Обоснование использования твердых отходов как вторичных и возобновляемых источников энергии для повышения энергетической эффективности при производстве теплоты и электроэнергии

Ростовская область вошла в список областей реализации пилотного проекта территориальной схемы обращения с отходами [1]. Для упрощения переработки отходов и утилизации были выпущены некоторые нормативно-правовые акты, в частности, распоряжение Правительства РФ № 84-Р от 25 января 2018 г. «Об утверждении Стратегии развития промышленности по обработке, утилизации и обезвреживанию отходов производства и потребления на период до 2030 года» [2] и подпрограмма «Формирование комплексной системы управления отходами и вторичными минеральными ресурсами на территории Ростовской области» государственной программы Ростовской области «Охрана окружающей среды и рациональное природопользование», утвержденная постановлением Правительства Ростовской области от 15.10.2018 № 638 [3].

Очевидно, что сейчас твердые бытовые и сельскохозяйственные отходы образуются в больших oбъeмaх пo вceму миpу и oкaзывaют знaчи- тeльнoe нeгaтивнoe влияниe нa oкpужaющую cpe-ду. Тaкoй эффект нaпpямую cвязaн c выбpocaми отходов в aтмocфepу и захоронениями на полигонах. Выcoкиe цeны нa тoпливo, тpeбoвaния cнижe-ния иcпoльзoвaния иcкoпaeмoгo тoпливa пpивoдят к увeличeнию вoзмoжнocтeй использования ТКО в виде тoпливa для уменьшения загрязнения атмосферы выбросами. Иcпoльзуeмыe в нacтoящee вpe-мя существующие варианты решений проблемы утилизации отходов не получили широкого распространения ввиду существенных недостатков [4], таких кaк пepeгpузкa пoлигoнoв, нe oтвeчaющих тpeбoвaниям экoлoгичecкoй бeзoпacнocти, нeдo-вoльcтвo нaceлeния пoлигoнaми для зaхopoнeния муcopa, пoявлeниe oтpaвлeнных зoн вoкpуг муco-pocжигaтeльных зaвoдoв.

Таким образом, сейчас образуются в большом количестве твердые бытовые отходы, что приводит к ухудшению влияния на окружающую среду и почву при захоронениях. Однако сейчас есть различные пилотные проекты в виде территориальной схемы по обращению с отходами и различ- ные программы, связанные с уменьшением количества мусора и его разделением.

Литературный обзор исследования

Для представления полной картины исследований, имеющихся в области переработки ТБО с помощью газификации, необходимо проанализировать результаты работ отечественных и зарубежных авторов в данной области.

Авторы работы [5] рассматривают газификацию торфа как перспективный способ улучшения характеристик торфяного сырья в процессе его подготовки перед сжиганием. В результате газификации твердого топлива происходит термохимическое разложение органической массы при недостатке кислорода в горючий газ (генераторный газ, синтез-газ). Он может заменить природный газ на котельных и ПГУ-ТЭС [6].

Проведенный автором анализ [7] позволяет определить, что использование твёрдых бытовых отходов методом газификации в качестве топлива для выделения синтез-газа позволяет решить как основную проблему, которая возникает при захоронении или сжигании отходов – экологическую, так и получить на выходе топливо для энергоустановок с показателями, не уступающими некоторым видам традиционного топлива.

В статье [8] выделили газификацию как преимущество при рассмотрении вредного влияния процесса на окружающую среду и людей, имеет преимущество перед сжиганием, которое занимает не последнее место среди всех доступных технологий по переработке отходов. Помимо переработки ТБО авторы отмечают, что процесс газификации можно также применять для переработки промышленных горючих отходов, а продукты газификации могут найти широкое применение в области обеспечения населения и предприятий энергией [9–11].

В работе [12] был проведен расчет газификации отходов углеобогащения ООО «ММК-УГОЛЬ» с использованием воздушного газа, водяного пара, полуводяного и оксиводяного газов. Авторы предлагают использовать отходы для получения генераторного газа в процессе газификации. И предложили метод утилизации отходов, который позволит сократить нерациональное отчуждение земельных ресурсов, а также создать дополнительные источники получения энергии для металлургической промышленности.

Сравнительные исследования процессов газификации между кислородом и паровыми газифицирующими агентами были сделаны AlNouss и др. [13]. Они использовали Aspen Plus для моделирования и исследования предложенной системы с технико-экономической и экологической точек зрения. Выводы показали, что газификация паровым газифицирующим агентом обеспечивает получение чистого и экономически конкурентного продукта.

В настоящее время газификация пластиковых отходов также привлекла внимание как с научной, так и с промышленной точек зрения. Преимущества пластика газификация отходов были представлены Lopez и др. [14] в критическом обзорном исследовании. Они проанализировали основные конверсионные технологии пластиковых отходов для производства водорода и синтез-газа, в частности газификацию пластмасс воздухом и паровыми газификаторами, согазификацию пластмасс с другим сырьем и пиролиз-риформинг.

Одним из главных результатов стало высокое производство водорода и синтез-газа путем газификации паром. Zabłocka Malicka и другие [15] использовали паровую газификацию, питаемую многопроволочным поливинилхлоридным проводом, кабельные отходы для восстановления меди. Этот пар был при высокой температуре и атмосферном давлении. ПВХ и углеводородные компоненты кабеля были полностью разделены. Они предсказали, что использование высокотемпературного парогенератора является эффективным подходом к удалению отходов кабеля.

Анализируя теоретические исследования и практическое исполнение разработок по тематике переработки ТБО в энергию, можно обратиться к опыту России [16] и других стран по данной проблеме.

Так, например, в Нидерландах широко развито сжигание переработанной биомассы на тепловых электростанциях совместно с углем. Биотопливо производится не в самой стране, в которой сжигается, а привозится из-за рубежа (чаще США и КНР), и правительство Нидерландов субсидирует использование станциями такого сырья. Другим положительным зарубежным опытом утилизации отходов можно считать электростанцию в г. Зор-бау (Германия), сжигающей ТБО в котле для турбины мощностью 28 МВт. Также в Германии действует другая электростанция – ТЭЦ Volklingen с парогазовыми установками (ПГУ). В топке-сателлите сжигаются отработанные ТБО – так называемое коломат-топливо из отходов, а газы из этой топки поступают в топку энергетического котла.

В результате переработки отходов с применением схемы плазменной газификации компании Westinghouse Plasma Corporation [17] завод получает очищенный синтетический газ, используемый в качестве энергии для электростанций. Это позволяет решать сразу несколько задач, связанных с уничтожением мусора с минимальным ущербом для окружающей среды и получением дополнительной энергии.

В нашей стране также апробировались технологии переработки ТБО в энергию [18]. Например, частичное сжигание на ТЭС заменителей топлива, содержащихся в промышленно-бытовых отходах.

На отечественных электростанциях положительный опыт также подтверждается спецзавода-ми – № 2, № 3 и № 4, функционирующими на территории Московской области [19]. Предприятия перерабатывают более 1 млн т отходов в год. ГУП «Спецзавод № 2» является самым первым МСЗ, построенным на территории России, и способен перерабатывать до 160 тыс. т отходов в год, превращая мусор в 17 млн кВт·ч электроэнергии в год. Завод занимает площадь 2 га. После сжигания мусора образуется шлак, из которого отделяют до 1,5 тыс. т металла в год. Оставшийся шлак используют в строительных целях (для подсыпки дорог или производства тротуарной плитки). ГУП «Спец-завод № 3» находится в Южном округе Москвы, на улице Подольских курсантов. Это мусоросжигательный завод построен в 1983 г. и занимает площадь чуть более 4 га. На сегодняшний день объем переработки мусора составляет 360 тыс. т в год. В 1995 г. на заводе установили передовую и дорогостоящую систему очистки дыма от вредных газов. На этом заводе извлечение металлов из шлака не производится. ГУП «Спецзавод № 4» был построен 2003 г. в Восточном административном округе столицы, промзона «Руднево». Этот завод крупнейший в Москве и Московской области, способен перерабатывать более 750 тыс. т мусора в год. На заводе используются передовые технологии по очистке дыма, соответствующие нормам европейских государств [19].

Все вышеперечисленные отечественные и зарубежные варианты сжигания отходов в циклах электростанций имеют свои особенности, преимущества и недостатки. Используемые ими технологии имеют на выходе из топки улавливающие устройства, циклоны, абсорберы и узлы подачи реагентов для связывания вредных веществ. В данном исследовании делается попытка разработать универсальный цикл электростанции, который возможно было бы масштабировать для различных климатических условий, расходов ТБО, режимов подачи ТБО (постоянный и переменный). В работе анализируется принципиальная тепловая схема и алгоритм сжигания ТБО с нейтрализацией вредных выбросов на выходе из цикла электростанции.

Постановка цели и задачи

Важность исследования заключается в наиболее оптимальном использовании отходов для сжигания на ТЭС, то есть ликвидация отходов с получением из них энергии. При этом не производится строительство новых мусороперерабатывающих заводов, в качестве которых в данном случае выступает ТЭС.

Ввиду вышепроведенного обзора авторами выявилась проблема накопления отходов и сложность разработки схемы по их реализации. В связи с этим ставится задача по разработке технологии (схемы) переработки отходов на ТЭС с последующим получением тепловой и электрической энергии. Ввиду получения продукта в необходимом виде (синтез-газ, твердый остаток) выбираем из существующих способов переработки (рис. 1) термическую газификацию.

На рис. 1 рассмотрены различные способы переработки, которые разделены на три большие группы: термохимические, биохимические, химические. В нижней части схемы приведены продукты, получающиеся при переработке отходов.

Авторы произвели расчет эксергетического баланса котла ТПП-210А с использованием некоторых видов отходов для газификации и экономии топлива, что повлечет за собой снижение загрязнения атмосферы воздуха и воды нашей планеты. Следствием из этой цели логично вытекает цель

Рис. 1. Термохимические, биологические и химические способы переработки отходов Fig. 1. Thermochemical, biological, and chemical methods of waste processing

разработка технологии переработки отходов в тепло- и электроэнергию на ТЭС.

Таким образом, уменьшаются объемы выбрасываемого мусора на свалки и использование захоронений, что снижает загрязнения почвы и окружающей среды.

Научная новизна

Проведен эксергетический расчет котла на органических отходах с целью дальнейшего сжигания этих продуктов в котле, отличающийся тем, что рассчитан не на проектное топливо (уголь, природный газ), а именно на продукты газификации отходов. Расчет позволяет определить эффективность сырья (отходов) для газификации в разрезе применения в котле в качестве топлива.

Выбор сырья из отходовдля топлива на ТЭС

В табл. 1 представлены выбранные виды отходов из территориальной схемы обращения отходов Ростовской области для исследования. А также рассмотрены их физико-химические свойства. Приведенные в табл. 1 отходы имеют V класс опасности, то есть они самые безопасные.

Методы исследования

В рамках проведенного исследования авторы произвели материальный баланс, тепловой баланс и эксергетический баланс котла согласно методике [20], ниже приведены основные формулы исследо- вания.

Термический КПД рассчитывается по формуле n = -QU к  От + QВ

где Q 1 – теплота, израсходованная на приращение энтальпии рабочего тела, кДж; Q В – теплота, поступившая с топливом, кДж; Q Т – теплота, поступившая с воздухом, кДж.

Q 1 = D п h п ^- D п.в h n.в ⁺ D пр h пр , (2) где D _п – паропроизводительность котла, кг/с; h _п = f ( P 0 ; 1 0 ) - энтальпия острого пара, кДж/кг; D _п._в = (1 + ^а _пр ) D _п — расход питательной воды на котел, кг/с; h _пв = f ( Р 0 ; t 0 ) - энтальпия питательной воды, кДж/кг; D _пр = а _пр D _п - расход продувочной воды, кг/с; h _пр = / ( Р б ; x = 0) - энтальпия продувочной воды, кДж/кг.

Q t = В т О р , (3) где B _Т – расход сжигаемого топлива, кг/с, (м³/с); Q _н ^р – низшая теплота сгорания рабочей массы топлива, кДж/кг (кДж/ м³).

Q b = M в C B t в, (4) где M _B – масса вносимого в топку воздуха, кг/кг т; C _p ^B – теплоемкость воздуха при температуре холодного воздуха t _B, кДж/кг^К; t _B = 30 - температура холодного воздуха, °С.

На диаграмме эксергетического КПД котла (рис. 3) видно, что КПД выше при использовании синтез-газа от продуктов переработки твердых отходов, при том что они практически равны друг другу. Повышение эксергетического КПД котла на сингазе в сравнении с работой на природном газе связано с тем, что степени понижения теплотворной способности выше, чем степень повышения расхода топлива в котле. Зависимости эксергети-ческого КПД котла от вида используемого топлива демонстрируются через следующие формулы.

Уравнение баланса эксергии для котлоагрегата:

E _т = A E _р.т + Е пс + Е шл + E з + E _Пр + 5 E , (5) где E _т – химическая эксергия топлива, МВт; A E _р._т - прирост эксергии рабочего тела в котле, МВт; E _п.с – эксергия продуктов сгорания, МВт;

Таблица 1

Физико-химические свойства твердых отходов, выбранных из Территориальной схемы обращения с отходами Ростовской области

Table 1

The physical and chemical properties of solid waste from the Rostov Territorial Waste Management Plan

№ п/п	Вид отхода	Обозн.	Q низ.раб , МДж/кг	Кол-во, т/год	Энергия, ГДж/год	Доля по энергии, %	Доля по массе, %
1	Отходы упаковочного картона незагрязненные	К	16,5	31 578,1	521 038,65	13,15	14,69
2	Тара деревянная, утратившая потребительские свойства	ТД	19,6	5421,4	106 259,44	2,68	2,52
3	Отходы малоценной древесины (хворост, валежник)	МД	18,9	24 143,5	456 312,15	11,51	11,23
4	Солома	С	15	20 949,6	314 244	7,93	9,74
5	Лузга подсолнечная	Л	19,3	132 905,3	256 5072,29	63,73	61,82
Итого			17,86	214 997,9	3 962 926,53	100	100

E _шл – эксергия шлака, МВт; E _з – эксергия золы, МВТ; E _пр – эксергия продувочной воды, МВт; 3 E - потери эксергии в котле, связанные с необратимостью процесса горения, необратимостью теплообмена с окружающей средой.

Эксергия продуктов сгорания складывается из физической и химической эксергии, МВт:

E п, = 10 ^{- 3} B т ( e ™ + e физ ) .                  (6)

Эксергетический КПД котла:

h_e ^ка

A E р.т

E т   ,

где A E _р . _т = 10 ³ ( D _п e _п - D _п . _в e _п . _в ) - прирост эксергии к рабочему телу, МВт; E _т = 1,04 B _т Q H - 10 ^{- 3} -химическая эксергия топлива, МВт.

Расчет теплового и эксергетического баланса

Ввиду большого расчета авторы решили представить полученные результаты в виде графиков зависимостей (рис. 2, 3) КПД котла и эксерге-тического КПД котла. Были рассмотрены несколько видов топлива:

• 1)    природный газ;

• 2)    уголь АШ;

  
  
  
  
  
  

• 3)    синтез- газ ( упаков очны й ка ртон, лу з га подсол н ечн а я, та ра де ре в ян на я , м а л оце нная дре в е с ина, солома).

А на ли зи р у я ри с. 2, 3, м ож но с де л ать в ыв од, что при использовании синтез- газ а от пе ре ра ботк и о т х одов терм и чес к и й и эксе рге тиче с к ий К ПД не падают, а даж е не скол ь ко у в ел ич ив а ю тс я, в с равне ни и с природ ным г аз ом и т в е рдым прое ктным топлив ом (ан тра ц ит о вы м штыбом ). В с лу ча е с терм иче с ким КПД ув ел ичение происх од ит вв и д у более низкой теплоты сгорания.

Улучшен ие экс е рге т иче с ко го К ПД кот л а на синтез-газе в ср ав н е н и и с ра бот ой на тверд ом то пл ив е прои с х од и т в вид у отсу тств и я поте рь экс ергии со шлаком и золой.

В та бл . 2 при в е д е ны д а н ны е п о те п л отворной сп особ нос ти в с ех ра с с м а трив а е м ых в дан ной с т атье топлив и их расход в котле.

Ди агра м м ы на рис . 2 и 3 пока з ыв а ют, что гази ф и ка ц ия т в е рдых бы тов ы х и с е л ьскох оз я йс тв е нных от х одов с м ож е т у в е личи ть те рм иче с к ий и э кс е рге тиче с к и й К ПД кот ла и з а м е нить уго л ь и природны й га з , что уме нь шит в ре д ные в оз де йс твия на окружающую среду.

По результатам расчета эксергетического баланса строятся диаграммы потоков эксергии (рис. 4–9). Обозначения, показанные на рис. 4–9 приведены ниже:

Q _т – теплота, выделяющаяся при сжигании топлива, кВт; Q _в – теплота, вносимая атмосферным воздухом, кВт; Q ₁ – теплота, израсходованная на приращение энтальпии рабочего тела, кВт; Q ₂ – потери с уходящими газами, кВт; Q ₄ – потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива, кВт; Q ₅ – потери в окружающую среду, кВт; Q ₆ – потери теплоты с внутренней термической энергией шлака и золы, кВт; E _т – химическая эксергия топлива, МВт; E _р.т – прирост эксергии рабочего тела в котле, МВт; E _вн – потери эксергии, вызванные внутренним теплообменом в котле, МВт; δ E _гор – потери эксергии вследствие необратимости горения, МВт; E _шл – эксергия шлака, МВт; E _з – эксергия золы, МВт; E _п.с – эксергия продуктов сгорания, МВт; E _окр – потери

Таблица 2

Теплотворная способность и расход рассматриваемых топлив

Calorific value and flow of the fuels

Table 2

Топливо	Теплотворная способность топлива, МДж/кг	Расход топлива, кг/с
Уголь (АШ)	12,23	36,25
Природный газ	35,59	17,33
Синтез-газ ( у па ков оч ный картон )	7,65	80,00
Синтез-газ (тара деревянная)	16,21	36,73
Синтез-газ (м а л оценная древ е с и на )	16,85	35,31
Синтез-газ (лу з га подс о л не ч на я)	16,56	35,94
Синтез-газ (сухая солома)	15,16	39,19

Qi=5,97-105i

Q6-5393

Рис. 4. Диаграмма Сенке для твердого топлива (уголь АШ) Fig. 4. Sankey diagram for solid fuel (coal anthracite)

Рис. 5. Диаграмма потоков эксергии для твердого топлива (уголь АШ) Fig. 5. Exergy flows for solid fuel (coal anthracite)

Рис. 6. Диаграмма Сенке для природного газа Fig. 6. Sankey diagram for natural gas

Рис. 7. Диаграмма потоков эксергии для природного газа Fig. 7. Exergy flows for natural gas

Рис. 8. Диаграмма Сенке для синтез-газа (упаковочный картон) Fig. 8. Sankey diagram for synthetic gas (packaging cardboard)

Рис. 9. Диаграмма потоков эксергии для синтез-газа (упаковочный картон) Fig. 9. Exergy flow for synthetic gas (packaging cardboard)

Таблица 3

Эксергия продуктов газификации из отходов, выбранных из Территориальной схемы обращения с отходами Ростовской области

Exergy of gasification products from waste, from the Rostov Territorial Waste Management Plan

Table 3

Наименование продукта газификации	E т химическая эксергия топлива, МВт	E р.т прирост эксергии ра боче г о т е л а в кот л е , МВт	E вн потери эксергии, вызванные внутренним теплообменом в котле, МВт	δ E гор потери эксергии вследствие необратимости горения, МВт	E п.с эксергия продуктов сгорания, МВт	Е окр потери эксергии, вызванные необратимостью теплопередачи к окружающей среде, МВт
Синтез-газ (упаковочный картон)	636,201	312,669	164,41	124,018	33,034	2,07
Синтез-газ (тара деревянная)	619,195	312,669	251,85	37,56	15,102	2,015
Синтез-газ (малоценная древесина)	618,766	312,669	254,073	35,884	14,163	2,014
Синтез-газ (лузга подсолнечная)	618,934	312,669	253,2	36,476	14,576	2,014
Синтез-газ (сухая солома)	617,816	312,669	256,853	31,353	14,163	2,011

Таблица 4

эксергии, вызванные необратимостью теплопередачи к окружающей среде, МВт.

Анализируя диаграммы на рис. 4–9, можно сделать вывод, что у синтез-газа нет потерь, уходящих со шлаком и золой, как у котла, работающего на твердом топливе (угле). Еще было замечено авторами, что потоки эксергии на примере синтез-газа (упаковочного картона) с природным газом очень близки друг к другу по значениям E _п.с , E _окр , E _р.т . Также следует выделить потери эксергии: вследствие необратимости горения они у синтез-газа ниже ( § Е гор = 124,018 МВт), чем у природного газа ( § Е _гор = 156,755 МВт )и твердого топлива (угля) ( § Е гор = 170,029 МВт).

Ввиду объемных рисунков диаграмм результаты расчета эксергетического и теплового балансов сведены в табл. 3 и 4 соответственно.

Практическая значимость

Практическая значимость заключается в получении графической зависимости показателей эффективности котла от видов исходного сырья (отходов), что может служить определяющими характеристиками при проектировании вновь строящихся блоков тепловых электростанций, малых районных котельных, а также может быть использовано в образовательном процессе энергетических специальностей.

Выводы

В данной работе произведен выбор и обоснование выбора видов отходов, которые позволяют

судить о применимости использования отходов как энергетического ресурса на тепловых электростанциях.

По результатам теплового расчета термический КПД котла получился: на угле (антрацитный штыб) пк = 87,6 % , на природном газе п _к = 93,8 % и средний термический КПД котла на синтез-газе выбранных отходов пк _ср = 96,78%. Затем на основе теплового расчета проведен расчет эксергии, где получены следующие результаты эксергетиче-ского КПД котла: на угле (антрацитный штыб) h e^a = 44,3 %, на природном газе h ^ = 48,7 % и средний термический КПД котла на синтез-газе получился h ™’ ^ср = 50,24 %.

На основе проведенного эксергетического расчета авторы показали, что газификация твердых бытовых и сельскохозяйственных отходов сможет увеличить термический и эксергетический КПД котла и заменить уголь и природный газ, что уменьшит вредные воздействия на окружающую среду. Повышение эксергетического КПД котла ТПП-210А на синтез-газ в сравнении с работой на природном газе связано с тем, что степени понижения теплотворной способности выше, чем степень повышения расхода топлива в котле. Расчеты энергетического и эксергетического балансов показывают эффективность применения твердых бытовых и сельскохозяйственных отходов для сжигания на ТЭС, в частности, основываясь на результатах расчета термического и эксергетиче-ского КПД котла в зависимости от применяемого топлива.

Тепловой баланс продуктов газификации из отходов, выбранных из Территориальной схемы обращения с отходами Ростовской области

Table 4

Thermal balance of gasification products from waste, from the Rostov Territorial Waste Management Plan

Наименование продукта газификации	Q т теплота, выделяющаяся при сжигании топлива, кВт	Q в теплота, вносимая атмосферным воздухом, кВт	Q 1 теплота, израсходованная на приращение энтальпии рабочего тела, кВт	Q 2 потери с уходящими газами, кВт	Q 5 потери в окружающую среду, кВт
Синтез-газ (упаковочный картон)	6,117·105	61,578	5,79 · 105	3,017 · 104	2630
Синтез-газ (тара деревянная)	5,954·105	61,829	5,79 · 105	1,389· 104	2560
Синтез-газ (малоценная древесина)	5,955 · 105	63,093	5,79 · 105	1,348 · 104	2558
Синтез-газ (лузга подсолнечная)	5,951 · 105	62,349	5,79 · 105	1,364· 104	2559
Синтез-газ (сухая солома)	5,941 · 105	50,313	5,79 · 105	1,256 · 104	2554