Проблемы и перспективы создания экологически безопасной ТЭС на твердых коммунальных отходах

Использование твердых коммунальных отходов (ТКО) в качестве ресурса для получения вторичного сырья и энергии давно стало привлекательным вариантом для коммерческих структур и местных органов власти во многих странах (к сожалению, кроме России). Термическое обезвреживание способствует сокращению захоронения несортированных ТКО на полигонах, позволяет переработать отходы, которые не могут быть эффективно использованы для получения вторичного сырья или рекуперации путем биологической очистки.

Россия в вопросе энергетической утилизации ТКО пока делает первые шаги. В 2001 году после реконструкции введен в эксплуатацию московский спецзавод № 2, на котором установлены три турбоагрегата электрической мощностью 1,2 МВт – первая в России теплоэлектростанция, основным топливом которой является ТКО. Позднее были введены ещё несколько объектов в Москве. В настоящее время ведется строительство ТЭС на ТКО большой мощности в Москве и Казани [1].

Выполнением инжиниринговых и проектных работ для предприятий по термической утилизации отходов за рубежом и в России занимаются энергетические компании. Интерес энергетиков к этому источнику энергии продолжает возрастать, появляются заказы на выполнение ТЭО и ОИС по строительству энергетических комплексов (ЭК) на ТКО от крупных энергетических компаний (ПАО «Мосэнерго», ООО «АГК-1»).

Методика выбора наилучшей доступной технологии, приведенная в ИТС 9-2020 «Утилизация и обезвреживание отходов термическим способом», зачастую оказывается не применима на реальных объектах, что приводит к необходимости для каждого проекта искать новые методики, подбирать критерии выбора наилучшей технологии. Создание методологии и определение критериев оценки различных технологий термической переработки ТКО является актуальной задачей в условиях развития отрасли. Как было отмечено ранее, в России на сегодняшний день имеется всего несколько крупных ТЭС на ТКО, а значит, выполнение анализа влияния элементов структуры ТЭС на ТКО только на основе отечественного опыта эксплуатации подобных установок невозможно. Выполнение сравнительного анализа различных структурных схем ТЭС на ТКО, распространенных в странах ЕС и Японии, позволит выявить их основные достоинства и недостатки, определить области применения.

В данной статье приводится предлагаемая авторами последовательность этапов выбора структуры ТЭС на ТКО, описываются основные проблемы, возникающие на каждом этапе.

Описание общего подхода к выбору структуры ТЭС на ТКО

Критериальный анализ для выбора оптимальной технологии термической переработки ТКО, приведенный в [2], не применим для комплексного анализа схемы и для обоснования принятой схемы. Опыт применения различных структурных схем ТЭС на ТКО в энергетике описан в [3]. В открытом доступе представлен ряд литературных источников, в которых освещается информация о структурных схемах различных ТЭС на ТКО в странах

Европейского Союза (ЕС), Японии, США [4–7]. Исследование различных структурных схем ТЭС на ТКО приведено в работе [8].

Методика выполнения анализа структуры технологической схемы ТЭС на ТКО по своему составу сходна с анализом структуры схемы энергетической ТЭС на твердом топливе (общий вид схемы приведен на рис. 1, в скобках приведены аналогичные этапы для энергетической ТЭС на твердом топливе).

Несмотря на то, что в структуру ТЭС на ТКО и энергетической ТЭС на твердом топливе входят

Рис. 1. Общий вид структуры ТЭС на ТКО

Рис. 2. Порядок выбора структуры ТЭС на ТКО

одни и те же элементы, имеются значительные отличия, которые определяют различие в подходах к анализу и выбору характеристик основных элементов структуры. Выбор структуры ТЭС на ТКО должен производиться по иным критериям, а критерии выбора оптимальной технологии ТЭС на твердом топливе не применимы для ТЭС на ТКО.

Авторами предложена методика декомпозиции структуры ТЭС на ТКО на отдельные элементы в соответствии с рис. 1 для выполнения анализа свойств каждого элемента в отдельности, а также изучения влияния элемента на ключевые показатели работы объекта: экологичность, экономичность. Порядок этапов выбора структуры ТЭС на ТКО приведен на рис. 2. Далее подробно будет рассмотрен каждый этап.

Этап 1. Оценка топливной составляющей

Морфологический состав поступающих на термическую утилизацию ТКО изменяется в широком диапазоне в зависимости от сезона и географии и оказывает сильное влияние на экономические, экологические и показатели надежности [9].

На уровне субъектов Российской Федерации в соответствии с Рекомендациями по разработке региональной программы в области обращения с отходами утверждается схема обращения с ТКО. С 1 января 2017 года введены рекомендации по разработке территориальных схем по обращению с отходами [10], в которых предусматривается термическое обезвреживание только сортированных ТКО, с 1 января 2020 года термическое обезвреживание несортированных отходов запрещено законодательно. Рекомендации рассматривают пять схем обращения с ТКО, две из которых подразумевают термическую утилизацию отходов:

• •    смешанный сбор отходов с последующей сортировкой и термической утилизацией;

• •    раздельный сбор с последующей сортировкой и термической утилизацией.

При термической утилизации несортированных ТКО или отходов с низкой степенью обработки достижение цели снижения содержания вредных веществ в дымовых газах и золошлаковых отходах является сложным и дорогостоящим процессом, а сильное колебание морфологического состава ТКО приводит к риску возникновения непроектных режимов и превышению ПДК в выбросах [11]. Зарубежный опыт показывает, что достижение высоких экологических показателей ЭК на ТКО возможно только при проведении предварительной подготовки ТКО совместно с внедрением эффективной комплексной очистки дымовых газов, нейтрализации золошлаков и подходящей организации процесса сжигания.

Строительство энергетического комплекса по термической утилизации ТКО требует больших капитальных затрат: оценочная стоимость ЭК по выработке тепловой и электрической энергии может в 6–10 раз превышать стоимость энергетиче- ского комплекса той же мощности, сжигающего органическое топливо [7]. Целесообразным является путь максимального сокращения количества отходов, поступающих на термическую утилизацию, и увеличение уровня подготовки. Термическое обезвреживание отходов сортировки, с одной стороны, требует устройства мусоросортировочного комплекса или внедрения системы предварительной подготовки отходов в регионе, что повышает удельную стоимость утилизации отходов, но в то же время позволяет применять менее сложные технологии термической утилизации и газоочистки для достижения высоких экологических показателей объекта, снижает размеры объекта. Удаление из потока отходов тяжелых металлов, хлора (ПВХ), отходов, содержащих ртуть (термометры, батарейки, лампы), позволит снизить нагрузку на систему газоочистки, сокращая операционные затраты процесса термической утилизации, выбросы вредных веществ в атмосферу.

При оценке мощности ТЭС на ТКО производится оценка предполагаемого количества отходов, которые могут поступить на предприятие от промышленных и коммунальных предприятий, с учетом транспортного плеча (которое, как правило, не должно превышать 25 км), графика возможного поступления отходов. Оценивается планируемый морфологический состав отходов. Основной проблемой на этом этапе является то, что статистика морфологического состава отходов у коммунальных предприятий зачастую отсутствует. На этапе выполнения технико-экономического обоснования для предварительной оценки могут быть приняты данные о морфологическом составе отходов в соответствии с данными [4], однако для оценки принятого результата должны быть произведены натурные исследования.

Немаловажным процессом на данном этапе является оценка низшей теплоты сгорания подготовленных отходов, которые планируется направлять на термическую утилизацию. В [12] приведена методика оценки низшей теплоты сгорания отходов, апробированная на спецзаводах г. Москвы. Данная методика может быть применена для предварительной оценки, но проведение лабораторных испытаний на данном этапе является обязательным. Отсутствие подтвержденных методических данных относительно морфологического состава ТКО коммунальных хозяйств, отсутствие данных о статистике работы промышленных мусоросортировочных комплексов приводит к необходимости выполнения лабораторных экспериментов на этапе выполнения технико-экономического обоснования.

Этап 2. Определение энергетической структуры

Особенности выбора энергетической структуры ТЭС на ТКО подробно описаны в [13]. Дополнительно следует отметить, что при определении энергетической структуры предприятия следует

Таблица 1

Возможные виды схем отпуска энергии от ТЭС на ТКО

№ Структура энергетического комплекса Сфера применения / Особенности 1 Водогрейная котельная на ТКО (отдельная/в структуре котельной) Замещение существующей котельной / Требуется учесть сезонные изменения в потреблении тепла 2 Паровая котельная, отпуск пара на ТЭС на органическом топливе (в структуре ТЭС) Экономия из-за наличия необходимой инфраструктуры на ТЭС / Применимо при наличии потребителей пара с параметрами до 40 бар 3 Паровая котельная, отпуск пара на промышленное предприятие (отдельное предприятие) В крупных городах редко имеются крупные потребители пара / При плановых остановах предприятия – останов линии 4 Конденсационная ТЭС на ТКО (в составе существующей ТЭС) Экономия из-за наличия инфраструктуры на ТЭС / Наличие постоянной возможности отпуска электроэнергии 5 ТЭС на ТКО с теплофикацией (в составе существующей ТЭС) Экономия из-за наличия инфраструктуры на ТЭС / Наличие постоянной возможности отпуска тепла/электроэнергии. Сокращение срока окупаемости из-за возможности отпуска тепла на теплофикацию 6 Конденсационная ТЭС на ТКО (отдельное предприятие) Необходимость строительства новой инфраструктуры / Для объектов малой мощности применение не рационально 7 ТЭС на ТКО с теплофикацией (отдельное предприятие) Необходимость строительства новой инфраструктуры / Для объектов малой мощности применение не рационально. Сложно организовать сбыт тепла в условиях существующего рынка тепловой энергии 8 ТЭС на ТКО с газификацией и применением тепловых двигателей Высокая эффективность по выработке электрической энергии / Высокий CAPEX (не рассматриваются в статье) рассматривать различные схемы применения энергии, получаемой на ТЭС на ТКО, описание которых приведено в табл. 1, варианты расположены в порядке возрастания CAPEX объекта.

Для каждого конкретного случая в зависимости от структуры потребления тепловой и электрической энергии выбор оптимального энергетического оборудования ТЭС на ТКО должен производиться при выполнении технико-экономического обоснования. Следует обратить внимание на то, что пар, производимый на ТЭС на ТКО, имеет достаточно низкие параметры, что связано с процессами хлорной коррозии металла пароперегревателей, и составляет обычно не более 40–60 бар, 400–420 °С [12]. На данном этапе производится выбор предполагаемой площадки размещения объекта и оценка внешних факторов, влияющих на структуру объекта.

Этап 3. Определение схемы обращения с золой и шлаком

В процессе работы ТЭС на ТКО образуются твердые отходы в виде шлака и золы, а также продукты газоочистки, в зависимости от технологии термической утилизации, принятой на предприятии, соотношение количества золы и шлака может различаться. В соответствии с исследованиями, проведенными на Московских спецзаводах [14], шлак котла-утилизатора принадлежит к 4-му классу опасности (малоопасные), а продукты газоочистки, отобранные с рукавного фильтра, – к 3-му классу (умеренно опасные). Как правило, отходы 4-го класса опасности могут захораниваться на полигонах ТБО, в то время как отходы 3-го класса опасности должны захораниваться на специально оборудованных полигонах, требуют нейтрализации.

В зависимости от принятой в регионе схемы обращения с отходами на этапе выбора структуры ТЭС на ТКО могут быть рассмотрены три основных сценария по обращению с золошлаковыми отходами.

• 1.    Полигоны по утилизации отходов 3-го и 4-го класса опасности находятся в пределах транспортной доступности в регионе размещения ЭК.

• 2.    Полигон по утилизации отходов 4-го класса опасности находится в пределах региона строительства, отходы 3-го класса опасности требуется вывозить на большое расстояние.

• 3.    В регионе строительства ЭК и в близлежащих регионах есть только полигоны, принимающие отходы 4-го класса опасности.

Этап 4. Определение технологии термической утилизации ТКО

Процессы термической утилизации можно разделить на три категории (сжигание, газификация и пиролиз). В табл. 2 приведены сравнения характеристик технологий термической утилизации ТКО, основанные на данных [9–15].

Ключевым фактором в выборе технологии термической утилизации являются свойства ТКО, поступающих на утилизацию, их состав и наличие системы предварительной сортировки отходов.

Таблица 2

Сравнение технологий термической утилизации ТКО

Показатель	Сжигание на колосниковой решетке	Сжигание в кипящем слое	Газификация с плавлением остатка	Плазменная газификация	Пиролиз
Содержание вредностей в ДГ, направляемых на газоочистку	Высокое	Среднее	Низкое	Низкое	Низкое
Мощность завода по переработке ТКО	До 1000 тыс. т/год	До 500 тыс. т/год	До 216 тыс. т/год	До 100 тыс. т/год	До 135 тыс. т/год
Наименьший выход отходов III класса опасности	~ 5 %	~ 8 %	~ 2 %	~ 2 %	~ 3 %
Требования к предварительной подготовке ТКО	Не требуется	Требуется подготовка	Требуется RDF	Требуется RDF	Требуется RDF
Относительный уровень капитальных затрат	Низкие	Средние	Высокие	Очень высокие	Высокие

Этап 5. Выбор системы газоочистки

После выбора технологии термической утилизации, определения состава топлива и оценочного состава дымовых газов, учитывая внешние факторы размещения объекта, производят выбор системы очистки дымовых газов. Методы по очистке дымовых газов разделяются на первичные и вторичные. Первичные методы включают в себя ряд мероприятий, направленных на снижение образования вредных веществ в объеме ДГ, вторичные методы направлены непосредственно на удаление загрязнителей из потока ДГ [16].

В зависимости от выбранной структуры технология очистки дымовых газов может включать в себя различные методы первичного и вторичного удаления вредных веществ, каждый из которых выполняет функцию по удалению конкретного вещества или группы веществ [17, 18]. В общем виде перечень основных вредных веществ в ДГ и технологий очистки приведен в табл. 3.

Существует большое количество комбинаций агрегатов системы газоочистки, позволяющих достичь нормируемых концентраций загрязнителей, в соответствии с [4, 7, 16] можно выделить наиболее часто применяемые технологии, перечень приведен в табл. 4 в порядке увеличения CAPEX.

Увеличение требований к степени очистки дымовых газов, снижение уровня подготовки топлива приводят к удорожанию технологической линии системы газоочистки. Выполнение сравнительного анализа наиболее распространенных в мировой практике строительства ТЭС на ТКО структурных схем газоочистки, который будет проведен в последующем, позволит определить оптимальную структуру с точки зрения миними-

Таблица 3

Перечень основных загрязнений ДГ и технологий газоочистки

№	Наименование загрязнителя	Технология газоочистки
1	Твердые частицы	Рукавные фильтры, электрофильтры, циклоны
2	Оксиды азота (NO x )	Первичные методы по снижению, SNCR и SCR
3	Кислые газы (SO x , HCl, HF)	Мокрые, полусухие или сухие скрубберы, рукавные фильтры
4	Тяжелые металлы	Первичные методы по снижению, впрыск активированного угля, удаление твердых частиц
5	Диоксины и фураны	Первичные методы по снижению, впрыск активированного угля, SCR, удаление твердых частиц

Таблица 4

Сравнение наиболее распространенных технологий газоочистки

№ Состав системы газоочистки Применимость 1 SNCR + сухой реактор + рукавный фильтр (РФ) RDF, отходы промышленных предприятий (древесина, бумажное производство) 2 SNCR + полусухой реактор + рукавный фильтр RDF, подготовленные муниципальные отходы, несортированные отходы 3 Мокрая газоочистка + рукавный фильтр + SCR RDF, подготовленные муниципальные отходы, несортированные отходы 4 ЭФ + мокрая газоочистка + рукавный фильтр + SCR RDF, подготовленные муниципальные отходы, несортированные отходы зации негативного воздействия на окружающую среду с учетом сокращения операционных затрат.

Результаты

В результате проведенной работы сформированы этапы для разработки методики выполнения многофакторного анализа, которая позволит на основании внешних факторов и критериев оптимальности для конкретного проекта определить структурную схему ТЭС на ТКО, наилучшим образом подходящую к реализации.

Впервые разработан комплексный алгоритм исследования структурной схемы ТЭС на ТКО, составлена методика анализа и выделены наиболее значимые факторы и параметры, влияющие на выбор технологии, среди которых анализируются внешние факторы размещения объекта (схема обращения с ТКО, условия размещения объекта и т. д) и внутренние факторы (технология термического обезвреживания, газоочистки, энергетического комплекса, экономические показатели). В ходе работы впервые сформулированы рекомендации по выбору структурной схемы объекта в зависимости от исходных условий проектов.

Заключение

В сфере термического обезвреживания отходов показатель работы «экологическая безопасность объекта» напрямую зависит от правильности выбора структурной схемы объекта на этапе предпроект-ной подготовки. В данной статье приведен порядок рассмотрения различных элементов структурной схемы ТЭС на ТКО, приведены основные особенности каждого из элементов. Полученная декомпозиция в дальнейшем будет учтена при разработке комплексного подхода – многофакторного анализа при выборе экологически безопасной ТЭС на ТКО.

Следует отметить, что решение о структурной схеме ТЭС на ТКО для каждого отдельного случая должно приниматься по результатам выполнения технико-экономического обоснования. Сформированные авторами рекомендации, основанные на зарубежном опыте эксплуатации ТЭС на ТКО, позволят инжиниринговым компаниям сократить количество вариантов проработки схем на этапе ТЭО.

Работа поддержана Минобрнауки России (шифр научной темы FSWF-2020-0021). 111250, Россия, Москва, Красноказарменная ул., д. 14. НИУ «МЭИ».