На главную

Статьи, публикации, архив номеров  

«     2018     2017  |   2016  |   2015  |   2014  |   2013  |   2012  |   2011  |   2010  |   2009  |   2008  |   »
«     Январь  |   Февраль  |   Март  |   Апрель  |   Май  |   Июнь  |   Июль  |   Август  |   Сентябрь  |   Октябрь  |   Ноябрь  |   Декабрь     »

Анализ и прогноз

01.02.2014 Термическая утилизация твердых бытовых отходов

 

Термическая утилизация твердых бытовых отходов

 

Энергетические, экологические и экономические аспекты

 

Evaluation of energy, ecological and economic efficiency when used municipal solid waste of modern composition shows a perspective of their use for energetical purposes, not only in countries importing natural energy resources (gas, oil, coal, etc.), but also in countries of their mining. New models of the equipment in which design steam-thermal degradation waste method is realized allow to obtain commercial effect in the absence of subsidized benefits and tariffs related with renewable energy.

 

Оценка энергетической, экологической и экономической эффективности при использовании в качестве возобновляемых источников энергии твердых бытовых отходов доказывает перспективность их использования в энергетических целях не только в странах, которые импортируют ископаемые энергетические ресурсы (газ, нефть, уголь и др.), но и в государствах, где их добывают. Новые образцы оборудования, в конструкции которых реализуется метод паротермической деструкции отходов, позволяют получать коммерческий эффект при отсутствии дотационных льгот и тарифов, сопутствующих использованию возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

 

Современные технологии позволяют вырабатывать энергию из любого ресурсного источника. Основной фактор, принимаемый при мотивации выбора ресурса и технологии, – ценовой. Для большинства освоенных технологий по выработке энергии ценовой фактор склоняется в пользу использования ископаемых ресурсов. Не менее важный фактор – экологический, при котором очевидна польза от использования возобновляемых ресурсов.

К сожалению, для человечества еще не выявлены приемлемые, то есть дешевые и экологически чистые технологии выработки энергии из такого возобновляемого ресурса, как твердые бытовые (муниципальные) отходы (ТБО).

Чтобы ТБО из возобновляемых энергетических ресурсов (ВЭР) стали полноценным возобновляемым источником энергии, необходим ряд предварительных технологических операций по выделению из них горючей части и приведению ее в надлежащий вид (пеллеты, брикеты или жидкое топливо). Состав ТБО в развитых странах в последние десятилетия резко изменился. Метод их утилизации посредством традиционного сжигания уже не удовлетворяет экологическим требованиям из-за значительной доли содержащейся в ТБО полимерной фракции.

В данной статье на примере Ливии, добывающей ископаемые энергоресурсы, и Беларуси, которая импортирует энергоресурсы, рассмотрены некоторые аспекты проблемы использования ТБО. Она заключается в том, что экологический ущерб от использования ТБО в качестве ВИЭ при применении традиционных технологий превышает изначальный, обусловливаемый только их собственной токсичностью. В настоящей работе проанализирована возможность успешного решения этой проблемы.

Согласно данным научно-технического прогноза, отраженного в планах правительств ведущих стран мира [1], в США и Европе к 2020 г. доля ВИЭ (без учета гидроэлектростанций) при производстве электроэнергии должна составить 20 %.

Даже в странах, богатых ископаемыми энергоресурсами, занимаются производством энергии из ВИЭ. Так, в Объединенных Арабских Эмиратах начато строительство целого города будущего – Масдар-Сити – эталона экологичности и энергоэффективности с использованием энергии солнца [2, 3].

Однако масштабное использование ВИЭ создает угрозу устойчивости для энергетических систем. В этом случае для обеспечения надлежащего уровня устойчивости энергосистемы в ее состав вводится дорогая система интеллектуального контроля и управления мощностями. Так, в Великобритании [4] для стабилизации работы энергосистемы с применением ВИЭ рядом компаний реализуется совместный проект с выделением правительственных субсидий в размере 20,1 млн долл. по установке блоков хранения электроэнергии, использующих литий-марганцевые аккумуляторы емкостью 6 и 10 МВт•ч.

В настоящее время вследствие экономического кризиса многие европейские компании, занимавшиеся возобновляемой энергетикой, разорились. Востребованность ВИЭ обусловливает игра мировых цен на ископаемые энергоносители. Европейское сообщество прекратило финансирование проектов возобновляемой энергетики в их традиционной части с централизованным электроснабжением. Инвестиции в ВИЭ в 2012 г. снизились в целом на 12 % (на 244 млрд долл.). Характерно, что в развитых странах снижение составило 29 % (на 132 млрд долл.), а в развивающихся странах инвестиции возросли на 46 % (на 112 млрд долл.) [5, 6]. К примеру, в 2013 г. Польша отказалась от биотоплива, в том числе от древесных пеллет и агрогранул на основе подсолнечной лузги и соломы, чем поставила в затруднительное положение соответствующую отрасль промышленности Украины [7]. Хотя инвестиции в возобновляемые источники энергии представляют большой риск, поскольку носят долгосрочный характер, ЕС предлагает снова увеличить финансирование ВИЭ на основе разработки новых подходов к финансированию проектов, использующих ВИЭ [8]. Дело не только в разработке новых финансовых схем, но и в поиске новых путей использования ВИЭ.

Представляется перспективным развитие децентрализованного, автономного электроснабжения [9]. При автономном электроснабжении потребитель не зависит от линии электропередачи значительной протяженности и от аварий, которые могут возникнуть. Автономное электроснабжение более надежно по сравнению с централизованным. Дело только за разработкой соответствующего оборудования, использующего ВИЭ.

Перспективы ВИЭ выявляются из оценки объема и состава твердых бытовых отходов, их энергетической, экологической и экономической эффективности.

По данным экспертов Всемирного банка [10], 3 млрд горожан за год производят 1,3 млрд т ТБО, то есть 0,433 т/(чел. в год), или 1,19 кг/(чел. в день). Это количество мусора по странам и регионам распределяется неравномерно. По данным, приведенным в табл. 1 и 2, страны по объемам производства отходов делятся на «развитые» и «отсталые». По прогнозу, к 2025 г. рейтинг максимальных загрязнителей при существующем положении дел несколько изменится.

 

Таблица 1

 

Страны-лидеры по общему объему твердых бытовых отходов [10]

Страна

Последние данные

Прогноз на 2025 г.

На человека в день, кг

Всего за день, т

На человека в день, кг

Всего за день, т

США

2,58

624 700

2,3

701 709

Китай

1,02

520 548

1,7

1 397 755

Бразилия

1,03

149 096

1,6

330 960

Япония

1,71

144 466

1,7

146 982

Германия

2,11

127 816

2,05

126 633

Индия

0,34

109 589

0,7

376 639

Россия

0,93

100 027

1,25

120 076

Мексика

1,24

99 014

1,75

102 258

Великобритания

1,79

97 342

1,85

110 515

Франция

1,92

90 493

2,0

107 318

Италия

2,23

89 096

2,05

86 520

Турция

1,77

86 301

2,0

135 962

Испания

2,13

72 137

2,1

78 926

Индонезия

0,52

61 644

0,85

151 921

ЮАР

2,00

53 425

2,0

72 146

Беларусь

1,16

11 000

Ливия

0,46

3 000

 

Таблица 2

 

Страны-лидеры по количеству ТБО на душу населения [10]

Страна

Последние данные

(на человека в день, кг)

Прогноз на 2025 г.

(на человека в день, кг)

Тринидад и Тобаго

14,40

10

Кувейт

5,72

4

Антигуа и Барбуда

5,5

4,3

Сент-Китс и Невис

5,45

4

Гайана

5,33

3,5

Шри-Ланка

5,1

4

Барбадос

4,75

4

Сент-Люсия

4,35

4

Соломоновы Острова

4,3

4

Тонга

3,71

3,5

Новая Зеландия

3,68

3

Ирландия

3,58

3

Вануату

3,28

3

Багамские Острова

3,25

2,9

Сейшельские Острова

2,98

2,5

 

Примечание. Такое количество ТБО в ряде островных государств объясняется прежде всего импортным вектором их экономик. Их ТБО – ввозимая (вместе с туристами) упаковка.

 

В Республике Беларусь с ВВП в размере 527 385 млрд руб. (≈61 млрд долл., 6 480 долл./чел.) в 2012 г. и численностью населения 9 463 800 чел. [11, 12] на конец 2012 г. ежегодно образовывалось около 4 млн т твердых коммунальных отходов [13, 14]. Из них собирается и увозится от населения около 2, 66 млн т (67 % от общего объема). Из вывезенного объема сбор вторичных востребованных материальных ресурсов составляет 354,5 тыс. т (без металлолома), или 13,3 % от объема ТБО, образующихся у населения. Остальное количество подлежит захоронению на полигонах.

В Беларуси организациями ЖКХ эксплуатируется 3 007 объектов по захоронению твердых коммунальных отходов (165 полигонов захоронения ТБО с проектным объемом захоронения 239,8 млн м3 [15], 2 842 мини-полигона), 5 мусороперерабатывающих заводов, 5 сортировочно-перегрузочных станций и 81 линия сортировки (досортировки) раздельно собранных коммунальных отходов.

Примерный спектр горючей части ТБО составляют: бумага и картон – 1 080 тыс. т (27 %), натуральный текстиль – 120 тыс. т (3 %), древесина – 80 тыс. т (2 %), пластмасса (полимеры) – 400 тыс. т (10 %). В сумме – 1 680 тыс. т (42 % от 4 млн т – общего количества ТБО).

Отдельной строкой идет позиция по накоплению изношенных автомобильных шин. Ежегодно в республике образуется около 64,5 тыс. т изношенных шин. План по объему заказов на их утилизацию к 2015 г. доведен до уровня их образования [14], но реально утилизируется только 13,1 тыс. т, причем без всяких перспектив роста. Проблема в том, что востребованными технологиями для их утилизации являются технологии по получению резиновой крошки (гранулята) с ограниченной возможностью ее использования из-за пониженного качества получаемых из нее изделий по сравнению с вырабатываемым первичным полуфабрикатом.

На начало 2012 г. организации ЖКХ осуществляли сбор и вывоз твердых коммунальных отходов во всех городах и 52 % сельских населенных пунктов.

Как показывает мировой опыт, реально достижимый объем сбора и переработки только отдельных видов полимерных отходов равен 80 %.

Годовой энергетический потенциал образующихся в Беларуси ТБО, рассчитываемый по их горючей части, составляет [16]:

E = rбMб + rтMт + rдMд + rпMп = 16,62 МДж/кг ´ 1 080 000 000 кг + 27,47 ´ 120 000 000 +

+ 13,8 ´ 80 000 000 + 41,87 ´ 400 000 000 =

= 1,79•1010 + 3,3•109 + 1,1•109 + 1,67•1010 =

= 3,91•1010 МДж = 11 млрд кВт•ч тепла =

= 9 337 950 Гкал тепла = 1 334 000 т у.т. =

= 1,12 млрд м3 природного газа = 953 610 т нефти.

Годовой экологический потенциал при использовании ТБО как ВИЭ определяется величиной отсутствующего дополнительного экологического ущерба от сжигания замещаемого эквивалентного (по объему вырабатываемой энергии) количества импортируемого топлива. Определим так называемый замещающий экологический эффект ТБО в численном выражении на примере замещаемого количества природного газа как уже готового вида топлива. Как известно, из 1 кмоль метана, имеющего объем при нормальных условиях (н. у.) 22,416 м3/кмоль, получается 10,584 кмоль продуктов сгорания с объемом при н. у. 236,955 м3/кмоль, в том числе 1 кмоль углекислого газа с объемом при н. у. 22,261 м3/кмоль. Тогда экологический ущерб составляет: 1,12 млрд м3 метана ´ 22,261 м3/кмоль углекислого газа / 22,416 м3/кмоль метана = 1,12 млрд м3 ´

´ 0,993 м3/м3 = 1,11 млрд м3 углекислого газа. Из-за отсутствия полноты сгорания и вследствие процесса горения дополнительно [17, 18] будет образовано и выброшено в атмосферу до 1 184 000 м3 оксида углерода и столько же оксидов азота в пересчете на диоксид азота.

В удельном выражении энергетический эквивалент современных ТБО исходного общего состава (без выделения горючей части) равен Eуд = 9 775 МДж/т =

= 2 750 кВт•ч/т = 2,33 Гкал/т = 0,333 т у.т./т = 280 м3 природного газа/т = 0,238 т нефти/т.

В удельном выражении на одного человека в Беларуси энергетический эквивалент современных ТБО достигает 1 150 кВт•ч/(чел. в год) = 0,14 т у.т./(чел. в год). При общем КПД выработки электрической энергии из мусора, оцениваемого как 25 % количества мусора, образуемого одним человеком в Беларуси, вполне хватает для его номинального обеспечения электроэнергией. Пользуясь данными, приведенными в табл. 1 и 2, можно сделать сравнительный вывод о достаточности «мусорообеспеченности» в энергетическом плане в ряде других стран.

Удельный замещающий экологический эффект следующий: углекислый газ (CO2) – 278 м3/т, оксид углерода (CO) – 0,3 м3/т, оксиды азота (NOx) – 0,3 м3/т.

Удельный экономический эффект равен 46,25 долл./т.

Парадоксальность ситуации в том, что при складировании на полигонах и постепенном ежегодном накоплении с нарастающим итогом ТБО при своем разложении также начинают отравлять окружающую среду.

Известно, что на свалках часть ТБО разлагается и выделяет в окружающую среду свалочный газ, частично содержащий метан. Предпринимаются попытки использования этого биотоплива [15], но метан – только часть из спектра вредных составляющих свалочного газа. Спектр «поражающих» факторов захороненных ТБО гораздо шире, чем выделяющийся метан, а их действие при отсутствии надлежащей утилизации более чем негативное. К этому добавляется дополнительный экологический ущерб от использования ископаемых энергетических ресурсов. Выход один – вовлекать ТБО в оборот по замещению ископаемых энергетических ресурсов.

Годовой экономический потенциал от использования ТБО в энергетических целях можно оценить по стоимости экспортируемых энергоносителей. Так, при цене покупки природного газа у России, равной на 1 января 2013 г. 165 долл./1 000 м3, в случае освоения всего годового объема образующихся ТБО годовая экономия бюджетных средств Республики Беларусь достигнет 185 млн долл. Но экономия бюджетных средств государства – импортера энергоносителей в настоящих условиях выливается в убытки государств-экспортеров, а это уже вопрос политического аспекта. При продажной цене этого газа, в среднем равной с 1 января 2013 г. 216 долл./1 000 м3, на территории Беларуси ее потребителям годовые «убытки» продавца-посредника будут равны 57 млн долл. Такая коллизия интересов между собственными внутренними отраслями промышленности в пользу производителя экспортно-конкурентной продукции может быть разрешена на основе тарифно-ценовой политики.

Как было показано выше, в Беларуси объем использования ТБО [14, 19–21] и получаемая прибыль к 2015 г. достигнут максимально только 25–35 % от потенциальных.

Перспективы использования ТБО в энергетических целях потребителем, находящимся в конкретной экономической ситуации, могут быть привлекательными только в случае выработки из них электроэнергии с конкурентоспособной ценой. Государственные дотации производителю энергии на компенсацию его экономических убытков для заинтересованности в решении экологических и социальных проблем могут иметь место только в начальный период становления новой техники. Но изначально формируется неравноправное положение энергопроизводителей: зачем стремиться делать хорошо, если и за сделанное плохо хорошо заплатят. Начавшееся разорение ряда компаний – производителей возобновляемой энергии при сокращении господдержки свидетельствует об отсутствии надлежащих рентабельных образцов техники. С этой стороны перспективным может быть использование ВИЭ на основе ТБО для развития децентрализованного автономного электроснабжения.

В [22] продемонстрирована успешно реализованная возможность разработки коммерческого оборудования для утилизации ТБО в энергетических целях. Оборудование, разработанное в Институте тепло- и массообмена им. Лыкова НАН Беларуси, а именно газогенератор для выработки тепловой энергии мощностью 200 кВт, предназначено для локального энергообеспечения и успешно используется в республике. На рис. 1 представлен внешний вид этого оборудования, а в табл. 3 – его технические характеристики. Принцип действия оборудования – периодический. Сера и хлор связываются кальцийсодержащими компонентами, образующими твердый зольный нерастворимый остаток. Вырабатываемый генераторный газ сжигается в специальной высокотемпературной камере, обеспечивающей полноту сгорания с последующей закалкой продуктов сгорания, которая исключает образование таких экологически опасных веществ, как диоксины, фураны и др. Тепло от продуктов сгорания передается в систему водяного отопления производственных цехов посредством стандартного котельного оборудования или отдельно выполненного теплообменника.

 

Таблица 3

 

Технические показатели газогенератора для выработки тепловой энергии мощностью 200 кВт

Показатели

Значение

Мощность тепловая

200 кВт

КПД (в составе с котлом или теплообменником)

78 %

Топливо

Смесь отходов

(пластмассовых и древесных ~50 ´ 50 %)

Температура пиролиза

До 800 °С

 

Аналогичное оборудование (рис. 2), также разработанное в Институте тепло- и массообмена им. Лыкова НАН Беларуси, по схеме, приведенной в [23], успешно используется для выработки тепловой энергии из заводских горючих отходов в России (г. Калининград).

В Ливии с объемом ВВП в 2010 г. 72 млрд долл. (11 330 долл./чел.) [25] и населением 6 460 000 чел. [26] ежегодно собирается 1 095 000 т ТБО и дополнительно 12 тыс. т изношенных шин. Годовой энергетический потенциал образующихся в Ливии ТБО оценивается в 10,7•109 МДж = 3,0 млрд кВт•ч электроэнергии = 2 556 260 Гкал тепла = 365 180 т у.т. = 306,6 млн м3 природного газа = 261 050 т нефти. При продаже этого количества природного газа Европе по цене [27], равной 615 долл./1 000 м3, в случае освоения всего годового объема образующихся ТБО годовая прибыль добывающей отрасли достигнет 188,6 млн долл. (почти как в Беларуси). Средства могут быть направлены на реализацию социальных программ.

 

Мохамед Мусбах. ТАБИБ, старший преподаватель Высшего института охраны труда и здоровья (Ливия, Триполи),
доктор Али М. ЭЛМАНСУРИ, начальник общего отдела Высшего института охраны труда и здоровья (Ливия, Триполи),
Геннадий ЖУРАВСКИЙ, доктор технических наук, заведующий отделением энергоэффективных технологий ГНУ «Институт тепло- и массообмена им. Лыкова НАН Беларуси»,
Олег МАРТИНОВ, научный сотрудник ГНУ «Институт тепло- и массообмена им. Лыкова НАН Беларуси»

 

(Статья поступила в редакцию 20.01.2014 г.)

 

ВЫВОДЫ

1. Использование ТБО в энергетических целях обеспечивает достижение позитивного энергетического, экологического и экономического эффекта в развитых и развивающихся странах, причем как в импортирующих ископаемые энергоресурсы, так и в экспортирующих.

2. Получение прибыли от использования ТБО при отсутствии государственных дотаций достигается посредством применения только технически совершенного конкурентоспособного оборудования.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Рюриков Д. Б. Энергетика возобновляемых источников энергии / Российский институт стратегических исследований. – http://www.riss.ru/index.php/component/content/article?id=1916.

2. Масдар (город) // Википедия. – http://ru.wikipedia.org.

3. Официальный сайт Масдар-Сити (ОАЭ). – http://www.masdarcity.ae/en.

4. Белорусский портал возобновляемой энергетики и устойчивой жилой среды: Renewable reenergy.by. – http://www.reenergy.by/index.php/drugie-vie/284-nachalos-stroitelstvo-krupnejshego-v-evrope-khranilishcha-elektroenergii.

5. Investitiile in energii regenerabile au scazut in Europa si SUA, dar au crescut in China // Programul Natiunilor Unite pentru Mediu (PNUE). – 14 Jun 2013. – http://www.ecomagazin.ro/investitiile-in-energii-regenerabile-au-scazut-in-europa-si-sua-dar-au-crescut-in-china/.

6. Инвестиции в возобновляемые источники энергии упали в Европе и США, но выросли в Китае / Программа развития Организации Объединенных Наций (PNUE). – http://www.ecology.md/section.php?section=fsociety&id=10348.

7. Польский биоэнергетический рынок начал падение. – http://www.biointernational.ru/journal.

8. Смирнова О. Тенденции рынка: европейские банки предлагают увеличить финансирование возобновляемых источников энергии // Ассоциация российских банков. – http://arb.ru/b2b/trends/9698869/#1047.

9. Антипов М. ВИЭ в России. Опыт на перспективу / Медиапортал EnergyLand.info. – http://energyland.info/analitic-show-109917.

10. Неяскин Г. Китай обгонит Америку к 2025 году. По количеству мусора. – http://slon.ru/economics/kitay_obgonit_ameriku_k_2025_godu_po_kolichestvu_musora-797219.xhtml.

11. Численность и естественный прирост населения / Национальный статистический комитет Республики Беларусь. – http://belstat.gov.by/homep/ru/indicators/population.php.

12. Основные социально-экономические показатели за 2005–2012 гг. / Официальный интернет-портал Президента Республики Беларусь. – http://president.gov.by/press10686.html.

13. Программа развития жилищно-коммунального хозяйства Республики Беларусь до 2015 г., утвержденная постановлением Совета Министров Республики Беларусь от 08.02.2013 г. № 97.

14. Указ Президента Рэспублики Беларусь от 22.06.2009 г. № 327 «О Государственной программе сбора (заготовки) и переработки вторичного сырья в Республике Беларусь на 2009–2015 гг.» (с изм. и доп. на январь 2010 г.).

15. Постановление Совета Министров Республики Беларусь от 10.05.2011 г. № 586 «Об утверждении Национальной программы развития местных и возобновляемых энергоисточников на 2011–2015 гг. и признании утратившим силу постановления Совета Министров Республики Беларусь от 07.12.2009 г. № 1593».

16. Инженерный справочник. Таблицы DPVA. – http://www.dpva.info.

17. ГОСТ 21204-97. Горелки газовые промышленные. Общие технические требования.

18. ГОСТ Р 50591-93. Агрегаты тепловые газопотребляющие. Горелки газовые промышленные. Предельные нормы NOx в продуктах сгорания.

19. Постановление Совета Министров Республики Беларусь от 24.12.2010 г. № 1882 «Об утверждении Республиканской программы энергосбережения на 2011–2015 гг.» (с изм. и доп.: постановление Совета Министров Республики Беларусь от 31.10.2011 г. № 1460).

20. Закон Республики Беларусь от 27.12.2010 г. № 204-з «О возобновляемых источниках энергии».

21. Постановление Совета Министров Республики Беларусь от 19.07.2010 г. № 1076 «Об утверждении Государственной программы строительства энергоисточников на местных видах топлива в 2010–2015 гг.».

22. Журавский Г. И., Градов А. С., Лисай Н. К., Мартинов О. Г., Сусеков Е. С., Шаранда Н. С. Газогенераторные технологии утилизации горючих технологических и коммунальных отходов / Сб. Тепло- и массоперенос. – Минск: ИТМО им. А. В. Лыкова НАН Беларуси, 2012.

23. Журавский Г., Мартинов О., Полесский Д., Шаранда Н. Газогенераторные технологии для промышленности строительных материалов // Энергетика и ТЭК. – 2013. – № 11/12.

24. Рейтинг стран по ценам на электроэнергию для населения // РИА-аналитика. – http://ria.ru/research_rating/20110720/404460107.html.

25. Валовый внутренний продукт Ливии, 1970–2011 гг. // Международные макроэкономические исследования. – http://be5.biz/makroekonomika/gdp/gdp_libya.html.

26. Ливия // Википедия. – http://ru.wikipedia.org.

27. Рейтинг стран по ценам на природный газ для населения // РИА-аналитика. – http://ria.ru/research_rating/20110726/407266309.html.

 

Контакты

Беларусь: 220121, г. Минск
а/я 72
Тел.: +375 (17) 385-94-44,
385-96-66

Факс: +375 (17) 392-33-33
Gsm: +375 (29) 385-96-66 (Vel)

Е-mail: energopress@energetika.by
E-mail отдела рекламы:
reklama@energetika.by

© ОДО Энергопресс, 2003—2009. Все права защищены.
Мониторинг состояния сайта
Создание сайта Атлант Телеком