CC BY
51Перспективы использования твердых бытовых отходов в качестве альтернативного источника энергии
Кашников Сергей Владимирович
аспирант, кафедра теплогазоснабжения и вентиляции, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, kashnikovsergey@gmail.com
Рассмотрен состав твёрдых бытовых отходов на территории Российской Федерации и в зарубежных странах. Произведено сравнение результатов исследований двух источников. По результатам сравнения определено среднее количество твёрдых бытовых отходов, пригодных для преобразования в альтернативное топливо. Рассмотрены способы получения энергии из твёрдых бытовых отходов - пиролиз и газификация топлива. Описан процесс производства топлива из твёрдых бытовых отходов. Выделены основные виды топлива из отходов, которые можно использовать в газификационных установках. Приведены данные по характеристикам топлива, пригодного для получения синтез газа, рассмотрен способ расширения границ использования данного топлива. Описаны исследования, проводимые российскими предприятиями, направленные на повышение качества топлива из твёрдых бытовых отходов для увеличения калорийности синтез-газа, получаемого из данного топлива.
Ключевые слова: синтез-газ, газификация, топливо, твёрдые бытовые отходы, теплоснабжение.
Практически во всех развитых странах в последнее время уделяется очень большое внимание вопросам экологии. Увеличивающееся количество выбросов в атмосферу, водоемы, почву, связанное как с ростом населения планеты, так и с постоянно растущими объёмами производства как в промышленной, так и в бытовой сферах, которые не могут не нести с тобой большое количество отходов, из которых немалую долю составляют твёрдые бытовые отходы. Несмотря на то, что в общемировой практике уже широко распространены технологии по экологичной утилизации данных отходов, в России данные методы на данный момент не имеют такого уровня распространения, как в европейских странах.
Говоря о твёрдых бытовых отходах, необходимо понять, какие именно отходы можно отнести к данной категории. Согласно [1], твёрдые бытовые отходы - это отходы, которые образуются в ходе жизнедеятельности человека: при пищеприготовлении, содержании домашних животных, ремонте и уборке помещений. К твёрдым бытовым отходам также относятся предметы, которые в ходе эксплуатации потеряли свои потребительские свойства.
Рассматривая состав твёрдых бытовых отходов в зависимости от страны, можно сделать вывод о том, что несмотря на то, что жизнедеятельность людей в разных странах имеет схожий характер, состав отходов в ходе жизнедеятельности будет отличаться.
Ниже представлена таблица, показывающая усреднённый состав твёрдых бытовых отходов в разных странах согласно исследованиям Центра маркетинговой компетенции в области чистых технологий маркетинговой группы «Текарт» [2].
Таблица 1
Усреднённый состав твёрдых бытовых отходов в разных странах_
Виды материа- США Страны Респуб- Россий-
лов Европы лика Ко- ская Феде-
рея рация
Бумага, картон 31 % 19,6 % 27 % 30 %
Пищевые отходы 12,7 % 21,7 % 23 % 35 %
Пластик 12 % 6,5 % 7 % 6 %
Металлы 8,4 % 26,4 % 9 % 6 %
Стекло 4,9 % 5,3 % 5 % 3 %
Дерево 6,6 % 17,4 % 4 % 2 %
Прочие отходы 24,4 % 3,1 % 25 % 18 %
Для более точного анализа рассмотрим также состав твёрдых бытовых отходов за первое десятилетие XXI века, который был выполнен в ходе анализа изменения морфологического состава твёрдых бытовых отходов на протяжении последнего столетия [3]. Данные для определения состава отходов по России усреднены по следующим городам: Санкт-Петербург, Ижевск, Калуга. Данные по странам Европы усреднены по следующим странам: Австрия, Бельгия, Англия, Италия, Швейцария.
По данным двух исследований видно, что доля полимеров в твёрдых бытовых отходах в России в среднем
составляет 5,5%, что при общем объеме производства твёрдых бытовых отходов в 40 млн. тонн в год [4] составляет более 2 млн. тонн в год.
Таблица 2
Среднегодовой состав твёрдых бытовых отходов некото-
Виды США Страны Канада Россий-
материалов Европы ская Федерация
Бумага, картон 39 % 34 % 52 % 21 %
Пищевые отходы 16 % 26 % 15 % 38 %
Пластик 5 % 6 % 4 % 5 %
Металлы 8 % 6 % 5 % 5 %
Стекло 9 % 8 % 6 % 7 %
Дерево 15 % 2 % 2 % 7 %
Прочие отходы 8 % 18 % 16 % 17 %
В настоящее время в России основной способ утилизации отходов - захоронение, которому подвергается более 87% отходов [4], хотя увеличив долю перерабатываемых, а не захороняемых или сжигаемых отходов, в регионах, использующих энергию, которой обладают углеводороды твёрдых бытовых отходов, можно улучшить ситуацию как экологическую, так и энергетическую.
Самыми экологичными способами утилизации твёрдых бытовых отходов с возможностью получить энергию из углеводородной их части являются пиролиз и газификация.
Пиролиз - термическое разложение органических веществ при отсутствии кислорода при температурах 350-750 °С. Данный способ позволяет получить на выходе пиролизный газ, который можно в дальнейшем использовать как топливо для энергоустановок.
Более эффективным методом утилизации твёрдых бытовых отходов является их газификация. Данный метод реализуется при более высоких температурах - от 800°С и с использованием газифицирующего агента -воздуха, паровоздушной смеси, чистого кислорода. Продуктом процесса газификации является генераторный газ или синтез-газ, энергетические показатели которого зависят от состава исходного сырья, температуры газификации и вида газифицирующего агента.
Наиболее эффективным способом подготовки твёрдых бытовых отходов к газификации является их пелле-тирование или брикетирование с получением так называемого RDF - Refuse Derieved Fuel. Данное топливо для газификации получается путём предварительной сепарации, дробления и обезвоживания твёрдых бытовых отходов. Во время данных процессов из отходов выбирается горючая часть с максимальной теплотой сгорания.
Общемировая практика изготовления RDF из твёрдых бытовых отходов сформировала ряд процессов, которые могут незначительно отличаться друг от друга в зависимости от условий производства, но в общем включающих в себя следующие пункты [5, 6]:
• первичную сортировку на месте складирования твёрдых бытовых отходов;
• транспортировку отходов к локации их обработки;
• автоматическую или ручную сепарацию отходов;
• измельчение отходов на специально подготовленных установках;
• финальную сепарацию отходов с повторным измельчением слишком крупных фракций;
• перемешивание полученной массы до однородного состояния;
• обезвоживание полученной массы
• изготовление брикетов или пеллет, которое включает в себя прессование, термическую обработку, нарезку полученного продукта.
Для получения наиболее качественного RDF при его производстве необходимо произвести сепарацию с использованием в том числе магнитов во избежание попадания в конечный продукт металлов, которые в процессе газификации будут выступать в роли балласта, а после сепарации возможно вторичное их использование после переработки. Также происходит отделение органической биомассы, которая может иметь повышенные показатели влажности. Данная биомасса может быть в дальнейшем использована в качестве компоста или, в случае отсутствия необходимости изготовления материала для компостирования, она может быть захоронена для естественного перегнивания.
Первичный, необработанный RDF, так называемый c-RDF, содержит в себе средние и мелкие фракции полимеров, бумаги, ткани и прочей органики и уже может быть использован в качестве топлива для газогенераторов, однако имеет смысл преобразовать его в d-RDF -полностью осушенный и спрессованный вариант RDF, сформированный в брикеты или пеллеты [7].
Одним из важнейших показателей, по которым можно судить о качестве RDF, является его теплотворная способность, которая напрямую зависит от количества в сырье горючих элементов. По данным исследований [7], значения теплоты сгорания RDF находятся в границах от 12 до 18 МДж/кг. При этом можно варьировать теплоту сгорания топлива, добавляя в него элементы, обладающие более высокой теплотой сгорания. Несмотря на то, что это увеличивает стоимость производства RDF, это так же позволяет расширить и его зону применения, позволяя на выходе из газогенератора получать более калорийный синтез-газ, что позволит, например, использовать его в качестве топлива в отопительных котельных.
Основным моментом при изготовлении d-RDf помимо прессования является также его торрефикация, которая позволяет получить более однородные пел-леты или брикеты для отправки их на газификацию.
Процесс торрефикации, или спекания, может происходить перед прессованием и нарезкой пеллет или брикетов, что описано в [7], но он так же может происходить во время прессования, когда стенки пресса нагреваются и происходит «запекание» RDF. Это позволяет избавиться от лишней влаги в топливе и в данном случае пеллеты и брикеты изготавливаются без дополнительных связующих элементов, т.к. в их роли выступают расплавленные полимеры.
Несмотря на то, что в настоящее время на территории Российской Федерации производство и использование RDF не распространено достаточно широко, некоторые российские предприятия проводят исследования по получению RDF высокого качества. Проводятся исследования по разработке технологических процессов по брикетированию RDF с использованием различных связующих [6].
Для того, чтобы развивать технологию пеллетирова-ния и брикетирования RDF, проводятся исследования с применением физико-химических воздействий, таких
X X
о
го А с.
X
го m
о
ю
2 О
м
CS
0
CS
in
01
О Ш
m x
<
m о x
X
как управляемые температурные воздействия на топливо, вибрационные воздействия, механоактивация [7]. Исследуются теплотехнические показатели RDF, что позволяет определить границы применения различных сортов этого топлива. Разрабатываются новые технологии пеллетирования и брикетирования, где для спекания компонентов используются компоненты самого топлива: полиэтилен, различные пластики в составе твёрдых бытовых отходов [7].
Данные исследования и их результаты в виде новых видов RDF говорят о том, что несмотря на низкий процент использования в России такого нетрадиционного источника энергии, как твёрдые бытовые отходы, технологии его использования постепенно развиваются и при должном внимании со стороны производителей топлива и потенциальных потребителей энергии, которую можно получить при использовании этого топлива, доля использования альтернативной энергии во многих регионах может увеличиться, что положительно скажется как на экологической обстановке в этих регионах, а также снизит уровень потребления традиционных источников энергии.
Литература
1. ГОСТ Р 53691-2009 Ресурсосбережение. Обращение с отходами. паспорт отхода I-IV класса опасности. Основные требования: утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 15 декабря 2009 г. N 1091-ст: дата введения 2011-01-01. - URL: https://docs.cntd.ru/document/1200081173 (дата обращения 25.04.2021). - Текст: электронный
2. Маркетинговые исследования российского рынка переработки твёрдых бытовых отходов // Департамент маркетинговых исследований Research. Techart. 2010 г.
3. Ильиных Г.В., Коротаев В.Н. Использование данных о морфологическом составе ТБО при технико-экономическом обосновании технологий обращения с отходами // модернизация и научные исследования в транспортном комплексе Пермь: Пермский национальный исследовательский политехнический университет. 2013. С. 178-187
4. Откидычев В.В. Топливо из отходов // Энергетика. 2019. №2. С. 56-60.
5. Загрутдинов, Р.Ш. Технологии газификации в плотном слое: монография / Р.Ш. Загрутдинов, А.Н. Нагорнов, А.Ф. Рыжков, П.К. Сеначин и др.; под ред. П.К. Сеначина. - Барнаул: ОАО «Алтайский дом печати», 2009. - 296 с.
6. Никишанин, М.С. Углеродосодержащие брикеты на разных связующих веществах, их теплофизические характеристики и использование в газогенераторах / М.С Никишанин, П.К. Сеначин // Ползуновский вестник. - 2009. - № 1-2. - С. 305-311.
7. Никишанин, М.С., Загрутдинов, Р.Ш., Сеначин, П.К.. Брикетирование твёрдых бытовых отходов для индивидуального энергообеспечения и газификации // Сборник статей III Всероссийской научной конференции с международным участием «Энерго- и ресурсоэффек-тивность малоэтажных жилых зданий». - 2017. - С. 271281.
Prospects for the use of municipal solid waste as an alternative source
of energy Kashnikov S.V.
St. Petersburg state university of architecture and civil engineering
JEL classification: C10, C50, C60, C61, C80, C87, C90_
The composition of solid household waste on the territory of the Russian Federation and in foreign countries is considered. Comparison of research results of two sources is made. Based on the comparison results, the average amount of municipal solid waste suitable for conversion into alternative fuels is determined. Methods of obtaining energy from solid household waste - pyrolysis and gasification of fuel -are considered. The process of fuel production from solid household waste is described. The main types of waste fuels that can be used in gasification plants are identified. The data on the characteristics of the fuel suitable for synthesis gas production are presented, the method of expanding the boundaries of the use of this fuel is considered. Researches carried out by Russian facilities aimed at improving the quality of fuel from solid domestic waste to increase the calorific value of synthesis gas obtained from this fuel are described. Keywords: syngas, gasification, fuel, municipal solid waste, heat supply. References
1. GOST R 53691-2009 Resources saving. Waste treatment. Certificate of
waste I-IV class of hazard. Basic requirement: approved and put into effect by the Order of the Federal Agency for Technical Regulation and Metrology of December 15, 2009 N 1091-st: date of introduction 201101-01. - URL: https://docs.cntd.ru/document/1200081173 (date of usage 04/25/2021). - Text: electronic
2. Marketing research of the Russian solid waste processing market //
RESEARCH Marketing Research Department. TECHART. 2010
3. Ilinykh G.V., Korotaev V.N. Using data on the morphological composition
of solid waste in the feasibility study of waste management technologies // modernization and research in the transport complex Perm: Perm National Research Polytechnic University. 2013. P. 178-187
4. Otkidychev V.V. Fuel from waste // Energetika. 2019. No. 2. P. 56-60.
5. Zagrutdinov, R.Sh. Gasification technologies in a dense layer: monograph
/ R.Sh. Zagrutdinov, A.N. Nagornov, A.F. Ryzhkov, P.K. Senachin and others; ed. PC. Senachina. - Barnaul: JSC "Altai Printing House", 2009. - 296 p.
6. Nikishanin, M. S. Carbon-containing briquettes on different binders, their
thermophysical characteristics and use in gas generators / MS Nikishanin, P.K. Senachin // Polzunovsky Bulletin. - 2009. - No. 1-2. - P. 305-311.
7. Nikishanin, MS, Zagrutdinov, R.Sh., Senachin, P.K. Briquetting of solid
household waste for individual energy supply and gasification // Collection of articles of the III All-Russian scientific conference with international participation "Energy and resource efficiency of low-rise residential buildings ". - 2017 .- P. 271-281.
