2.2 Преимущества и недостатки при эксплуатации мусоросжигательного завода

Сжигание мусора - это широко распространенный способ уничтожения твердых бытовых отходов, который широко применяется с конца XIX в.

Сложность непосредственной утилизации ТБО обусловлена, с одной стороны, их исключительной многокомпонентностью, с другой — повышенными санитарными требованиями к процессу их переработки. В связи с этим сжигание до сих пор остается наиболее распространенным способом первичной обработки бытовых отходов.

Сжигание бытового мусора, помимо снижения объема и массы, позволяет получать дополнительные энергетические ресурсы, которые могут быть использованы для централизованного отопления и производства электроэнергии. К числу недостатков этого способа относится выделение в атмосферу вредных веществ, а также уничтожение ценных органических и других компонентов, содержащихся в составе бытового мусора.

При сжигании ТБО получают 28-44% золы от сухой массы и газообразные продукты в виде двуокиси углерода, паров воды, различных примесей. Запыленность отходящих газов составляет 5—10 г/нм³ (25— 50 кг/т ТБО). Так как процесс горения отходов происходит при температуре 800-900°С, то в отходящих газах присутствуют органическое соединения — альдегиды, фенолы, хлорорганические соединения (диоксин, фуран), а также соединения тяжелых металлов.

Теплотворная способность бытовых отходов примерно соответствует бурому углю. В среднем теплотворная способность бытовых отходов колеблется от 1000 до 3000 ккал/кг. Выявлено также, что по теплотворной способности 10,5т твердых бытовых отходов эквивалентны 1т нефти; по калорийности бытовые отходы уступают каменному углю всего в 2 раза; примерно 5т мусора выделяет при сгорании столько же тепла, сколько 2 т угля или 1 т жидкого топлива.

3. Использование зарубежного опыта при переработке мусора в Мурманской области

В настоящее время в мире накопилось и продолжает накапливаться огромное количество отходов жизнедеятельности человека. Эти отходы, а их насчитывается миллиарды тонн, отравляют воздух, землю и воды. Постепенно к людям приходит понимание того, что необходимо принимать активные меры по утилизации этих отходов. В развитых странах стремятся решать экологические проблемы в комплексе, как путем усовершенствования производственных технологий, сбора и переработки вторичных ресурсов, так и путем разработки новых технологий утилизации отходов.

В настоящее время для обеспечения санитарной очистки территории города от отходов производства и потребления из-за дефицита мощностей по их промышленной переработке требуется вывоз значительной части отходов для захоронения на полигонах.

Несколько факторов в пользу строительства мусоросжигательных заводов (МСЗ) по сравнению с другими способами утилизации мусора:

1. Экономия на ГСМ из-за уменьшения допустимого радиуса строительства объекта (строится в черте города в радиусе 10 км). В то время, как для полигонов захоронения отходов радиус транспортировки от городского комплекса составляет ок.30 км. Согласно положениям Концепции обращения с ТБО в РФ 22 декабря 1999 г. N 17, «в связи с ростом городского населения все большее значение приобретает проблема вывоза отходов на дальнее расстояние». Среднее по России расстояние вывоза ТБО составляет 20 км, в крупных городах с населением более 500 тыс. жителей оно возрастает до 45 км и более. По данным обследования 100 городов РФ (без Москвы и Санкт-Петербурга), около 45% всех ТБО транспортируются на расстояние 10 - 15 км, 40% - на 15 - 20 км, а 15% всех отходов - на более чем 20 км. Как показывают статистические данные, дальность вывоза ТБО ежегодно возрастает в среднем на 1,5 км, а себестоимость их транспортировки соответственно на 15 - 20%.»

2. При сжигании одной тонны отходов можно получить 1300-1700 кВт. ч тепловой энергии или 300-550 кВт. ч электроэнергии.

3. Существует возможность реализации получаемого в процессе сжигания ТБО шлака и золы и получения дополнительного дохода.

4. На всех мусоросжигательных заводах обеспечивается утилизация тепла и извлечение черного металлолома.

Однако существуют и несколько факторов против мусоросжигания как одного из способов утилизации ТБО.

1. Главный недостаток мусоросжигательных заводов - трудность очистки выходящих в атмосферу газов от вредных примесей, особенно от диоксидов и оксидов азота. На мусоросжигательных заводах используется одноступенчатая схема очистки газов, что не позволяет реализовать их полную очистку и может вызвать загрязнение воздушного бассейна. В настоящее время разрабатываются технологии более глубокой очистки газов.

В процессе сгорания ТБО на мусоросжигательном заводе наряду с дымовыми газами образуются еще два вида отходов: шлак и зола. Важной задачей при эксплуатации мусоросжигательных заводов является утилизация или захоронение токсичных золы и шлака, масса которых составляет до 30% сухой массы ТБО. Применяя даже 99-процентную фильтрацию газообразных продуктов сжигания, в воздух все равно попадает часть выбросов, которая при длительной работе будет приводить к накоплению канцерогенов. Кроме того, при сжигании различных видов мусора образуются вещества, которые, вступая друг с другом в реакцию, могут образовать опасные химические соединения.

2. Высокие капиталовложения. Строительство завода может обойтись в 140 — 150 млн. евро (1000 долл./ тонну), а тариф принятия ТБО или, другими словами, стоимость услуги по сжиганию мусора составляет 100 евро за кубометр, согласно оценкам зарубежных производителей. Для сравнения: сейчас на мусоропереработку кубометра тратится 2 евро. Отсюда значительное увеличение бюджетных потоков города на утилизацию ТБО.

3. Обеспечение гарантированной поставки сырья. По мнению специалистов, объемы сжигания мусора на таком заводе большие, и, чтобы не допускать убыточности подобного проекта, руководству города необходимо поддерживать определенный установленный ввоз мусора на завод.

4. Для наилучшей работы мусоросжигательного завода необходимо соблюдать определенную морфологию, т.е. состав сжигаемых отходов.

Одним из путей решения множества трудностей, связанных со строительством МЗС является комбинирование такого завода с энергетическим оборудованием для получения различных энергоносителей на ТЭЦ.

Использование комбинирования МСЗ и ТЭЦ.

Во всех развитых странах мира уже давно практикуется использование ТБО и промышленных по типу бытовых в качестве достаточно калорийного топлива при низшей рабочей теплоте сгорания (Qрн) от 5,2 до 16,5 МДж/кг. В результате экологически чистого сжигания такого топлива обязательно используется вырабатываемая энергия. В России ежегодно используется в качестве топлива менее 1% ТБО (из 40 млн.тонн бытовых отходов), что ничтожно мало по сравнению со Швейцарией (80 %), Данией (80%), Японией (85%), Францией (65%), Германией (60%) и некоторыми другими странами.

Опыт освоения отечественных теплоэлектростанций, работающих на ТБО (т.е. с выработкой электроэнергии), ограничивается пока двумя предприятиями ГУП «Экотехпром» г.Москвы: ТЭС, использующая альтернативный вид топлива в Алтуфьеве (МСЗ № 2) и МСЗ № 4, входящий в комплекс по обезвреживанию и переработки твердых бытовых и биологических отходов в Руднево.

Сжигание мусора не решает проблему электро- и теплоснабжения – теплота сгорания городского мусора в несколько раз ниже, чем угля, общее количество тепла, которое можно получить, в разы меньше потребности города – источника этого мусора, а стоимость тепла, с учетом затрат на транспорт и охрану окружающей среды, выше чем местного угля или газа.

Таблица 4. Теплота сгорания различного вида топлива

Топливо	Теплота сгорания, МДж/кг
Природный газ	~ 36
Мазут	~ 40
Кузнецкий уголь	~ 18-25
Подмосковный уголь	10,5-11,7
ТБО	5,2-16,5

В качестве доказательства вышесказанному, приведем расчет возможного эффекта в виде количества сэкономленного органического топлива от сжигания ТБО.

Учитывая, что количество отходов производства и потребления, приходящееся в год на одного жителя Москвы, составляет примерно 300 кг/Чел.год, рассмотрим несколько вариантов расчета: с низшей теплотой сгорания ТБО Qрн ТБО = 7,5МДж/кг и Qрн ТБО = 8,4 МДж/кг, в зависимости от способа утилизации отходов. Полученные результаты приведем в таблице:

Таблица. 5. Экономия органического топлива при сжигании ТБО, приходящаяся на одного жителя города Москвы.

Показатель	Вар. 2	Вар. 1
Кол-во жителей г.Москвы, млн. чел.	12	12
Кол-во отходов на 1 человека в г. Москве, кг/Чел.год	300	300
Расход топлива на 1 человека на отопление, вентиляцию, ГВС, (Москва) кг у.т./год	1540	1540
Низшая теплота сгорания ТБО, (Ккал/кг)	1 791	2 006
Теплота сгорания условного топлива, Ккал/кг у.т.	7 000	7 000
Низшая теплотворная способность природного газа, ккал/нм3	8200	8200
Тепло от сжигания ТБО, приходящееся на одного жителя, ГДж/Чел.год	2,25	2,52
Экономия условного топлива в год на 1 человека, кг у.т./Чел.год:	76,79	86,01
Процент тепла от ТБО в потребном количестве на отопление, вентиляцию, ГВС на 1 чел.	4,99	5,58
Кол-во тепла в год от сжигания ТБО, т.у.т./г	921 502	1 032 082
Кол-во энергии, кот. м.б. использовано внешними потребителями, т.у.т./г	368 601	412 833
Экономия природного газа, млн.нм3/г	315	352

Из таблицы видно, что в относительном выражении около 5 % объема условного топлива, необходимого для жизнеобеспечения жителя г.Москвы, можно сэкономить при термической переработки ТБО. Если перевести относительные показатели в абсолютные значения, то, принимая в расчетах, что Qрн ГАЗА = 8200 ккал/нм3, получатся следующие результаты:

Можно предположить, что примерно 50 -70 % энергии, вырабатываемой на московских МСЗ, может быть использовано внешними потребителями, главным образом, в системах теплофикации и централизованного теплоснабжения города, а также для электроснабжения отдельных предприятий.

Однако, для обеспечения заметной роли ТБО в топливно-энергетическом балансе регионов России, необходимо включение технологии переработки ТБО в общую схему теплоснабжения района. Российские особенности утилизации мусора - это так называемый нераздельный сбор мусора, когда весь мусор сваливается в один контейнер, т.к. коммунальным службам пока не удается организовать сортировку ТБО на стадии сбора. Сортировочные и мусоросжигательные предприятия могут быть хоть как-то рентабельны только при крупных объемах переработки мусора, потому-то они работают в г. Москве, Санкт - Петербурге и Екатеринбурге. [10]

Зарубежный опыт термической переработки отходов.

Информация об утилизации ТБО в странах Западной Европы, США и Японии, а также данные о количестве отходов, используемых в качестве топлива по ряду стран в 2011г. представлена в таблице 6.

Таблица 6. Утилизация отходов в странах Западной Европы

Страна	Термич. переработка, %	Захоронение, %	Кол--во сжигаем. отходов, тыс.т/год
Австрия	48	36	500
Бельгия	55	27	2300
Германия	43	34	17000
Люксембург	50	50	-
Нидерланды	45	42	4900
США	15	55	30000
Япония	74	15	-

Рис. 7. Доля термической переработки отходов от размера общей суммы утилизации ТБО

Из таблицы и графика видно, что доля промышленной переработки в среднем составляет 40-50% . Наибольших успехов в термическом обезвреживании отходов с использованием их для выработки электрической и тепловой энергии добились наименьшие по территории развитые страны, так как здесь резко ограничены возможности для размещения полигонов по захоронению отходов. Это такие страны, как Дания, Бельгия, Нидерланды, Швейцария. [11]

Технологические процессы комбинирования МСЗ и энергетического оборудования.

Возможно несколько вариантов схем комбинирования МСЗ и энергетического оборудования для получения различных энергоносителей. Мусоросжигательные заводы сооружаются как утилизационные котельные (УК), так и ТЭЦ (УТЭЦ):

1. Котельная и МСЗ; конечным продуктом является тепловая энергия.

2. ТЭЦ со сжиганием ТБО; конечным продуктом является тепловая и электрическая энергия (или только электроэнергия)

2.1. ТЭЦ, сжигающие ТБО на базе ПГУ;

2.2. ТЭЦ, сжигающие ТБО на базе ГТУ;

2.2. ТЭЦ на базе ПГУ, сжигающие совместно с ископаемым топливом ТБО (или топливо из ТБО);

УК оснащаются паровыми котлами-утилизаторами с параметрами пара, как правило, давлением 1,4-2,4 МПа температурой до 250 – 300 С, при слоевом сжигании топлива на специальных решетках различных систем (в том числе «кипящего» слоя), но с глубокой шнуровкой слоя горящих отходов. Иногда котлы-утилизаторы применяются водогрейные.

УТЭЦ оснащены турбогенераторами с турбинами различного назначения:

- теплофикационными для выработки электроэнергии с отбором пара низкого давления и тепла как для собственных нужд МСЗ, так и отдачи внешним потребителям через электрические и тепловые сети городов;

- производственными с отборами пара повышенного давления, обеспечивающие технологические и коммунальные нужды предприятий,

- а также чисто конденсационными, вырабатывающими только э/энергию. [12]

Германия.

На ТЭЦ электростанции (ПГУ) Германии Volklingen в топке-сателлите сжигаются отработанные ТБО – так называемый коломат-топливо из отходов, а газы из этой топки поступают в топку энергетического котла. На ТЭЦ установлен прямоточный паровой котел, паропроизводительностью 530 т/ч пара с расходом высокозольного каменного угля 90 т/ч. Уголь в виде пыли через специальные горелки вдувается горячим воздухом в топку котла. Две топки-сателлиты, т.е. предвключенные к энергетическому котлу сжигают топливо из ТБО (коломат), в «кипящем» слое, в котором расположены змеевики для подогрева воздуха, направленного в газовую турбину.

Топки-сателлиты рассчитаны на сжигание 20 т/ч коломата каждая (~ 40 % от количества сжигаемого угля), их теплота сгорания 10 МДж/кг. На ТЭЦ установлены две турбины: паровая мощностью 195 МВт и газовая мощностью 42,5 МВт. Примечательно, что атмосферный воздух, втягиваемый и компримируемый компрессором газовой турбины, нагревается за счет сжигания коломата в топке-сателлите до 700 С, а затем догревается газом, поступающим в камеру сгорания газовой турбины до 800 С. Первичный воздух подается под слой топок-сателлитов в смеси с отработанными газами котла. Такая же смесь поступает и в пылеугольные горелки котла. Особенностью этой ТЭЦ, сжигающей топливо из ТБО в топках-сателлитах, является то, что дымовые газы газовой турбины в смеси с газами котла и предвключенных топок проходят пылеуловитель, направляются на обессеривание в специальную установку, а затем очищенные дымовые газы, смешиваясь с градирными средами, через градирню удаляются в атмосферу.

Россия. (Топливо – газ, ТБО)

Москва. Топки с вихревым «кипящим» слоем установлены на МЗС № 4 по термическому обезвреживанию ТБО с предварительной частичной сепарацией отходов. В энергетической практике во всем мире сжигание твердых низкокалорийных топлив в слое, когда само топливо набрасывается на толщу инертного материала, разогретого до достаточной высокой температуры и «бурлящего» под напором подаваемого из подрешеточного пространства воздуха через множество отверстий в решетке, практикуется достаточно давно. В Японии, Германии, Франции1010, Австрии, Испании и др. и продолжают сооружаться МСЗ, сжигающие отходы в топках «кип0ящего» слоя.

На МЗС № 4 будут функционировать три технологические линии, топки которых будут сжигать по 13,5 т/ч топлива из ТБО. Предприятие уже выходит на расчетную мощность. Топки, выполненные по лицензии японской фирмы «Эбара», поставлены фирмой «Хельтер АБТ» (Германия).

Над топками установлены горизонтальные паровые котлы производительностью 26-30 т/ч пара при давлении 1,6 МПа и температуре 310 0С. Каждая технологическая линия оснащена четырехступенчатой очисткой уходящих газов. На заводе производительностью по сжигаемым отходам ~ 260 000 т/г установлены две паровые турбины с производственными отборами пара электрической мощностью по 6 МВт каждая. Предприятие должно работать при коэффициенте использования основного оборудования технологической линии ~ 0,84 при работе на полную мощность.

При Qрн ТБО = 8,4 МДж/кг (~2 000 ккал/кг) выработка теплоты составляет 283 000 Гкал/г, электроэнергии – 105 000 МВт*ч/г, что полностью покроет потребности в энергии на собственные нужды, в том числе на переработку шлака и золы в полезные продукты, включая потребности в энергии завода «Эколог», расположенном вблизи МСЗ, а также обеспечит выдачу во внешние сети значительного количества энергии. На МСЗ установлены два паровых котла Б – 2,5-1,6 – 310 (2*25 т/ч), работающих на природном газе, что позволит при остановке одной из линий на профилактику и ремонт не снижать выработку электроэнергии в течение года.

Ориентировочный объем инвестиций при реализации проекта оценивается в сумме более 3 млрд. рублей. Протоколом предусмотрено, что ЗАО «Московская областная энергетическая инвестиционная корпорация» выступит в роли инвестора-застройщика, генерального проектировщика, генподрядчика и эксплуатирующей организации. В ближайшее время предусмотрен выбор земельного участка под строительство и разработка проекта. Ввод предприятия в эксплуатацию намечен протоколом на 2009 год.

Перспективы

По мере роста объемов производства и роста благосостояния жителей планеты удельная масса отходов на каждого жителя растет и в скором времени может достигнуть массы в 600-700 кг/чел. в год. Справиться с задачей возврата подавляющей части отходов в сферу полезного повторного использования – одна из важнейших задач человечества. Решение этой задачи возможно при круглогодичном сжигании ТБО на предприятиях по их термической переработке.

Использование ТБО, включая промышленные отходы по типу бытовых, в качестве топлива с использованием энергии при ее преобразовании в электрическую и тепловую; механико-химическая очистка уходящих из котлов газов; внедрение новых технологий сжигания, в том числе в так называемых топках с «кипящим» слоем; полезное использование ряда составляющих отходов, в том числе шлаков, золы, металлов, - все это имеет огромное значение с точки зрения экономии ископаемого топлива, материалов, но, главным образом, охраны природы, воздушного и водного бассейнов в Москве и Московской области путем постепенного закрытия существующих свалок и отказа от выделения новых земель для их организации.

Наряду с общепринятыми (традиционными) схемами сжигания ТБО с использованием тепловой и электрической энергии в системах энергоснабжения городов, в том числе в Москве, имеется богатый опыт европейских стран в схемных решений, приводящих к комбинированным источникам энергоснабжения. В составе таких источников используется наряду с технологическими линиями обезвреживания ТБО с выработкой энергии не только энергетическое оборудование в виде парогенераторов, но и газотурбинные установки (ГТУ), парогазовые установки (ПГУ).

Достоинства совмещенной (интегральной) компоновки ТЭС для сжигания природного топлива и ТБО:

1. Существенное повышение эффективности применения ТБО как топлива для выработки электроэнергии и достижение удельных показателей, близких к серийно применяемым ТЭС, можно достигнуть за счет частичного замещения энергетического топлива бытовыми отходами. Доля ТБО по количеству тепла может составлять примерно 10% от тепловой мощности котла станции. В этом случае только за счет повышенных параметров пара и увеличенной мощности котлов и турбин эффективность использования бытовых отходов повысится в 2‑3 раза.

Существенный экономический эффект может быть получен за счет снижения капитальных вложений благодаря использованию существующей на ТЭС инфраструктуры и сокращению расходов на газоочистное оборудование.

2. Энергетическое топливо, в том числе и бурый уголь, имеющий практически равноценные энергетические показатели с твердыми бытовыми отходами, надо покупать, а ТБО, напротив, принимается с денежной доплатой.

Основные проблемы, сопутствующие использованию ТБО в качестве топлива для получения энергии, для России, и для Москвы в частности, следующие:

1. Эффективная утилизация тепла, образующегося при сжигании отходов, и, прежде всего, проблема, связанная со сбытом вырабатываемой энергии. Нестабильность выработки электроэнергии вследствие сезонных и суточных колебаний количества и качества ТБО, а также при остановах технологических линий затрудняет ее сбыт в электрические сети.

2. Наиболее актуальным на сегодняшний момент является вопрос эффективного преобразования энергии ТБО в электрическую, т.к. абсолютный электрический КПД не превышает 14-15 %, в то время как за рубежом вновь вводимые в эксплуатацию установки, сжигающие ТБО, имеют абсолютный электрический КПД примерно 22%.