Отходы в энергию

Жизнедеятельность человека связана с появлением огромного количества разнообразных отходов. Резкий рост потребления в последние десятилетия во всем мире привел к существенному увеличению объемов образования твердых бытовых отходов (ТБО). В настоящее время масса потока ТБО, поступающего ежегодно в биосферу достигла почти геологического масштаба и составляет около 400 млн. тонн в год. В Москве ежегодно образуется, по разным оценкам, от 2 до 3,5 млн. тонн твердых бытовых отходов (ТБО). В то время как переработке подвергается лишь 10% отходов.

Так называемый рециклинг (вторичное использование) отходов путём их селективного сбора или сортировки на специальных мусороперерабатыающих заводах (МПЗ) позволяет снизить объём захораниваемых отходов максимум на 50% (это доля, достижимая в перспективе при условии дальнейшего совершенствования оборудования МПЗ) и требует использования термической переработки или захоронения в качестве последнего звена технологической цепочки по управлению отходами. Процесс сжигания ТБО не только обеспечивает санитарно-гигиеническую обработку отходов, но и снижает объемы захоронения остатков от переработки ТБО до 10% от первоначального. Следует подчеркнуть, что твердые бытовые отходы - это биотопливо. Низшая теплота сгорания на рабочую массу составляет для отходов Москвы в среднем 7500-8000 кДж/кг, влажность - около 30-40%, зольность - 25-30%. За счет изменения морфологического состава (увеличения доли упаковки, пластика, бумаги, уменьшения пищевых отходов) наблюдается тенденция к повышению теплоты сгорания ТБО (в странах западной Европы эта величина достигает 10 500-12 500 кДж/кг). Использование ТБО как топлива для выработки тепловой и электрической энергии в противовес их захоронению с одной стороны, экономит традиционные виды топлива (уголь, газ, мазут), с другой стороны, способствует снижению выбросов парниковых газов в атмосферу. Принятие законодательных актов, поощряющих переработку ТБО в энергию, в странах ЕС привело в последние десятилетия к расширению строительства новых и реконструкции существующих заводов по термической переработке отходов с выработкой тепловой и/или электрической энергии.

С учётом сложившейся в городе ситуации с ТБО и европейского опыта управления отходами, в 1992 году Правительство Москвы утвердило концепцию санитарной очистки города, которая предусматривает поэтапный переход к индустриальной переработке ТБО на базе строительства мусоросжигательных и мусороперерабатывающих заводов и реконструкции действующих предприятий. На тот момент времени переработка твёрдых бытовых отходов в Москве уже имела свою историю. Было построено три спецзавода по переработке ТБО с использованием мусоросжигательных установок. Первая мусоросжигательная установка общей производительностью 9 т/ч введена в эксплуатацию в Москве в 1972 году. Она предназначалась для сжигания остатков после компостирования на мусороперерабатывающем заводе № 1 на Вагоноремонтной улице. Мусоросжигательный цех находился в одном здании с остальными цехами завода, который в связи с несовершенством технологического процесса и получаемого компоста, а также из-за отсутствия потребителя на этот продукт в 1985 году был закрыт. Первый мусоросжигательный завод в Москве (Спецзавод № 2) был построен на севере столице в районе Дегунино и включал две технологические линии, поставленные французской компанией «CNIM». В 1984 году в южной части города (район Бирюлёво) был введен в эксплуатацию самый крупный в то время отечественный мусоросжигательный спецзавод № 3, основное технологическое оборудование для которого поставила фирма «Volund» (Дания). Производительность каждого из четырех его агрегатов составляла 12,5 тонн сжигаемых отходов в час. Все три завода использовали технологию слоевого сжигания отходов на механических колосниковых решётках, которая и по сей день остается наиболее распространённой в мире.

К 90-м годам прошлого века оборудование московских заводов в значительной степени морально устарело. В первую очередь это относилось к показателям уровня эмиссий вредных веществ в атмосферу, которые уже не удовлетворяли современным ограничениям, накладываемым на энергетические установки, сжигающие твердые бытовые отходы. В отсутствие российских нормативов по выбросам для мусоросжигательных установок, ориентиром служили законодательные акты в этой области стран ЕЭС, которые были унифицированы в 1994 г. принятием единых норм EU 94/67/EEC. В соответствии с этими нормами, по сравнению со сжиганием твердого органического топлива на ТЭС к процессу термической переработки ТБО предъявляются дополнительные требования по охране окружающей среды. Как видно из таблицы 1, по всем нормируемым показателям нормативы для заводов, сжигающих ТБО, в несколько раз жестче, чем для ТЭС на ископаемом топливе.

1) TEQ - в пересчете на токсичный эквивалент 2, 3, 7, 8 - ТХДД.
2) Для котлов с паропроизводительностью до 320 т/ч.
3) Большее значения для приведенного содержания золы Апр более 2,5%-г/МДж, меньшее - для Апр < 0,6%-г/МДж.
4) Меньшее значение для сжигания бурых углей, большее - для сжигания углей с жидким шлакоудалением.
5) Меньшее значение для приведенного содержания серы Sпр менее 0,045%-кг/МДж, большее - для Sпр

Указанные нормативные выбросы, приняты в настоящее время в качестве базовых для Москвы при проектировании, строительстве и эксплуатации заводов по сжиганию ТБО.

Помимо морального старения оборудование московских заводов имело значительный физический износ, вследствие чего фактическая производительность спецзаводов № 2 и № 3 была существенно снижена по сравнению с проектной.

Первым шагом в наращивании мощностей по переработке ТБО и техперевооружении московских спецзаводов явилась реконструкция Спецзавода № 2. На месте старого завода к 2000г. была построена фактически новая электростанция на альтернативном топливе. В отличие от всех, построенных до этого в России заводов по переработке ТБО, тепло от сгорания отходов используется не в городской системе теплоснабжения, а преобразуется в электроэнергию, часть которой покрывает расходы на собственные нужды, а часть поступает в городскую сеть. В состав станции в настоящее время входят три турбины П-12-13/6 Калужского турбинного завода и три энерготехнологических линии для термической переработки ТБО поставки мирового лидера в области производства оборудования для мусоросжигательных заводов - французской компании «CNIM». Каждая линия укомплектована котлом, позволяющим обеспечить необходимый режим для существенного снижения образование диоксинов, фуранов и монооксида углерода; многоступенчатой системой газоочистки полусухого типа, а также АСУ ТП, позволяющей осуществлять автоматическую эксплуатацию установки. На станции реализовано слоевое сжигание отходов. В топку с обратно-переталкивающей решеткой системы «Мартин» питателем непрерывно подаются ТБО. При розжиге и для поддержания необходимой температуры в топке (850-930 С) используются газовые горелки. Отходы перемещаются от питателя к нижней части наклонной колосниковой решётки, где расположен шлакоудалитель, под действием собственного веса и ворошения слоя подвижными колосниками. Часть воздуха (первичный воздух) подогревается в паровом воздухоподогревателе и подается распределенно снизу через отверстия в колосниках решётки. Для дожигания продуктов неполного горения в надслоевое пространство подается вторичный воздух. Тепло дымовых газов преобразуется в перегретый пар в котле-утилизаторе.

Для минимизации образования диоксинов и продуктов неполного горения время пребывания дымовых газов в топке при температуре более 850С составляет не менее двух секунд при избытке воздуха не менее 1,4. Снижение концентраций вредных веществ в дымовых газах осуществляют впрыском карбомида в топку котла и распылением смеси реагентов (активированного угля с щелочным сорбентом) в мокро-сухом абсорбере за котлом. Для очистки дымовых газов от золы и дополнительной очистки от газообразных компонентов в качестве последней ступени газоочистки установлен рукавный фильтр. Очищенные дымовые газы направляются дымососом в дымовую трубу. Вырабатываемый пар с параметрами (р = 1,4 МПа, t = 240С) от всех трех линий поступает в общую паровую магистраль и далее в турбины.

В 2005 г. закончены режимно-наладочные работы, и сдан в постоянную эксплуатацию московский Спецзавод № 4 в промзоне «Руднево», оборудованный тремя технологическими линиями для сжигания твердых бытовых отходов в вихревом кипящем слое поставки немецкой фирмы «Holter ABT». В нижней части топочного устройства (ТУ) за счет распеределённой подачи воздуха с высокими скоростями, формы решетки и профиля топочной камеры создаётся режим псевдоожижения топливо-воздушной смеси с двумя симметричными вихрями - так называемый вихревой кипящий слой. Для удаления шлака используют контур внешней циркуляции материала слоя, состоящий из водоохлаждаемых шнеков выгрузки, вибросита, из которого крупная зола слоя (шлак) отводится вне установки, а мелкая зола с помощью горизонтального шнека и элеватора поступает в перепускной бункер и возвращается в ТУ. Таким образом, обеспечивается хорошее перемешивание материала слоя, длительное время пребывания в топке частиц ТБО, восполнение потерь материала слоя с уносом и полное выгорание углерода в отходах при низких (550-700С) температурах в слое. Коэффициент расхода воздуха в слое для поддерживания низкого уровня температур всегда меньше единицы, а дожигание продуктов неполного сгорания происходит при температурах более 850С в надслоевом пространстве, куда подают вторичный воздух. В результате такого двухступенчатого сжигания уменьшается образование оксидов азота, концентрация которых в дымовых газах не превышает 200 мг/нм3 (в пересчете на сухие газы и 11% кислорода). Топочное устройство рассчитано на сжигание измельченных твердых бытовых отходов с расходом 13,5 т/час при теплоте сгорания рабочей массы 6500 КДж/кг. (Максимальный размер отходов - не более 300 мм).

Измельчение отходов осуществляется в цехе подготовки к сжиганию, где также происходит частичная сортировка ТБО и утилизация некоторых вторично используемых материалов (черный металл, картон, пластиковые бутылки, стекло). Таким образом на Спецзаводе № 4 впервые в России в промышленном масштабе реализован один из вариантов так, называемых комплексных технологий, сочетающих в себе различные методы переработки ТБО (в данном случае это «рециклинг-сжигание»). Эти технологии рассматриваются сегодня как наиболее перспективный путь энергоиспользования ТБО и интенсивно развиваются в промышленно развитых странах.

Кроме топочного устройства, в состав каждой технологической линии входят расположенные за ТУ последовательно по ходу газов котел-утилизатор, циклон, распылительный абсорбер, узел подачи реагентов для улавливания диоксинов, фуранов и ртути, рукавный фильтр и дымосос. Концентрация основных загрязнителей в дымовых газах регистрируется автоматическим газоанализатором, установленным на входе в дымовую трубу. На основании измеренных концентраций HCl и SO2 регулируется подача известковой суспензии в абсорбер. Для выработки электроэнергии установлены два турбоагрегата мощностью по 6 МВт каждый Калужского турбинного завода.

В ближайшее время в Москве будут введены в эксплуатацию ещё две электростанции на ТБО использующих новейшее оборудование для традиционной технологии слоевого сжигания. Строительство одной из них близко к завершению на площадке Спецзавода № 3. Строительство под «ключ» осуществляется известной австрийской компанией «EVN Holding», с использованием собственных технологических линий и паровых котлов, изготовленных Подольским машиностроительным заводом. Электростанция на альтернативном топливе на площадке Спецзавода №1, возводимая выигравшей тендер венгерской компанией «Будапро», находится в начальной стадии строительства. Основное технологическое оборудование будет изготовлено по инжинирингу или поставлено одним из ведущих производителей мусоросжигательного оборудования - швейцарской компанией «Von Roll».

Опыт промышленной эксплуатации ТЭС, работающих на ТБО в Москве, показал, что установки работают с соблюдением принятых в России и ЕС экологических требований, предъявляемых к процессу термического обезвреживания ТБО. Оборудование новых электростанций на альтернативном топливе отвечает современным требованиям и позволяет решать как проблемы санитарной очистки от ТБО, так и задачи энергоснабжения прилегающих районов города. Вместе с тем существует ряд проблем, связанных со строительством установок по переработке ТБО. Пока не решена задача переработки всех образующихся при сжигании ТБО золо-шлаковых остатков и твёрдых продуктов газоочистки. Региональная энергетическая компания, используя свое монопольное положение, покупает электроэнергию, вырабатываемую на спецзаводах по цене существенно ниже рыночной. Это не позволяет полностью компенсировать эксплуатационные издержки и снизить тариф на принимаемые ТБО до уровня тарифов полигонов. Для сравнения в европейских странах, как правило, наоборот, законодательно закреплены льготные (повышенные) цены на отпускаемую электрическую энергию для предприятий, производящих энергию из ТБО, в целях стимулирования энергоиспользования биоотходов.

В целом опыт энергоиспользования ТБО, накопленный в Москве, демонстрирует хорошие перспективы развития биоэнергетики на основе термической переработки биоотходов для крупных городов России.