусы. В процессе сжигания образуются диоксины, сооружения по сжиганию отходов также являются одним из основных источников эмиссий ртути, тяжелых металлов.

Поэтому довольно простые по устройству и относительно дешевые МСЗ первого поколения пришлось закрывать либо реконструировать, улучшая и соответственно удорожая систему очистки выбрасываемых в атмосферу газов.

Второе поколение МСЗ

Со второй половины 1990-х гг. в Европе началось сооружение МСЗ второго поколения. Стоимость этих предприятий около 40% составляет стоимость современных эффективных газоочистных сооружений. Но суть процессов сжигания ТКО по-прежнему не изменилась.

Традиционные МСЗ сжигают неподсушенный мусор. Естественная влажность ТКО обычно колеблется в пределах 30-40%. Поэтому значительное количество тепла, выделяющегося при сжигании отходов, расходуется на испарение влаги, и температуру в зоне горения обычно не удается поднять выше 1 000°С.

Шлаки, образующиеся из минеральной составляющей ТКО, при таких температурах получают в твердом состоянии в виде пористой непрочной массы с развитой поверхностью, способной адсорбировать большое количество вредных примесей в процессе сжигания отходов и сравнительно легко выделять вредные элементы при хранении на свалках и полигонах. Корректировка состава и свойств образующихся шлаков невозможны.

Москва планирует установить МСЗ второго поколения

Во всех округах Москвы, кроме Центрального, в ближайшие годы будут построены и реконструированы заводы по переработке и сжиганию мусора. Ожидается, что будут построены МСЗ второго поколения.

Об этом говорится в проекте постановления столичного правительства, одобренном 11 марта 2008 г. За 80 млрд рублей к 2012 г. построят шесть новых мусоросжигательных заводов (МСЗ), реконструируют семь мусороперерабатывающих комплексов и запустят завод по термическому обезвреживанию опасных медицинских отходов. Земельные участки под заводы уже определены.

Сейчас ресурсы областных мусорных полигонов практически исчерпаны. “Через пять лет, если не делать собственных перерабатывающих мощностей, Москва утонет в мусоре”, – говорит Адам Гонопольский, член высшего экологического совета Госдумы. В условиях, когда полигоны закрываются, а предприятия по переработке отходов строить нельзя из соображений экологии, единственным выходом, по его мнению, остаются МСЗ.

Пока москвичи бастуют против строительства новых заводов по сжиганию мусора, столичные власти рассматривают вариант строительства мусоросжигательных заводов не только в Москве, но и на территории Подмосковья. Об этом рассказал Юрий Лужков на встрече с депутатами Мосгордумы в июне 2009 г.

“Почему нам не договориться с Московской областью по размещению таких заводов и увеличению количества полигонов по складированию мусора”, – задал вопрос Юрий Лужков. Он также сообщил, что считает целесообразным разработать городской законопроект, по которому весь мусор перед утилизацией должен проходить сортировку. “Такой закон позволит уменьшить объемы мусора, отправляющегося на заводы по сжиганию и на полигоны с 5 млн т до 1,5-2 млн т в год”, – отметил мэр.

Сортировка мусора может пригодиться и для применения других альтернативных технологий переработки отходов. Но этот вопрос тоже надо решить законодательно.

Новые энергетические возможности МСЗ: европейский опыт

В Европе он уже решен. Прошедшие сортировку отходы являются составной частью снабжения населения электроэнергией и теплом. В частности, в Дании, МСЗ, интегрированные с начала 1990-х гг. в систему электро- и теплоснабжения городов обеспечивают 3% электроэнергии и 18% тепла.

В Голландии на свалки вывозится только около 3% отходов, поскольку в стране с 1995 г. действует специальный налог на отходы, которые вывозятся на специальные полигоны. Он составляет 85 евро за 1 т отходов и делает свалки экономически неэффективными. Поэтому основная масса отходов перерабатывается, а часть превращается в электроэнергию и тепло.

Для Германии считается наиболее эффективным строительство промышленными предприятиями собственных ТЭЦ, использующих отходы собственного производства. Наиболее характерен такой подход для предприятий химической, бумажной и пищевой промышленности.

Европейцы давно придерживаются предварительного разделения отходов. В каждом дворе стоят отдельные контейнеры для различных видов отходов. Этот процесс был законодательно закреплен еще в 2005 г.

В Германии создается до 8 млн т отходов ежегодно, которые могут быть использованы для производства электроэнергии и тепла. Однако из этого количества находит применение только 3 млн т. Но наращивание вводимых мощностей электростанций, работающих на отходах, к 2010 г. эту ситуацию должно изменить.

Эмиссионная торговля заставляет европейцев подойти к утилизации мусора, особенно путем его сжигания, с совершенно иных позиций. Речь уже идет о стоимости снижения выбросов углекислого газа.

В Германии для МСЗ действуют следующие нормативы – расходы по избежанию выброса 1 мг углекислого газа при использовании коммунальных отходов для производства электроэнергии составляют 40-45 евро, а при производстве тепла – 20-30 евро. В то время как эти же расходы при производстве электроэнергии солнечными батареями составляют 1 тыс. евро. Эффективность МСЗ, на которых могут производиться электроэнергия и тепло, по сравнению с некоторыми другими альтернативными источниками энергии ощутима.

Немецкий энергоконцерн E.ON планирует стать ведущей компанией в Европе по добыче энергии из отходов. Цель компании – занять15-25% долю на соответствующих рынках Голландии, Люксембурга, Польши, Турции и Великобритании. Причем главным направлением E.ON считает Польшу, поскольку в этой стране (как и в России) мусор в основном утилизируется на свалках. А предписания ЕС предусматривают в среднесрочном аспекте запрет на подобные свалки в странах сообщества.

К 2015 г. оборот немецкого энергоконцерна в сфере энергетической утилизации мусора должен превысить 1 млрд евро. На сегодня показатели этого одного из ведущих энергетических концернов Германии гораздо скромнее и составляют 260 млн евро. Но даже при таких масштабах E.ON уже считается ведущим утилизатором мусора в Германии, опережая такие фирмы, как Remondis и MVV Energie. Его доля пока составляет 20%, и он управляет девятью мусоросжигательными заводами, которые производят 840 ГВт·ч электроэнергии и 660 ГВт·ч тепла. Еще более крупные конкуренты в Европе находятся на территории Франции.

Надо отметить, что в Германии ситуация с утилизацией мусора радикально изменилась только в 2005 г., когда были приняты законы, запрещающие неконтролируемую свалку отходов. Только после этого бизнес на мусоре стал рентабельным. В настоящее время в Германии ежегодно необходимо перерабатывать примерно 25 млн т мусора, а в распоряжении имеется только 70 заводов мощностью 18,5 млн т.

Российские решения

В России также представлены интересные решения для получения дополнительной электроэнергии из мусора. Промышленная компания “Технология металлов” (г. Челябинск) совместно с ЗАО “НПО “Гидропресс” (г. Подольск) и НП ЗАО “АКОНТ” (г. Челябинск) разработала проект экономичного, многоцелевого плавильного агрегата непрерывного действия “МАГМА” (АПМ “МАГМА”). Данная технология уже опробована в опытно-промышленных условиях технологические схемы его использования.

По сравнению с традиционно применяющимися агрегатами для сжигания ТКО агрегат “МАГМА” и технология высокотемпературной и безотходной утилизации отходов имеют ряд преимуществ, позволяющих снизить капитальные затраты на строительство МЗС по утилизации несортированного мусора. К ним относятся:

Возможность утилизации коммунальных отходов с естественной влажностью, предварительно осушая их перед загрузкой, повышая таким образом температуру сжигания коммунальных отходов и увеличивая количество производимой электроэнергии на тонну сжигаемых отходов до мировых стандартов;

Возможность сжигания коммунальных отходов в атмосфере кислорода на поверхности перегретого шлакового расплава, образующегося из минеральной составляющей коммунальных отходов, достигая температуры газовой фазы в мусоросжигательном агрегате 1800-1900°С, а температуры расплавленного шлака 1500-1650°С и уменьшая общее количество выбрасываемых газов и оксидов азота в них;

Возможность получения из минеральной составляющей коммунальных отходов жидкого кислого шлака, периодически сливая его из печи. Этот шлак прочный и плотный, не выделяет при хранении никаких вредных веществ и может использоваться для производства строительного щебня, шлакового литья и других строительных материалов.

Пыль, уловленная в газоочистке агрегата, специальными инжекторами вдувается обратно в плавильную камеру, в шлаковый расплав и полностью ассимилируется шлаком.

По другим показателям МСЗ, оборудованный агрегатом “МАГМА”, не уступает существующим МСЗ, при этом количество вредных веществ, выбрасываемых с газами, соответствует нормам ЕС и ниже, чем при сжигании коммунальных отходов в традиционно применяемых агрегатах. Таким образом, применение АПМ “МАГМА” позволяет осуществлять технологию безотходной утилизации несортированных коммунальных отходов, не воздействуя негативно на окружающую среду. Агрегат может быть успешно применен также для рекультивации существующих свалок мусора, эффективной и безопасной утилизации медицинских отходов, утилизации изношенных автомобильных шин.

При термической переработке 1 т коммунальных отходов, имеющих естественную влажность до 40%, будет получено следующее количество товарной продукции: электроэнергия – 0,45-0,55 МВт/ч; чугун – 7-30 кг; строительные материалы или изделия – 250-270 кг. Капитальные затраты на строительство мусоросжигательного завода мощностью до 600 тыс. т в год несортированных отходов в условиях города Челябинска составят оценочно 120 млн евро. Срок окупаемости инвестиций от 6 до 7,5 года.

Проект “МАГМА” по переработке твердых промышленных отходов в 2007 г. поддержан решением Комитета по экологии ГД РФ.

Публикации

Какой будет наша страна, город, планета через несколько десятков лет. Станет ли это все облагороженным участком земли или постоянно увеличивающаяся свалка доберется до наших домов и подъездов? В развитых странах переработка бытового мусора используется уже более 40 лет, а для России это все еще новинка.

О самых современных технологиях переработки мусора нам практически ничего не известно. На вопросы отвечает Лопатухин Андрей, консультант компании ALECON, занимающейся внедрением систем гидросепарации Твердых Бытовых Отходов (ТБО) в СНГ.

Что представляет собой технология гидросепарации ТБО?

Процесс гидросепарации осуществляется следующим образом: несортированный мусор подается на движущуюся ленту транспортера. Лента движется под очень сильным магнитом, к которому прилипают металлические отходы, после этого мусор оказывается в барабане с отверстиями различного диаметра, и отходы сортируются по размерам. Мелкие и крупные фракции направляются по разным лентам, которые опускаются в резервуар, заполненный водой. Затем более легкий мусор поднимается на поверхность, и при помощи вентилятора пакеты сортируются в одну емкость, а бутылки в другую. Затем эта часть мусора подготавливается к вторичному этапу переработки, а из мусора, который опустился на дно – органических остатков – вырабатывают биогаз в биореакторе.

Полученная при помощи сжигания биогаза энергия, удовлетворяет нужды завода, 60-70% энергии идет на продажу. 80-85% от всего объема мусора перерабатывается. Завод имеет модулярную конструкцию от 300 т мусора в сутки, можно увеличивать производительность до 2000 т в сутки и выше. Из отходов – получаем доходы! Из органических отходов вырабатывается биогаз и зеленое электричество!

Каков энергетический ежегодный потенциал ТБО в России, где он сконцентрирован? Может ли переработка ТБО решить энергетические задачи?

Не учитывая множества стихийных свалок, лишь в ЦФО потенциал накопленных ТБО ежегодно приравнивается к 250000 т. Наиболее крупные полигоны для сегодняшних технологических проектов по извлечению метана являются первоочередными. Они сконцентрированы в Центральном Федеральном Округе – 4 свалки, в Туле – 1, в Московской области – 3, в Южном Федеральном Округе – 1, в Северо-Западном – 2, в Уральском Федеральном Округе – 2, в Приволжском – 6 свалок, в Дальневосточном – 1 и в Сибирском Федеральном Округе – 3 свалки.

Может ли переработка ТБО способствовать решению энергетических задач?

Безусловно! Как показали расчеты, на уличных свалках вырабатывается метан в объеме 858 млн. т в год, биогаз – 1715 млн. т.

Какова величина органической части в отходах? Что происходит с неорганической частью в предлагаемой гидросепаративной технологии?

В отходах есть как неорганические, так и органические вещества, которые обладают разной степенью разложения. Содержание органической массы в отходах равняется 35-60% по весу от всего количества мусора. В ходе переработки неорганические ресурсы получают вторую жизнь. Например, цветные и черные металлы переплавляются, стекло используется в строительстве, а из пластика производится много полезных предметов для использования в хозяйстве.

Каковы преимущества метода гидросепарации ТБО перед другими способами плазменного пиролиза и перекрытий полигонов ТБО с получением энергии на основе свалочного газа? Какова его рыночная ниша?

Главным преимуществом технологии гидросепарации ТБО в сравнении с иными методами плазменного пиролиза является большая экономичность и скорая окупаемость предприятия, замкнутый цикл технологии и экологичность. Для обустройства завода нужна площадь в 2 га и сравнительно небольшие инвестиционные вложения, которые окупятся за пять лет.

Из биогаза получают электрическую энергию , часть которой идет на собственные нужды, а часть – на продажу. Органическая масса, преобразуясь после переработки в биореакторе в компост, является отличным экологически чистым удобрением для выращивания в теплицах зелени, овощей.

Так как при использовании плазменного пиролиза нужно много электроэнергии, то по затратам она приравнивается к методу сжигания ТБО. Все заводы, функционирующие по пиролизной технологии, не обеспечивают необходимого решения проблем ТБО по следующим причинам:

Большой процент вторичных отходов, засоряющих окружающую среду;

Низкая производительность. Во всем мире очень мало заводов, мощность которых более 300 т в сутки;

Невысокая энергетическая отдача отходов;

Дороговизна строительства заводов и текущих расходов при переработке.

Для обеспечения экологической чистоты технологического цикла, нужна установка дорогих газовых фильтров и уловителей дыма.

Технология производства свалочного газа с перекрытием полигонов ТБО характеризуется множеством показателей по загрязнению окружающей среды. Токсичная жидкость «фильтрат», скапливаясь в недрах, оказывается в грунтовых водах и водоемах, отравляя их. Кроме того, на подобных полигонах замедляется процесс разложения отходов по причине отсутствия воздуха, и никто не знает, сколько еще десятков лет понадобится, чтобы это все полностью разложилось.

Кроме того, эта технология требует существенных земельных площадей и эксплуатационных затрат.

Технология гидросепарации ТБО на рынке предложений по утилизации мусора занимает достойную нишу в качестве наиболее обоснованной экономически и безопасной экологически технологии.

Какой продукт на рынок предлагают компании по переработке ТБО: тепло, электроэнергию, газ? Кто является покупателем данных ресурсов?

Наряду с теми продуктами, которые идут на вторичную переработку (стекло, металл, пластик, картон и бумага) предприятия, перерабатывающие ТБО, полностью удовлетворяют собственные потребности в электроэнергии и поставляют свою продукцию на рынки тепла, электроэнергии и газа. Из биоотходов выпускается качественный компост для сельскохозяйственных нужд.

Возможен вариант общего комплекса по переработке ТБО с выращиванием в теплицах зелени, овощей или цветов.

Есть ли в России опыт организации предприятий по переработке ТБО, предоставляющих ресурсы для получения энергии? С какими проблемами они столкнулись?

Потенциал ТБО в России – около 60 млн. т в го. В одном только Московском регионе захоранивается на полигонах ежегодно около 6 млн. т ТБО. После разложения органической части отходов на полигонах производится биогаз. Ключевыми составляющими биогаза являются парниковые газы: углекислый газ (30-45%) и метан (40-70%).

По подсчетам специалистов, на полигоне, площадь которого около 12 га, с объемом захоронения 2 млн. м 3 ТБО можно получить примерно 150-250 млн. м 3 биогаза в год и получить примерно 150-300 тыс. МВт электрической энергии. Этот полигон можно использовать в течение нескольких лет, не меняя оборудование и не вкладывая дополнительных финансовых средств. К сожалению, осуществленные проекты по данной технологии в РФ нам не известны.

Одной из причин, почему в России нет до сих пор инновационных технологий по переработке ТБО – это неиспользование Киотского протокола. В Израиле, например, за сбор парниковых газов на полигоне объемом 2 млн. м 3 можно привлечь по механизму Киото 5-10 млн. евро в год. Мы почти не используем имеющиеся свалки и полигоны, а отсортировываем мусор после его сбора. Перерабатываем органические отходы для получения боигаза и компоста сразу после мусорных баков. Так нам удается предотвратить ненужное захоронение.

Большинство привычных источников энергии относятся к невосполняемым (нефть, газ). Получение энергии из отходов сельского хозяйства позволяет решить две проблемы сразу - избавиться от некоторой части мусора и разгрузить добывающую отрасль.

Отходы для выработки энергии можно разделить на несколько видов.

1. : навоз и навозные стоки на животноводческих фермах, куриный помет. Энергоемкость навоза находится на одном уровне с торфом (21,0 МДж/кг) и значительно выше, чем у бурого угля и древесины (14,7 и 18,7 МДж/кг соответственно).
2. Отходы культур:
   • полевые отходы: солома, злаки, стебли подсолнуха и кукурузы, ботва овощных культур и т.п.;
   • отходы обработки: шелуха, мякина и проч.
3. Побочные продукты промышленной обработки сельскохозяйственной продукции: багасса, получаемая в сахарной промышленности, жмых при производстве масла, отходы пищевой промышленности.

Существует возможность прямого сжигания подобных отходов и вторичного использования их в качестве удобрений или для побочных нужд на предприятиях (например, соломенные подстилки в животноводстве). Однако их применяют и как сырьё для создания биотоплива, которое обычно разделяют на три группы:

1. Жидкое – биодизель (в производстве используют жиросодержащие отходы) и биоэтанол (можно использовать пшеничную и рисовую солому, багассу сахарного тростника).
2. Твёрдое – биомасса, топливные пеллеты и брикеты из отходов разных типов (кукурузные стержни, солома, отруби, шелуха семян подсолнечника, лузга гречихи, куриный помёт, навоз).
3. Газообразное. Биогаз можно производить из навоза, птичьего помёта и других подобных отходов сельского хозяйства.

Получение энергии из отходов сводится по большому счёту к выработке тепловой энергии. Её, в свою очередь, преобразуют в другие виды энергии – механическую и электрическую.

Топливные брикеты и другую твёрдую биомассу сжигают, теплотворность брикетов колеблется от 19 до 20,5 МДж/кг. Биодизель служит топливом для двигателей внутреннего сгорания, биоэтанол – моторное топливо, а биогаз используется в самых разных целях: получение электричества, тепла, пара, а также в качестве автомобильного топлива.

В Дании в 1970-е гг. произошёл нефтяной кризис, после которого фермеры впервые стали использовать как топливо солому. С 1995 г. государство компенсирует 30% стоимости оборудования владельцам котлов на соломе мощностью до 200-400 КВт, если их КПД и уровень высвобождения вредных веществ отвечают требованиям. Сейчас в Дании на соломе работают более 55 котельных центрального теплоснабжения, более 10 000 тепловых котлов, а также несколько ТЭЦ и электростанций, на которых используются, кроме соломы, другие типы отходов.

Что для этого необходимо

Многие предприниматели, занятые в сфере переработки шин или пластика, интересуются, можно ли получить биогаз при сжигании отходов сельского хозяйства, но получение этого вида топлива происходит по другой технологии. Его вырабатывают путём водородного или метанового брожения. Сырьё закачивается или загружается в реактор, где перемешивается, а бактерии, находящиеся в аппарате, перерабатывают продукты и производят топливо. Готовый биогаз поднимается в газгольдер, затем очищается и доставляется к потребителю.

Биоэтанол из отходов получают путём брожения соломы или других отходов, содержащих целлюлозу. Эта технология не слишком популярна в мире, но в СССР она была достаточно развита, в России её также используют. Для начала сырьё гидролизуют, чтобы получить смесь пентоз и гексоз, а затем эту массу подвергают спиртовому брожению.

Для производства биодизеля из жиросодержащих отходов сельского хозяйства понадобится установка для переработки, насосы, соединительные линии (шланги, трубы) и контейнеры для выработанного топлива. Биодизель в установке переэтерифицируется из триглицеридов в реакции с одноатомными спиртами, а после подвергается разным типам очистки (от метанола и продуктов омыления) и дегидрируется (вода может привести к ржавчине).

Дополнительно можно приобрести фильтры для получения продукта более высокого качества или генератор, позволяющий системе работать на произведенном топливе. Чтобы обустроить небольшой перерабатывающий цех, нужно минимум 15 квадратных метров площади. Цены установок зависят от производительности и мощности - от нескольких десятков тысяч рублей до нескольких миллионов.

Твёрдое топливо в брикетах потребует другой аппаратуры. В первую очередь - пресс, который будет придавать форму мусорной массе. В зависимости от типа исходного сырья может понадобиться также сушилка, измельчитель и вещества, повышающие вязкость сырья, своего рода клей.

При больших объёмах производства имеет смысл установить ленточный транспортер (конвейер). Средняя цена оборудования для небольшого цеха - 1,5–2 миллиона рублей, плюс затраты на энергию, персонал и помещение. Если сырье достается производителю бесплатно, или за его вывоз доплачивают, производство окупится примерно через полгода.

Для производства пеллетов отходы сельского хозяйства измельчают и сжимают в прессе-грануляторе: лигнин, содержащийся в сырье, под воздействием высокой температуры склеивает их в мелкие гранулы.

Важно! Развитие сферы энергоёмкой утилизации в сельском хозяйстве требует достаточно больших государственных затрат и компенсаций, спонсирования научных проектов – словом, финансовой поддержки. Поэтому многие государства создают программы поддержки и развития этой области.

Программа «Горизонт 2020» стран ЕС, например, основана на ряде приоритетов, один из которых, «Социальные вызовы» (бюджет – 31,7 млрд. евро), включает поддержку проектов в сельскохозяйственной отрасли и биоэкономике, а значит и энергоёмкой утилизации.

Есть ли выгода, опыт России и других стран

Вопрос выгоды использования энергии из отходов не является однозначным. Многие виды аграрных отходов используются в качестве ресурсов для решения других задач внутри отрасли (удобрения, подстилки и проч.), другими словами, энергия при утилизации может не окупить, например, потерь в урожае, это требует грамотных расчётов. Кроме того, вопрос экологической целесообразности переработки до сих пор не закрыт.

Тем не менее, получение энергии из отходов сельского хозяйства может быть достаточно перспективным направлением.

Твёрдое биотопливо пользуется большим спросом: такие государства, как Нидерланды, Великобритания, Бельгия, Швеция, Дания постоянно включают программы финансовой поддержки потребителям пеллет. Вводятся новые стандарты качества для этого вида продукции из других стран, что говорит о планах увеличения импорта.

Поставщиком для этих стран, в числе прочих государств, может стать и Россия, наиболее удобным рынком сбыта являются скандинавские страны. Но для того, чтобы это стало возможным, должен измениться внутренний рынок страны. Ежегодно в России производят 440 млн. т отходов лигноцеллюлозной биомассы, немалую часть предприятий составляют сельскохозяйственные. Переработка этих отходов, как правило, не производится.

Производство биогаза - сравнительно дорогое предприятие, минимальная цена одной установки 800 тыс. евро, хотя в последнее время намечаются тенденции к удешевлению производства. В современной Европе государственные компенсации за использование подобных установок достигают 90%.

Однако такие затраты во многом оправдываются получаемой энергетической автономией предприятий. Кроме того, предприниматель, использующий биогаз для производства электроэнергии в Европе, продаёт её по повышенному тарифу, очень выгодному. Это способствует увеличению числа предприятий, использующих биогаз.

Во многих странах Европы популярны домашние установки по производству биогаза. Такое производство может быть выгодно для фермерских хозяйств, где сырьё для переработки находится под рукой и нет нужды где-то его закупать.

В нашей стране, достаточно поздно включившейся в освоение энергоёмкой утилизации, биогазовое топливо не слишком распространено, в том числе и по причине отсутствия федеральной государственной поддержки. Однако существуют региональные инициативы, например, проект в Белгородской области, и они приводят к неплохим результатам.

Энергоёмкая утилизация в сельском хозяйстве необходима, она может помочь решить мировые проблемы и экономического, и экологического характера. Однако для того, чтобы добиться положительных результатов в этой области, предпринимателям и государству следует грамотно рассчитывать риски.