CC BY
42
ствия. Современный подход // Компрессорная техника и пневматика. 2009. № 2. С. 16-23.
17. Марчук Г. И. Методы вычислительной математики. М.: Наука, 1980. 535 с.
18. Михлин С. Г. Приближенные методы решения дифференциальных и интегральных уравнений. М.: Наука, 1965. 384 с.
БУСАРОВ Сергей Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология».
ВАСИЛЬЕВ Владимир Константинович, доктор технических наук, профессор кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология».
БУСАРОВ Игорь Сергеевич, ассистент кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология».
САЖИН Богдан Сергеевич, магистрант группы Хм-151 факультета «Элитное образование и магистратура».
ПАНИН Юрий Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Нефтегазовое дело, стандартизация и метрология». Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 03.06.2017 г. © С. С. Бусаров, В. К. Васильев, И. С. Бусаров, Б. С. Сажин, Ю. Н. Панин
УДК 697341 С. В. ГЛУХОВ
М. В. ГЛУХОВА С. В. ЧИЧЕРИН
Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск
О ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОТЕЛЬНОЙ НА ВОЗОБНОВЛЯЕМОМ ТОПЛИВЕ (БЫТОВОМ МУСОРЕ) В СИСТЕМЕ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ГОРОДА ОМСКА
Проведен анализ оптимального расположения площадки термической утилизации бытового мусора (или подготовленного топлива на его основе) с определением тепловой мощности установки, исходя из величины замещаемых тепловых нагрузок, а также конкурентной стоимости одной Гкал отпущенной тепловой энергии. Утвержденные тарифы на отпуск тепловой энергии отопительных котельных превышают предельный уровень стоимости, рассчитанный по методу «альтернативной котельной» для источника на RDF-топливе. После обобщения имеющихся сведений начата работа над новой научно обоснованной, применимой в отечественных реалиях и пригодной для автоматизированной обработки последовательности действий. Предложен алгоритм для решения данной задачи, а также создания необходимого методологического аппарата. Ключевые слова: теплоснабжение, мусоросжигание, твердые бытовые отходы, источник, тариф, топливо.
Наступивший 2017-й год в Российской Федерации объявлен Указом Президента Российской Федерации Годом экологии.
Сложная экологическая ситуация в нашей стране предопределила ужесточение проводимой государственной экологической политики и, в частности, в области обращения с отходами. По оценке профильных ведомств ежегодный объем образующегося в РФ мусора достигает 60 млн тонн [1], причем на долю такого крупного города, как Омск, приходится порядка 0,6 млн тонн в год.
Традиционным способом использования отходов является их захоронение на полигонах, однако с принятием «Концепции долгосрочного социально-экономического развития РФ на период до 2020 года» и «Основ государственной политики в области
экологического развития РФ до 2030 года» в качестве основного способа обращения с отходами принята их утилизация, в т.ч. с внедрением новых эффективных технологий производства электрической и тепловой энергий.
В настоящее время в регионах принимаются программы обращения с отходами, направленные на внедрение схем утилизации и раздельного сбора мусора.
В городе Омске вопрос утилизации отходов стоит особенно остро, поскольку на начало 2017 года не принято решение о строительстве заводов по утилизации отходов. Вместе с тем последние два десятилетия на ряде областных форумов активно обсуждается возможность строительства мусоросжигательного завода.
Различными авторами указывается ряд негативных тенденций размещения данного объекта в Омской области в частности и в целом в городской среде (вблизи населенных пунктов), однако мировой опыт [2] и результаты инженерно-экологической экспертизы подобных проектов в Московской области и Республике Татарстан говорят о том, что технологии очистки при сжигании и утилизации бытового мусора существуют и активно внедряются. Регламентируется возможность включения в схему теплоснабжения населенного пункта источника теплоснабжения на возобновляемом виде топлива и в последней редакции [3].
Вместе с тем в литературе подчеркивается [4, 5], что приемлемая себестоимость термической утилизации одной тонны бытового мусора может быть достигнута только путем реализации тепловой энергии как попутного продукта при внедрении технологии. С учетом этого проведен анализ оптимального расположения площадки термической утилизации бытового мусора (или подготовленного топлива на его основе) с определением тепловой мощности установки, исходя из величины замещаемых тепловых нагрузок, а также конкурентной стоимости одной Гкал отпущенной тепловой энергии.
Очевидно, что за рубежом накоплен куда больший опыт строительства и эксплуатации предприятий утилизации отходов, что позволило, обобщив имеющиеся сведения [6], начать работу над новой, научно обоснованной, применимой в отечественных реалиях и пригодной для автоматизированной обработки последовательности действий. Таким образом, для решения данной задачи, а также создания необходимого методологического аппарата, авторами предложен следующий комплексный алгоритм:
1. Обобщение законодательных ограничений и нормативно-технической документации.
2. Оценка ключевых рисков влияния на окружающую среду.
2.1. Выбросы в воздух и сбросы в поверхностные источники водоснабжения.
2.2. Строительно-монтажные риски.
2.3. Шум и вибрация.
2.4. Потребление материально-технических и энергетических ресурсов в процессе строительства.
3. Выбор технологии.
3.1. Сбор, подготовка и хранение топлива:
— твердые коммунальные отходы (ТКО);
— промышленные отходы;
— иловый осадок.
3.2. Оценка стоимости производства 1 т у. т. подготовленного топлива.
3.3. Этап термической переработки:
— слоевое сжигание;
— сжигание в простых горелочных устройствах;
— сжигание с использованием циркулирующего кипящего слоя;
— предварительный пиролиз и газификация;
— другие технологии.
3.4. Этап рекуперации энергии.
4. Определение мощности перспективного источника на выбранном топливе и площадки его размещения.
5. Оценка выбросов и потребления.
5.1. Выбросы в атмосферу.
5.2. Вредные сбросы в воду.
5.3. Энергетическая эффективность предпри-
— удельная теплота сгорания подготовленного топлива;
— количество полезно использованной энергии топлива;
— потребление теплоты на собственные нужды;
— полезный отпуск тепловой энергии.
5.4. Оценка уровня шума;
5.5. Потребление прочих ресурсов (подпиточная вода, сжиженный или природный газ, электроэнергия).
6. Оценка капитальных затрат, стоимости производства тепловой энергии и окупаемости внедрения теплоисточника.
7. Доступные технологии повышения эффективности и безопасности технологических процессов при реконструкции завода по утилизации отходов.
7.1. Сортировка и частичная переработка поступающих отходов.
7.2. Средства увеличения турбулизации движения потоков, охлаждения рабочих элементов и контроля за сжиганием.
7.3. Рекуперация энергии посредством переохлаждения уходящих газов со снижением потерь и применением тепловых насосов.
7.4. Обработка уходящих газов.
7.5. Снижение золошлаковых выбросов.
7.6. Снижение кислотосодержащих выбросов, в т. ч. SO, и NO .
2 x
7.7. Снижение ртутьсодержащих выбросов.
7.8. Контроль качества воды и пара.
7.9. Утилизация несгораемого остатка.
Упрощенное решение задачи в рамках одного
населенного пункта можно представить как совокупность решений ряда лишь основных подзадач, к которым можно отнести:
1. Определение мощности перспективной котельной на возобновляемом топливе (бытовом мусоре) на территории г. Омска и площадки ее размещения.
2. Оценка стоимости производства 1 т у. т. подготовленного топлива.
3. Оценка капитальных затрат, стоимости производства тепловой энергии и окупаемости внедрения теплоисточника.
Решение данных подзадач взаимосвязано и представляет собой задачу оптимизации, т.к. увеличение мощности теплоисточника снижает удельные капитальные затраты, но при этом увеличивает себестоимость отпуска тепловой энергии из-за увеличения транспортного плеча доставки топливного сырья (бытового мусора).
Определение мощности перспективной котельной на возобновляемом топливе (бытовом мусоре) на территории г. Омска и площадки ее размещения. Система теплоснабжения города Омска имеет высокую степень централизации с преимущественно комбинированной выработкой тепловой энергии. Однако значительная протяженность города по обоим берегам р. Иртыша и строительство районов комплексной застройки на городских окраинах, вдали от существующих ТЭЦ, в последнее время несколько снижают процент использования тепловой энергии выработанной в комбинированном цикле.
При выборе площадки размещения перспективной котельной авторами рассмотрены варианты нахождение поблизости теплоисточников, имеющих высокий износ основных фондов с одновременно высоким тарифом на подачу тепловой энергии и теплоносителя, а также перспективные микрорайоны,
Таблица 1
Технико-экономические показатели источников тепловой энергии
Показатель Наименование теплоисточника
котельная МП г. Омска «ТК» котельная МП г. Омска «ТК» котельная ООО «СМТ Стройбетон»
Адрес п. Крутая Горка, ул. Российская, 4а п. Береговой ул. Байдукова, 25
Тариф на ТЭ, руб./Гкал 1650,75 1650,75 2107,55
Установленная мощность, Гкал/ч 29,07 27,08 28,38
Подключенная тепловая нагрузка, Гкал/ч 18,20 14,10 22,70*
Годовой отпуск тепла, Гкал 59 509 58 065 62 200*
Годовой расход усл. топлива, т у. т. 9628 9372 9870*
* — данные приняты оценочно из-за отсутствия в схеме теплоснабжения г. Омска
Таблица 2
Показатели перспективной тепловой нагрузки в зоне действия котельной ООО «СМТ Стройбетон»
№ п/п Год ввода Тепловая нагрузка, Гкал/ч
на отопление на вентиляцию на ГВС суммарная
1 2017 0,867 0,257 0,043 1,156
2 2019 4,803 0,234 0,937 5,974
3 2020 4,871 1,520 0,757 7,148
4 2022 7,756 1,484 1,277 10,517
5 2023 0,611 0,183 0,030 0,824
6 2024 4,074 0 1,059 5,133
7 2025 12,729 2,139 2,745 17,613
За период до 2025 года 35,711 5,817 6,848 48,365
в которых, согласно действующей схеме теплоснабжения г. Омска, предлагается строительство блоч-но-модульных локальных котельных.
Планируется учитывать составляющую изменения объемов потребления тепловой энергии и теплоносителя за счет ввода в эксплуатацию новых объектов и снятия (отключения) тепловой нагрузки. Так, жилой фонд 30-50-х годов постройки имеет в 2-2,5 раза выше удельную отопительную нагрузку, чем панельные дома типовых серий, а величина теплопотребления жилого объекта слабо коррелирует с его этажностью и материалом ограждающих конструкций с учетом фактического состояния и может быть точно определена лишь в результате теплотехнического расчета. Проводимый капитальный ремонт систем отопления и ГВС сопровождается установкой автоматических устройств, что несколько уменьшает суммарную тепловую нагрузку здания. При этом дома 30-50-х годов постройки с большим теплопотреблением в основном и определяют перспективу снятия нагрузки в связи с действием региональной адресной программы по переселению граждан из аварийного жилищного фонда. Значительная часть таких потребителей в настоящее время подключена по открытой схеме присоединения системы ГВС, что приводит к увеличению расхода сетевой воды [7].
В результате анализа существующих теплоисточников на предмет их износа, территориального расположения и величины тарифа на отпускаемую тепловую энергию было решено провести исследование возможности замещения существующих мощностей для теплоисточников представленных в табл. 1, на основе данных [8, 9].
Дополнительный анализ строительства в городе перспективных микрорайонов показал, что для обеспечения их тепловых нагрузок (на основе схемы теплоснабжения города) требуется ввод в эксплуатацию локальных газовых котельных (табл. 2).
По каждому из представленных в табл. 1 был проведен анализ размещения площадки котельной на возобновляемом топливе (бытовом мусоре) с учетом требований [10] и розы ветров, предлагаемые места размещения представлены на рис. 1-3.
Для каждого из представленных мест расположения перспективных котельных было рассчитано «плечо доставки» подготовленного топлива из места его предполагаемого получения Надеждинского полигона, эксплутируемого ООО «ЖКХ «Сервис», которое составило: для котельной по ул. Байдукова — 31 км, котельной пос. Береговой — 11 км, котельной пос. Крутая Горка — 23 км.
Оценка стоимости производства 1 т у. т. подготовленного топлива. В качестве топлива для
Рис. 2. Место расположения существующего (1) и перспективного (2) источника тепловой энергии в пос. Береговой
рассматриваемых перспективных котельных предлагается использовать топливо, полученное из отходов (ТПО) (по международной классификации — ЯББ-топливо), имеющее низшую теплоту сгорания в пределах 4200 — 5200 ккал/кг с рабочей влажностью в пределах Шр = 7,0 — 25,5 % и зольностью Ар = 14,0-17,3 %.
Текущие потребности трех рассматриваемых теплоисточников в топливе оцениваются на уровне 29 тыс т у.т. с перспективой роста потребления до 40 тыс т у. т.
Производительность линии по подготовке ЯБР-топлива с учетом коэффициента загрузки на уровне 0,8 потребления топлива в отопительном сезоне
и готовности к работе в течение 300 дней в году оценивается на уровне 9 тонн/час.
Данная производительность может быть покрыта установкой полуавтоматической линии сортировки ТБО производительностью 35 т/ч по сырью, имеющей выход ЯБР-топлива на уровне 25 % и вторсырья на уровне 15 % с совокупной стоимостью строительно-монтажных работ на уровне 200 млн руб. и стоимостью линии сортировки на уровне — 370 млн руб. [5].
При общем энергопотреблении завода на уровне 0,5-1,5 МВт с водопотреблением по химочищенной воде на уровне 70 куб. м/сут. и технической воды на уровне 50 куб. м/сут. себестоимость производ-
сад. уч. Радуга-3
Крутая Горка
сад. уч. машиностроитель
сад. уч. Химик
Рис. 3. Место расположения существующего (1) и перспективного (2) источника тепловой энергии в пос. Крутая Горка
Таблица 3
Оценка установленной мощности перспективных котельных и капитальных затрат
№ п/п Наименование перспективного теплоисточника Установленная мощность, Гкал/ч Годовое потребление КБР-топлива, т н. т. Ожидаемые капзатраты, млн руб.
1 котельная в пос. Крутая Горка 24 14 300 574
2 котельная в пос. Береговой 20 13 800 556
3 котельная по ул. Байдукова 36 29 780 1197
Таблица 4
Расчет предельной стоимости тепловой энергии по методу альтернативной котельной
Наименование составляющей предельного уровня цены Наименование перспективного теплоисточника
котельная в пос. Крутая Горка котельная в пос. Береговой котельная по ул. Байдукова
— обеспечивающая компенсацию расходов на топливо, руб./Гкал 276,6 268,3 283,69
— обеспечивающая возврат капитальных затрат*, руб./Гкал 964,6 957,5 910,1
— обеспечивающая компенсацию расходов на уплату налогов, руб./Гкал 110,64 107,33 113,48
— обеспечивающая компенсацию прочих расходов, руб./Гкал 240,6 233,4 246,8
— обеспечивающая создание резерва по сомнительным долгам, руб./Гкал 39,3 38,1 40,3
Предельный уровень цены на тепловую энергию, руб./Гкал 1631,7 1604,7 1594,4
Разница с существующим тарифом, руб./ Гкал 19,0 46,0 513,2
Срок окупаемости, лет 9,8 9,5 6,4
48
* — период возврата инвестиций принят в расчете 10 лет.
ства 1 т RDF-топлива в ценах 2015 года составляет 500 руб./т, а отпускная цена на уровне 900 — 1100 руб./т.
Удельная стоимость транспортировки RDF-топлива составляет 3 руб./(т • км) [11]. Таким образом, с учетом затрат на транспортировку стоимость одной тонны подготовленного топлива составит: для котельной по ул. Байдукова — 1200 руб./т, котельной пос. Береговой — 1135 руб./т, котельной пос. Крутая Горка — 1170 руб./т.
Оценка капитальных затрат, стоимости производства тепловой энергии и окупаемости внедрения теплоисточника. На основе текущей и перспективной тепловой нагрузки рассматриваемых теплоисточников (табл. 1, 2), с учетом требований [12] и имеющихся потерь в тепловых сетях [7] был произведен анализ установленной мощности перспективных теплоисточников на ТБО, в результате получены следующие данные (см. табл. 3).
Капитальные затраты получены на основе используемых в странах ЕС технологий утилизации бытовых отходов исходя из удельных капитальных затрат 670 долл./т н.т. в год.
Оценка предельного уровня стоимости тепловой энергии была произведена в соответствии с [13] и сведена в табл. 4.
Таким образом, предельный уровень цены на тепловую энергию, выработанную перспективными котельными на возобновляемом топливе, будет ниже, чем текущий тариф от рассматриваемых котельных, при сохранении которого окупаемость внедрения составит менее 10 лет.
Выводы.
1. Имеющиеся технологии подготовки топлива из бытового мусора позволяют осуществлять производство RDF-топлива с теплотой сгорания, соизмеримой с бурыми углями по меньшей стоимости с учетом транспортной доставки.
2. Утвержденные тарифы на отпуск тепловой энергии отопительных котельных превышают предельный уровень стоимости тепловой энергии, рассчитанной по методу альтернативной котельной для источника на RDF-топливе.
3. Замещение существующих теплоисточников котельными на RDF-топливе должно производиться только после проведения необходимой инженерно-экологической экспертизы.
Библиографический список
1. Пути отходов / Инфографика // Вокруг света. 2012. № 7 (2862). С. 22.
2. Ulloa P. Potential for combined heat and power and district heating and cooling from waste-to-energy facilities in the US — learning from the Danish experience: thesis. Columbia University, 2007. URL: http://www.seas.columbia.edu/earth/wtert/sofos/ ulloa_thesis.pdf (дата обращения: 03.05.2017).
3. О требованиях к схемам теплоснабжения, порядку их разработки и утверждения: постановление Правительства РФ от 22 февраля 2012 г. № 154 (с изм. и доп.). Доступ из справ.-правовой системы «Консультант плюс».
4. Тугов А. Н. Перспективы использования твердых бытовых отходов в качестве вторичных энергетических ресурсов в России // Теплоэнергетика. 2013. № 9. С. 56 — 61.
5. Кайгородов О. Переработка ТБО — сочетание многих технологий // The Chemical Journal. 2015. № 1 — 2. С. 66 — 71.
6. Integrated Pollution Prevention and Control. Reference Document on Best Available Techniques for Waste Treatments Incineration. European Commission, 2006. URL: http://eippcb.jrc. ec.europa.eu/reference/BREF/wt_bref_0806.pdf (дата обращения: 03.03.2017).
7. Чичерин С. В. Анализ единичной структуры существующего и перспективного потребления системы централизованного теплоснабжения // Инженерный вестник Дона. 2017. № 1. URL: http://ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_80_ Chicherin.pdf_97a961d9fa.pdf (дата обращения: 03.04.2017).
8. Схема теплоснабжения города Омска на период до 2030 года (актуализация на 2016 год). URL: http://admomsk.ru/web/ guest/government/divisions/35/heat-supply-scheme (дата обращения: 03.04.2017).
9. Тарифы на коммунальные услуги по городу Омску на 2016 год. URL: http://www.admomsk.ru/web/guest/progress/ rates/people/info-2016 (дата обращения: 12.03.2017).
10. О введении в действие новой редакции санитарно-эпидемиологических правил и нормативов СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 «Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов» (с изм. и доп.: постановление гл. гос. санитарного врача РФ от 25.09.2007 № 74. Доступ из справ.-правовой системы «Консультант плюс».
11. Концепция создания мощностей по производству альтернативного топлива из твердых коммунальных отходов и его использования. Утверждено постановлением Совета министров Республики Беларусь. Прил. 4. URL: http://www. government.by/ru/solutions/2598 (дата обращения: 03.02.2017).
12. СП 89.13330.2012. Котельные установки. Актуализированная редакция СНиП II-35-76: свод правил. М., 2012. 110 с. URL: http://atriumnn.com/assets/files/zakonodatelstvo/ sp-89.13330.2012-aktualizirovannaya-redakciya-snip-ii-35-76-kotelnye-ustanovki.-normy-proektirovaniya-.pdf (дата обращения: 20.02.2017).
13. Об утверждении правил определения в ценовых зонах теплоснабжения предельного уровня цены на тепловую энергию (мощность), технико-экономических параметров работы котельных и тепловых сетей, используемых для расчета предельного уровня цены на тепловую энергию (мощность), включая правила индексации предельного уровня цены на тепловую энергию (мощность): проект постановления Правительства РФ (подготовлен Минэнерго России 05.02.2016). Доступ из справ.-правовой системы «Консультант плюс».
ГЛУХОВ Сергей Витальевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика». ГЛУХОВА Мария Викторовна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика». ЧИЧЕРИН Станислав Викторович, аспирант кафедры «Теплоэнергетика».
Адрес для переписки: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35.
Статья поступила в редакцию 24.04.2017 г. © С. В. Глухов, М. В. Глухова, С. В. Чичерин
