Твердые бытовые отходы как топливо

Твердые бытовые отходы, обезвреживаемые на МСЗ, можно рассматривать как топливо для производства тепловой и электрической энергии. Причем перспективность такого использования ТБО подтверждается современной мировой практикой. Например, в Японии на термоустановках утилизируется 75% ТБО, в США — 12,5% ТБО от их годового количества. В странах ЕС доля энергии, произведенной при сжигании ТБО, от общего количества энергопроизводства составляет более 2% (данные на 2012 г.). Проанализировав опыт различных стран, использующих энергию, произведенную на МСЗ, можно сделать вывод, что годовая потребность одного жителя в тепловой и электрической энергии полностью удовлетворяется при сжигании отходов, произведенных десятью жителями страны. Как правило, 1 т ТБО, сожженная в современных установках, специально созданных для этой цели, эквивалентна, но энергетическому потенциалу 150—160 кг нефти.

В целом твердые бытовые отходы обладают всеми необходимыми свойствами, которые позволяют считать их топливом:

• • достаточная химическая активность обеспечивает возможность горения ТБО в кислороде воздуха;
• • энергетическая ценность ТБО сопоставима с энергетической ценностью низкокалорийного топлива, используемого в энергетике;
• • непрерывное воспроизводство ТБО населением, проживающим на определенной территории, позволяет считать их запасы достаточными для промышленного использования.

Теплотворная способность ТБО. Конечно, если рассматривать ТБО как топливо, следует в первую очередь обратить внимание на их теплотворную способность, которая во многом определяется углеродом и водородом — основными составляющими органических компонентов. В развитых промышленных регионах с достаточно высоким уровнем жизни теплотворная способность ТБО составляет 1900—2400 ккал/кг, но иногда может достигать 3300 ккал/кг. В будущем ожидается увеличение теплотворной способности отходов, что, безусловно, должно будет влиять на конструктивные особенности элементов термического оборудования.

В любом случае теплотворная способность ТБО зависит от их морфологического состава, т. е. наличия и процентного содержания таких компонентов, как грязная бумага (картон), пищевые отходы, текстиль, древесина, пластмасса, кожа, резина, стекло, металл, камни (керамика), зола, шлак и так называемый отсев (частицы крупностью менее 16 мм). Как уже отмечалось ранее, морфологический состав отходов, в том числе и твердых бытовых, зависит от многих факторов и может различаться в зависимости от крупности населенного пункта, его месторасположения, сезона и т. д. Соответственно, теплотворная способность ТБО также различается, а значит, и оборудование, используемое при сжигании, будет разным. Так, например, для поддержания автогенного процесса при слоевом сжигании на колосниковых решетках теплотворная способность отходов должна быть не менее 2000 ккал/кг, а при слоевом сжигании в кипящем слое — не менее 2450 ккал/кг. При этом оптимальная теплотворная способность отходов, соответствующая максимуму выработанной тепловой мощности (МВт) от потребления максимального количества отходов (т/ч), для слоевого сжигания на колосниковых решетках составляет 2800 ккал/кг.

В табл. 6.10 приведен морфологический состав ТБО для г. Москвы, который принимается при реконструкции и проектировании заводов по обращению с отходами в данном регионе.

Таблица 6.10

Морфологический состав ТБО г. Москвы.

Таблица 6.10 показывает, какие из компонентов отходов являются горючими, причем удельная теплота сгорания отдельных составляющих здесь показана дробью, где в числителе — теплота сгорания на рабочую массу (QP), в знаменателе — теплота сгорания на горючую массу (()"), т. е. условно не содержащую влаги и инертных составляющих (зольности). Очевидно, что предельные значения влажности, зольности и содержания горючих составляющих (углерода и водорода) также являются важнейшими характеристиками ТБО как топлива. Пределы колебаний рассматриваемых параметров достаточно широки и различаются как в разных странах, так и в разные времена года. Так, например, влажность ТБО может колебаться от 20—25 до 50—60% по массе (в г. Москве — от 30 до 58% по массе в зависимости от времени года), зольность — от 10—15 до 25—30%. Изменения этих важнейших характеристик отходов вызывают изменения теплоты сгорания отходов на рабочую массу. Для твердых бытовых отходов в нашей стране эти колебания находятся в пределах 1000—2034 ккал/кг. Учеными были установлены предельные значения содержания горючих составляющих, влажности и зольности, при которых отходы могут гореть в топочных устройствах без подачи дополнительного ископаемого топлива.

Следует подчеркнуть, что теплота сгорания твердых бытовых отходов существенно зависит от времени года и это является одним из основных отличий несортированных ТБО от ископаемого природного топлива. Поэтому сжигание такого материала должно осуществляется в специальных топочных устройствах. При этом применяются следующие меры по выравниванию теплоты сгорания отходов: интенсивное перемешивание на решетке, смешение с низкокалорийным твердым ископаемым топливом (например, бурым углем) и внедрение предварительной сортировки. Безусловно, если применить предварительную сортировку отходов для отделения горючих составляющих, таких как дерево, бумага, текстиль, пластмасса, кожа, резина и подобных им, то значение можно повысить до 3350—3590 ккал/кг.

Резкие колебания значений отходов или топлива из отходов обусловливают трудности использования энергии, вырабатываемой на МСЗ. Так, для обеспечения круглогодичного использования этой энергии необходимо провести предварительное согласование ее количества и вида с возможными потребителями с учетом режима их работы (расходы энергии, графики потребления в пределах суток, года и др.).

Предприятия утилизации отходов — мусоросжигающие заводы проектируются и строятся в виде утилизационных котельных (УК), теплоэлектроцентралей (УТЭЦ) и электростанций (УЭС). При этом на практике широко применяются централизованные источники энергоснабжения. Поэтому для утилизационных установок требуется создание специальных схем, которые могли бы обеспечить их бесперебойную работу с точки зрения снабжения потребителей, в том числе и схем совместной работы утилизационных установок с установками, работающими на ископаемом топливе. При проектировании таких энергетических объектов следует учитывать, что утилизационные котельные позволяют обходиться меньшими капитальными затратами и расходами на эксплуатацию и ремонт в отличие от УТЭЦ и УЭС, хотя последние являются более универсальными.

Для обеспечения потребителей теплоносителями необходимых параметров или требуемыми мощностями электричества наряду со сжиганием ТБО предусматривается использование ископаемого топлива, которое гасит все колебания параметров, связанные со спецификой сжигания отходов, а также покрывает пики потребления. При этом возможны варианты работы таких установок как на отходах или комбинированном топливе (отходы и ископаемое топливо — уголь), так и при совместной работе с отдельно стоящей котельной, сжигающей ископаемое топливо (природный газ, уголь), с теплоэлектроцентралью или районной тепловой станцией. Кроме того, повышение эффективности и экономичности эксплуатации мусоросжигающих заводов может быть достигнуто путем внедрения уже известных и разработки новых технологий круглогодичной утилизации тепла уходящих газов, образующихся при сжигании отходов. Например, можно использовать котлы-утилизаторы или, в случае сжигания комбинированного топлива и при выработке электрической энергии на утилизационной электростанции, отвод охлажденных дымовых газов через орошаемую градирню.

Зарубежный опыт

В европейских странах сжигание отходов широко распространено: на территории Евросоюза работает свыше 400 МСЗ. Наряду с утилизацией отходов МСЗ производят тепловую и электрическую энергию. На всех мусоросжигающих заводах Европы сжигается предварительно отсортированный мусор. Стоимость сжигания 1 т отходов составляет около 120 евро, причем большая часть этой суммы идет на природоохранное оборудование.