Энергия из отходов. Энергетическая утилизация отходов

Энергетическая утилизация. Зачем нужно перерабатывать отходы в энергию

Ежегодно в России:

• Образуется 55-60 млн тонн твердых коммунальных отходов (ТКО)
• Более 300 млн м³ отходов образуется на предприятиях деревообрабатывающей промышленности
• Более 700 млн тонн органических отходов образуется ежегодно на предприятиях агропромышленного комплекса.

Энергия из отходов – это электричество, пар и горячая вода для обеспечения нужд промышленных предприятий или городского хозяйства, а также решение сразу нескольких экологических задач:

• Утилизация отходов, не подлежащих переработке
• Сокращение площади территорий, отчуждаемых под захоронение ТКО или складирование отходов предприятий
• Экономия ограниченных ресурсов ископаемого топлива, используемого на традиционных электростанциях, и снижение затрат на него.

Какие отходы можно перерабатывать в энергию

Самые распространенные виды топлив из отходов:

• Древесные отходы: природная древесина, кора, щепа, промышленная древесина, древесные опилки, фанера
• Сельскохозяйственные отходы: лузга подсолнечника, рисовая шелуха, кукурузные початки, солома
• Отходы животноводства: куриная подстилка
• Отходы городского хозяйства: иловые осадки, RDF-топливо.

RDF (refuse derived fuel или твердое восстановленное топливо) — это вторичное сырье, получаемое из сортированных коммунальных отходов. В его состав могут входить: органические отходы (бытового происхождения), резина, пластик, картон, бумага, дерево, кожа, синтетические ткани, текстиль, полимерные материалы. Технология производства RDF предполагает предварительную сортировку и утилизацию опасного мусора, и в составе данного топлива никогда не будет стекла, металлов, веществ, содержащих хлор.

Энергия из отходов: зарубежный опыт и ситуация в России

Во многих странах энергетическая утилизация отходов – важный элемент системы управления отходами. Так, по данным «Конфедерации европейских заводов по производству энергии из отходов» (CEWEP) в 2018 году доля отходов, сжигаемых с целью получения энергии, составила в странах ЕС в среднем 28%. Среди лидеров в области получения энергии из отходов страны, известные своей высокой экологической ответственностью: Финляндия (57%), Швеция (53%), Дания (51%)

Утилизация отходов коммунального хозяйства в странах Европы

В России до сих пор основным способом обращения с отходами остается их захоронение: 94% твердых коммунальных отходов сегодня вывозятся на мусорные полигоны. Однако в ближайшие годы систему управления обращения с отходами ожидает серьезное реформирование. В рамках Национального проекта «Экология», утвержденного в 2018 году, стартовали:

• Федеральный проект «Чистая страна», направленный на ликвидацию несанкционированных свалок, восстановление территорий и ликвидацию накопленного экологического вреда.
• Федеральный проект «Комплексная система обращения с твердыми коммунальными отходами», направленный на создание инфраструктуры, позволяющей утилизировать и перерабатывать отходы коммунального хозяйства.

Мировая практика позволяет прогнозировать активное развитие технологий энергетической утилизации в связи с развитием системы обращения с коммунальными отходами.

Сейчас же собственные энергоисточники на отходах строят и эксплуатируют промышленные предприятия лесоперерабатывающей и целлюлозно-бумажной агропромышленной отраслей, вырабатывающие электричество, пар и горячую воду из древесных отходов: фанеры, щепы, коры, опилок и т.п. Еще один сектор, имеющий значительные перспективы в области энергетической утилизации отходов производства — агропромышленное производство. Лузга подсолнечника, рисовая шелуха, кукурузные початки, солома – все эти отходы, образующиеся при сборе урожая и переработки сельскохозяйственной продукции, могут стать отличным топливом для собственной ТЭЦ или котельной на отходах, обеспечивающей до 100% потребностей в энергии.

Энергия из отходов: польза или экологическая угроза?

Несмотря на то, что в общественном сознании сжигание мусора прочно ассоциируется с выбросом токсичных веществ в атмосферу, накоплением их и угрозой для здоровья людей, опасность ТЭЦ на отходах сильно преувеличена.

ТЭЦ на RDF-топливе не сжигают мусор с ближайшего полигона, а являются частью целой системы обращения с отходами, в которой первое и ключевое звено – сортировка отходов. На этом этапе все отходы, способные выделять при сгорании токсичные вещества, удаляются. Поэтому в составе RDF-топлива нет металлов, стекла или веществ, содержащих хлор.

Что же касается других отходов в составе RDF-топлива, современные системы автоматики и контроля обеспечивают постоянный мониторинг параметров работы оборудования и состава продуктов сгорания.

По данным CEWEP в период с 1990 по 2000 год выбросы диоксинов на заводах по переработке отходов в Германии сократились с 400 г до менее 0,5 г в год, в то время как количество термически обработанных отходов более чем удвоилось за тот же период.

Перечисляя угрозы энергетической утилизации отходов, о ее положительном влиянии обычно забывают. Обозначим самые значительные, на наш взгляд:

• ТЭЦ на ТКО или отходах производства перерабатывают отходы, которые не подлежат переработке, и были бы направлены на свалку. Использование этих отходов для выработки энергии сокращают выбросы метана (воздействие которого на климат в 25 раз сильнее, чем от углекислого газа CO₂).
• ТЭЦ на отходах сельского хозяйства и агропромышленного комплекса могут способствовать сохранению и восстановлению почвенных ресурсов. Сегодня российское сельское хозяйство теряет около 3,9 млн т сельхозпродукции, которая могла бы вырасти на деградировавших почвах — около 1,5 млн га.

Энергетическая утилизация: типы энергоисточников на отходах

Отходы производства можно использовать в качестве топлива для собственной котельной или ТЭЦ на отходах. Оптимальный тип энергоисточника определяют исходя из количества отходов и потребностей предприятия в энергоресурсах.

Самые востребованные варианты сегодня это:

• ТЭЦ на отходах с паровыми турбинами – автономный источник тепловой и электрической энергии, который позволит полностью исключить затраты на покупку электроэнергии, пара и горячей воды у внешних поставщиков, обеспечить стабильное энергоснабжение и повысить категорийность энергоснабжения, а также при значительном объеме отходов получать дополнительную прибыль за счет сбыта энергии сторонним потребителям.
• Технологическая термомасляная установка (ТМУ) – автономный и экономичный источник тепла, позволяющий обеспечить стабильное теплоснабжение технологических потребителей на производстве.
• Водогрейная котельная на биотопливе – автономный источник тепла, который позволит исключить затраты на покупку тепловой энергии у внешних поставщиков и обеспечить стабильное теплоснабжение предприятия с минимальными потерями тепла за счет размещения в непосредственной близости от отапливаемых объектов.

Технология сжигания для получения энергии из отходов

Тем, кто всерьез рассматривает перспективу строительства собственной котельной или ТЭЦ на отходах производства, мы расскажем о том, как выбрать технологию сжигания.

На сегодняшний день используется три основных способа сжигания твердого топлива: вихревой, факельный и слоевой. Лучше всего потребностям предприятий, планирующих утилизировать необработанные отходы, отвечает слоевое сжигание.

Среди технологий слоевого сжигания в свою очередь можно выделить сжигание на колосниковой решетке и сжигание в кипящем слое. Последняя позволяет работать с любыми видами топлива, кроме пылевидного, хорошо работает с низкокалорийными топливами и имеет отличные экологические показатели процесса горения. Однако ввиду сложной и дорогой в строительстве и эксплуатации конструкции, с экономической точки зрения применение топок на кипящем слоя целесообразно только на мощных энергетических котлах с давлением 100 бар и выше, т.е. преимущественно на крупных ТЭЦ ЦБК.

Выработка тепла и получение энергии из отходов: в диапазоне единичной мощности от 500 кВт до 50 МВт для обеспечения собственных нужд предприятия наиболее подходящим является использование топок, оборудованных колосниковыми решетками.

В целом такие топки подходят для сжигания топлива разного состава, высокой влажности и высокой зольности, позволяют использовать смеси нескольких видов топлива, а потому достаточно универсальны и отлично работают с отходами деревообработки и сельского хозяйства. Но, разумеется, если тип колосниковой решетки подбирается грамотно с учетом характеристик используемого топлива.

На примере оборудования нашего партнера, компании Richard Kablitz Gmbh, рассмотрим особенности колосниковых решеток и оценим их с точки зрения работы с различными топливами.

Получение энергии из отходов на ТЭЦ

Переталкивающие колосниковые решетки

Переталкивающие решетки делятся на наклонные и горизонтальные. Наиболее распространенные, наклонно-переталкивающие, состоят из последовательных рядов неподвижных и движущихся колосников и могут применяться в диапазоне топлив с теплотой сгорания 5000–21 000 кДж/кг, обеспечивая требуемое тепловыделение от 4,5 МВт при расходе топлива до 40 т/ч.

Движущиеся колосники обеспечивают перемещение топлива вдоль решетки, за счет этого движения топливо проходит все необходимые стадии подготовки к сжиганию и начинается процесс сжигания.

За счет перемешивания горящего топлива со свежими частицами достигается равномерное распределение слоя топлива по длине решетки. Конструкция решетки Kablitz позволяет перемещать топливо с разной скоростью соответственно стадии горения. В результате выгорание топлива на таких решетках достигает 97%.

Наклонно-переталкивающие решетки идеально подходят для «многосоставного топлива», такого как щепа, древесная кора, отходы древесины (МДФ, OSB, ДСП), использованная древесина (A I-A IV), рисовая шелуха, оливковые косточки, лигнин, торф, мелкие фракции производных отходов, топливо из ТБО, сортированные отходы, RDF, бурый уголь, пеллеты.

Конструкция колосников и система их охлаждения адаптируется к типу топлива. При сжигании влажного топлива (коры, опилок, щепы) применяются колосники, охлаждаемые воздухом (наиболее экономичный вариант). Для сухого биотоплива или для топлива с пониженной температурой плавления золы оправданно применение водоохлаждаемых колосников.

Колосниковые решетки с верхней подачей топлива

Данный тип решеток идеально подходит для особенно влажного топлива.

Первая колосниковая решетка с верхней подачей топлива была разработана Рихардом Каблицем еще в 1921 году. Этот продукт, заменивший тогда обычную подвижную колосниковую решетку, был спроектирован специально для топлива с особенно низкой теплотой сгорания, такого, как бурый уголь, торф или древесные отходы.

Энергия из отходов. Использование древесного мусора в качестве топлива

Ключевое преимущество этой системы — эффект механической загрузки топлива колосниковой решеткой. Такое движение с верхней подачей отдельных колосников решетки позволяет большему объему воздуха достигать топливного слоя, что значительно улучшает сушку, дегазацию и выгорание (87% и выше). Это обеспечивает оптимальное сжигание даже грубого и сильно увлажненного топлива (до 65%), что в конечном итоге позволяет сократить в долгосрочной перспективе расходы на него.

Данный принцип загрузки топлива отличается от того, который используется в наклонно-переталкивающих колосниковых решетках. Колосники решеток в параллельной позиции формируют секции решетки, каждая из которых 1 м длиной. В каждом ряде секций располагаются рядом друг с другом попарно по одному неподвижному и одному подвижному в горизонтальной плоскости колоснику. Движением решетки можно управлять, изменяя длину хода, скорость движения и количество двигающихся колосников.

Горизонтальные колосниковые решетки дожига

Используются в качестве колосниковой решетки дожига летучей золы или как шлаковая решетка в сочетании с наклонно-переталкивающими колосниковыми решетками.

Решетка дожига — это секция решетки, последовательно подсоединенная к основной решетке, повышающая ее эффективность, обеспечивая полное сгорание топлива (TOC < 3%) и энергетический КПД, особенно в случаях использования топлива с включениями элементами различных размеров.

Плоские колосники, установленные на роликах на чугунной раме, раздвигаются гидравлическим приводом с необходимыми интервалами для разгрузки золы. Временные интервалы могут регулироваться вручную после проверки результата выгорания или устанавливаются автоматически в случае однородного топлива.

В сегменте котлов малой и средней мощности технология сжигания на колосниковых решетках всесторонне отработана с точки зрения применяемых конструкторских решений и материалов. Это позволяет тем, кто планирует строить ТЭЦ на отходах производства сегодня, достаточно просто, обратившись к специалистам, выбрать гарантированно работоспособное и эффективное решение для своего предприятия на основании анализа характеристик топлива и условий эксплуатации установки.

Если вы рассматриваете перспективу строительства энергоисточника на отходах, обратитесь в «Первый инженер», чтобы оценить целесообразность проекта по энергетической утилизации и подобрать оптимальную конфигурацию котельной, ТМУ или ТЭЦ на отходах.