CC BY
52Анализ использования пеллет из твёрдых бытовых отходов в качестве топлива для газификационных установок
сч
0 сч
01
о ш m
X
<
m о х
X
Кашников Сергей Владимирович
аспирант, кафедра теплогазоснабжения и вентиляции, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, [email protected]
Выделены основные аспекты утилизации твёрдых бытовых отходов на территории Российской Федерации. Рассмотрен усредненный состав твёрдых бытовых отходов на территории Ленинградской области за последние пять лет. Отмечены способы утилизации твёрдых бытовых отходов на территории России, как широко распространенные, так и не имеющие широкого распространения на данный момент. Указаны основные преимущества топлива из органической части твёрдых бытовых отходов. Рассмотрен процесс газогенерации в газогенераторной установке с обращённым процессом газификации и последующей очисткой и охлаждением синтез-газа для возможности его использования в отопительных котельных. Приведены данные по энергетическим характеристикам синтез-газа, анализ которых показывает, что синтез-газ, полученный из обработанных твёрдых бытовых отходов, пригоден для использования в отопительных котельных.
Ключевые слова: газификация, синтез-газ, выбросы, твёрдые бытовые отходы, теплоснабжение.
Твёрдые бытовые отходы, размещаемые на городских свалках, различаются по составу и количеству в зависимости от многих факторов: региона, периода года, степени урбанизации местности. Для такого высокоурбанизированного региона, как Ленинградская область, основная часть твёрдых бытовых отходов по данным на последние пять лет, состоит из следующих компонентов: пищевые отходы - 27,4%, бумага - 21,5%, пластмасса -15,2%, минералы и керамика - 12,8%, стекло - 8,9%, металл - 4,6%, кожа и резина - 4,3%, древесина - 2,5%, прочие отходы - 2,8% [1, 2].
В среднем, человек производит около 200 кг отходов в год, соответственно, город с населением около 5 млн. человек ежедневно вырабатывает более двух с половиной тысяч тонн отходов каждый день. Солгасно аналитическому отчету «Обзор российского рынка переработки твёрдых коммунальных (бытовых) отходов», произведенному Центром маркетинговой компетенции в области чистых технологий маркетинговой группы «Текарт» в 2015м году, объем производства твёрдых бытовых отходов в Российской федерации составляет примерно 40 млн. тонн при возможном потенциале экологичной и энергоэффективной переработки около 14 млн. тонн или минимум 35%, но при этом более 87% отходов просто вывозятся и захороняются на полигонах и свалках [3]. При этом всего около 7% всех отходов идёт на переработку.
Несмотря на то, что использование твёрдых бытовых отходов в качестве альтернативного источника энергии имеет широкое распространение на Западе, в России захоронение отходов является основным способом их утилизации. Этот способ утилизации отходов несёт в себе две основные проблемы: загрязнение окружающей среды и неиспользование энергии, которую можно получить при правильном использовании органической части твёрдых бытовых отходов. Соответственно, решая одну проблему -проблему грамотной утилизации твёрдых бытовых отходов - можно получить выигрыш сразу по трём направлениям: экологическому, энергетическому и экономическому.
В качестве одного из направлений экологичного и энергоэффективного способа утилизации твёрдых бытовых отходов разберём преобразование органической части этих отходов в RDF - Refuse Derived Fuel или отходы, подвергшиеся обработке. Данное топливо может быть использовано в энергоустановках, в ТЭЦ, в печах заводов. Использование очень высоких температур в технологических процессах позволяют использовать RDF, уменьшая вред, наносимый окружающей среде, по сравнению с традиционным сжиганием отходов.
RDF - топливные брикеты и пеллеты, полученные с помощью сепарации твёрдых бытовых отходов, во время которой отбирается их органическая часть с теплотой сгорания, подходящей для энергоустановок и печей. После сепарации происходит измельчение данной части отходов, прессование данных отходов для увеличения плотности, а значит, и теплотворной способности, конечного топлива и нарезка полученного материала на брикеты или пеллеты.
В данной работе предложен к рассмотрению способ использования RDF как источника энергии для газифи-кационных установок, принцип работы которых заключается в преобразовании твёрдых бытовых отходов в газ, пригодный для использования в энергоустановках, таких, как отопительные котельные.
Рассмотрим основные преимущества использования RDF в качестве топлива для газогенераторов по сравнению с «традиционными» способами утилизации органической части отходов: прямым сжиганием или захоронением.
Одно из основных преимуществ - возможность значительно снизить как количество мусоросжигательных заводов, так и количество полигонов, где происходит захоронение твёрдых бытовых отходов. Это благоприятно повлияет на качество окружающей среды в регионе сразу по двум направлениям: уменьшение количества заводов по сжиганию отходов значительно увеличит чистоту воздуха в районах, где они были расположены, а сокращение количества полигонов по захоронению не может не отразиться на улучшении состояния почвы в местах их расположения [4].
Ещё одно преимущество - более низкий уровень загрязнения окружающей среды по сравнению с сжиганием традиционного твёрдого топлива в энергоустановках, который обуславливается более продолжительным нахождением продуктов газификации RDF в зонах окисления и восстановления. Помимо термического разложения RDF, в данных зонах происходит дехлорирование диоксинов, по-лихлорбифенилов и других полициклических углеводородов, что положительно сказывается на чистоте конечного продукта газификации - синтез-газа [5].
Следующее преимущество газификации RDF -меньший механический недожог топлива в процессе газификации в результате того, что в ходе данного процесса в зольном остатке и в самом синтез-газе практически отсутствует непрореагировавший углерод [5].
Зона термического
Зона окисления
Зона
восстановления
процесс выбран ввиду того, что на выходе из газогенератора с использованием данного процесса в продуктах газификации достигается наименьшая концентрация вредных примесей, что связано с прохождением генераторного газа через наиболее высокотемпературную зону перед покиданием топки. Благодаря этому достигается наиболее полное разложение смол в синтез-газе.
RDF, заранее подготовленный для газификации, подается в газогенератор, в топке которого и происходит обращенный процесс газификации. Топливо для газогенератора проходит сначала через зону термического разложения, после чего продукты термического разложения углеводородов поступают в зону подачи газифицирующего агента, в роли которого может выступать воздух, паровоздушная смесь, чистый кислород. В данной зоне происходят реакции окисления углерода и водорода топлива до углекислого газа и водяных паров соответственно:
С + 02 С02 2Я2 +02 ^2Я20 Данные процессы протекают с выделением тепловой энергии.
Далее топливо поступает в зону восстановления, где протекают реакции восстановления углерода до оксида углерода (ll) с потреблением тепловой энергии: С+ С02^2С0 С + Я2О^СО + Я2 Неочищенный синтез-газ с высокой температурой поступает в котёл-утилизатор для охлаждения, где дополнительно происходит механическая очистка от циа-новодорода и соляной кислоты [6]. После этого газ поступает в зону очистки от сернистых соединений.
Синтез-газ, прошедший данные ступени очистки, может быть использован как в газовых турбинах, так и напрямую в газовых котлах, которые оборудованы горелками для сжигания синтез-газа.
Низшая теплота сгорания синтез-газа, полученного из RDF, рассчитанная по формуле Д.И. Менделеева для температуры газификации 1100 °С при пароплазменном способе газификации, при следующих долях выхода компонентов: CO - 23,39%, CO2 - 6,23%, H2 - 46,68%, N2 - 0,49%, H2O - 23,18% [7], составит
QP = 30,2 • СО + 25,8 • Н2 + +85,55 • СЯ4 + 54,7 • H2S + 141,07 • С2Я4 + +152,26 • С2Я6 + 217,95 • С3Я8 + +335,28 • С2Я6 = = 30,2 • 23,39 + 25,8 • 46,68 = = 1910,72 ккал/нм3 = 1910,72 • 4,1868 = кДж мДж
= 7999,8-
= 7,9998
Рис. 1. Схема газогенераторной установки с обращенным способом газификации: 1 - топливо для газогенератора (RDF); 2 - газогенератор; 3 - сброс шлака; 4 - установка по охлаждению и очистке синтез-газа; 5 - узел очистки синтез-газа от сернистых соединений; 6 - энергоустановка, работающая на синтез-газе.
Схема процесса газификации представлена на рисунке 1. В данной схеме используется газогенератор с обращённым процессом газогенерации. Обращённый
„л3 нм3
При более высоких температурах газификации, как и при использовании газифицирующих объектов, отличных от воздуха, наравне с применением современных технологий газификации твёрдых бытовых отходов, можно получить синтез-газ с более высокой теплотой сгорания.
Данный анализ позволяет определить, что альтернативные способы утилизации твёрдых бытовых отходов имеют ряд экологических, энергетических и экономических преимуществ перед традиционными способами, получившими наибольшее распространение на территории России. Использование твёрдых бытовых отходов в качестве топлива для газогенераторов позволяет ре-
X X
о
го А с.
X
го m
о
ю
2 О
м
шить 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.
Литература
1. Козлов Г.В., Ивахнюк Г.К. Морфологический состав твердых коммунальных отходов по регионам мира в ХХ и начале XXI века (обзор) // Известия СПбТИ(ТУ). 2014. № 24. С. 58—66.
2. Колычев Н.А. Анализ динамики объема твердых коммунальных отходов и их компонентный состав // Ре-циклинг отходов. 2015. № 5—6 (50—60). С. 73—79.
3. Откидычев В.В. Топливо из отходов // Энергетика. 2019. №2. С. 56-60.
4. Кашников С.В., Бирюзова Е.А. Экологические и экономические преимущества использования генераторного газа из твёрдых бытовых отходов // Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Атомная энергетика : материалы Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной памяти проф. Данилова Н. И. (1945-2015) Е : УрФУ. 2018. - С. 936-938.
5. Безруких В.Ю., Авласевич А.И., Оленев И.Б. Установка по обезвреживанию бытовых отходов методом газификации // Вестник КрасГАУ. 2016. №7. С. 121-125.
6. Букхало С.И., Ольховская О.И. Анализ возможностей комплексных технологий утилизации полимерной части твёрдых бытовых отходов // Повышение эффективности процессов и аппаратов в химической и смежных отраслях промышленности : сборник научных трудов Международной научно-технической конференции, посвящённой 105-летию со дня рождения А.Н. Планов-ского. М : ФГБОУ ВО «Московский государственный университет дизайна и технологии», 2016. - С. 168-170.
7. Морозенко М.И. и др. Исследование характеристик генераторного газа при пароплазменной газификации ТБО // Успехи современного естествознания. М : Издательский Дом Академия Естествознания. 2016. - С. 141147.
Analysis of use of pellets from solid waste as fuel for gasification plants
JEL classification: C10, C50, C60, C61, C80, C87, C90_
Kashnikov S.V.
St. Petersburg state university of architecture and civil engineering The main aspects of solid waste disposal in the territory of the Russian Federation are highlighted. The average composition of solid household waste on the territory of the Leningrad region over the past five years is considered. Methods of utilization of solid household waste on the territory of Russia, both widespread and not widespread at the moment, are noted. The main advantages of fuel from the organic part of solid household waste are indicated. The process of gas generation in a gas generating plant with a reverse gasification process and subsequent purification and cooling of syngas for the possibility of its use in heating boilers is considered. Energy characteristics of syngas are presented, the analysis of which shows that the syngas obtained from the processed solid domestic waste is suitable for use in heating boilers. Keywords: gasification, syngas, emissions, municipal solid waste, heat
supply. References
1. Kozlov G.V., Ivakhnyuk G.K. Morphological composition of municipal solid
waste by regions of the world in the XX and early XXI centuries (review) // Izvestia SPbTI (TU). 2014. No. 24. P. 58-66.
2. Kolychev N.A. Analysis of the dynamics of the volume of municipal solid
waste and their component composition // Waste recycling. 2015. No. 56 (50-60). P. 73-79.
3. Otkidychev V.V. Fuel from waste // Energetika. 2019. No. 2. P. 56 60.
4. Kashnikov S.V., Biryuzova E.A. Environmental and economic advantages
of using generator gas from solid household waste // Energy and resource saving. Power supply. Unconventional and renewable energy sources. Nuclear Power: Materials of the International Scientific and Practical Conference of Students, Postgraduates and Young Scientists, dedicated to the memory of prof. Danilov N.I. (1945-2015) E: UrFU. 2018 .- P. 936-938.
5. Bezrukikh V.Y., Avlasevich A.I., Olenev I.B. Installation for neutralization of
household waste by gasification method // Bulletin of KrasGAU. 2016. No. 7. P. 121-125.
6. Bukhalo S.I., Olkhovskaya O.I. Analysis of the possibilities of integrated
technologies for the disposal of the polymer part of solid domestic waste // Increasing the efficiency of processes and devices in the chemical and related industries: collection of scientific papers of the International Scientific and Technical Conference dedicated to the 105th anniversary of A.N. Planovsky. M: FGBOU VO "Moscow State University of Design and Technology", 2016. - P. 168-170.
7. Morozenko M.I. et al. Investigation of the characteristics of the generator
gas during steam-plasma gasification of solid waste // Successes of modern natural science. M: Publishing House Academy of Natural Sciences. 2016 .- P. 141-147.
CS
0
CS
01
О Ш
m
X
<
m О X X
