2146

тивных биоудобрений; жидкий шлам может быть далее подвергнут доочистке, и очищенная вода либо возвращается в производство, либо сбрасывается в открытый водоем;

• биогаз можно получать в реакторах-метантенках вместимостью от 0,5 м3 до нескольких тысяч кубометров непосредственно вблизи источников отходов, т.е. практически в любом климатическом регионе независимо от его энергоэкономического состояния.

Экономический эффект от внедрения технологии биоконверсии комплексный. Применение органических удобрений из остатка увеличивает урожайность сельскохозяйственных культур. По некоторым экспериментальным данным, внесение в почву органосодержащего остатка после анаэробной ферментации обеспечивает дополнительный прирост урожайности на 15−25 % на каждую тонну сухого остатка. Кроме того, биогаз можно конвертировать в тепловую энергию путем его прямого сжигания в горелках или с использованием теплоносителя, например воды. Он может быть использован в котлах малой и средней мощности для покрытия собственных тепловых нужд предприятия в системах горячего водоснабжения.

Биотехнологическая конверсия биомассы в биогаз осуществляется при переработке отходов сельского хозяйства, осадков канализационных очистных сооружений, полигонов твердых бытовых отходов (ТБО). Главный разработчик биогазовых технологий в России – Е.В. Панцхава (фирма «ЭКОРОС») [2, 14]. Под его руководством создано 86 индивидуальных биогазовых установок (каждая на пять-шесть голов крупного рогатого скота) производительностью 10−12 м3 биогаза в сутки, что достаточно для теплоэлектроснабжения семьи из пяти-шести человек. Разработана и построена биогазовая установка на основе термофильной ферментации 1 т навоза в сутки производительностью 40 м3 биогаза в сутки (агрофирма «Искра» Солнечногорского района Московской области).

Получение биогаза при переработке осадков канализационных очистных сооружений (КОС) – распространенная технология их обезвреживания. Во многих городах России на КОС имеются метантенки для получения биогаза, известен опыт его использования для теплоснабжения. В Краснодарском крае на 10 из 19 городских КОС есть метантенки с расчетной производительностью 16 млн м3 биогаза в год [14]. При дооборудовании всех 19 КОС метантенками их расчетная производительность по выработке биогаза составит 38 млн м3 в год. Потребности в тепловой энергии восьми этих КОС могут быть полностью обеспечены при сжигании биогаза, четырех КОС – на 50 %.

Один из проектов использования биогаза на объектах переработки ТБО

– строящийся полигон в г. Сургуте площадью 40 га, проектной вместимо-

149

стью 3,5 млн т [14], для которого разработана система утилизации биогаза с сооружением ряда скважин и газовыпусков.

Для дальнейшего развития биоэнергетики в России важно учитывать мировые тенденции и приоритеты.

6.2. Зарубежный опыт использования биомассы для получения биогаза

Лидером биоэнергетики являются страны Европейского союза (ЕС). В 1990 г. в странах ЕС мощность систем газификации биомассы составила

15МВт, к 2000 г. планировалось довести эти мощности до 20−30 МВт, а к 2005 г. − до 50−80 МВт. В соответствии с программой развития возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в этих странах к 2010 г. биомасса будет обеспечивать 74 % всей энергии, производимой ВИЭ, что составит 9 % общего потребления первичных энергоносителей. Работа отдельных фирм в области биоэнергетики координируется международными, национальными государственными и общественными организациями.

Наиболее современные биогазовые технологии внедряются в Германии, где уже работает 64000 биогазовых энергетических установок [14]. В наибольших масштабах биогаз из ТБО используется в США (на 430 объектах).

Различные системы газификации и газотурбинных комбинированных циклов мощностью 6 МВт электрических и 9 МВт тепловых уже созданы и создаются в Швеции. Ежегодное использование биотоплива оценивается в

42 1015 Дж.

Впоследние годы биогазовые технологии были детально оценены в Дании, которая стала первой страной, успешно продемонстрировавшей коммерческие биогазовые заводы по переработке отходов животноводства

идругих сельскохозяйственных отходов для получения тепловой и электрической энергии.

Дания – мировой лидер в индустриальном производстве биогаза. Около

8% современного потребления энергии в этой стране приходится на возобновляемые источники энергии. Их доля, как ожидают, к 2035 г. увеличится до 35 %. Наряду с другими возобновляемыми источниками энергии правительство Дании представляет налоговые льготы и для производителей биогаза, т.е. около 20 % капитальных инвестиций для централизованного биогаза и 30 % для индивидуальных станций или установок.

Втечение последних 10 лет наибольшее внимание в этой стране уделялось строительству больших централизованных биогазовых заводов, которые занимаются переработкой отходов животноводства и птицеводства, создающих серьезные проблемы в некоторых районах. В 1996 г. в эксплуатации находилось 18 централизованных биогазовых заводов, способных

150

ежегодно обрабатывать 1,2 млн т биомассы (75 % отходов животноводства и 25 % других органических отходов), давая от 40 до 45 млн т биогаза, что эквивалентно 24 млн м3 природного газа (в среднем 37,5 м3 биогаза на 1 т отходов). Суммарная годовая энергетическая мощность биогаза Дании, получаемого из всех источников, в настоящее время составляет 2 1015 Дж; к 2000 г. планируется дальнейшее увеличение его производства до

4 1015 Дж, а к 2005 г. – до 6 1015 Дж.

Большое количество биогаза производится главным образом при переработке твердых бытовых отходов городов: в США – эквивалентного 93 1015 Дж, в Германии − 14 1015, в Японии – 6 1015, в Швеции – 5 1015 Дж.

В конце 1995 г. в Китае около 5 млн семейных биогазовых реакторов (ферментеров) ежегодно производили около 1,3 млрд м3 биогаза. Кроме этих систем имеются 600 больших и средних биогазовых станций, которые используют органические отходы от животноводства и птицеводства, винных заводов с общим объемом 220 000 м3 и 24 000 биогазовых очистительных реакторов для обработки отходов городов. Работают также около 190 биогазовых электростанций с ежегодным производством 3 109 Вт ч. Биогазовая продукция в Китае оценивается в 33 1015 Дж.

В Китае к 2010 г. планируется создание станции мощностью 300 МВт по газификации багассы (отходов сахарного производства), соломы и опилок.

В Индии, как и в Китае, основной упор сделан на семейные и общинные биогазовые установки – в 1993 г. их было около 1850 тыс. Однако они требуют первоначальных относительно высоких инвестиций и поэтому не всегда доступны индийским крестьянам. Только в тех случаях, когда нет других источников биомассы, биогаз становится важным источником энергии.

Основные положения национальной программы Индии по развитию биогазовых технологий включают в себя: снабжение чистой энергией для приготовления пищи; получение органических удобрений, обогащенных элементов химических удобрений; повышение уровня жизни крестьян; улучшение санитарно-гигиенических условий быта и работы. Политическая тенденция – поддержать строительство биогазовых станций большой производительности.

Весьма ценен опыт развития биоэнергетики в Украине. По данным [4], фактическое использование биомассы в 2001 г. составило 0,5 % общего потребления первичных энергоносителей (ОППЭ). Проектом «энергетической стратегии Украины на период до 2030 г. и дальнейшую перспективу» долю биомассы к 2010 г. предусмотрено увеличить до 7,8 % ОППЭ. При оценке энергетического потенциала биомассы в республике рассматривались следующие ее виды [4]: отходы растениеводства (солома, стебли и

151

лузга подсолнечника), древесные отходы, отходы животноводства (навоз), осадки канализационных очистных сооружений, твердые бытовые отходы (на полигонах).

Наиболее перспективными технологическими установками для Украины определены [14]: биогазовые установки для ферм, установки сбора и использования биогаза полигонов ТБО, для совместного сжигания биомассы и твердого топлива, для производства моторных топлив из биомассы. Здесь уже эксплуатируется биогазовая установка на свиноферме на 15 тыс. голов с объемом метантенков 2 тыс. м3 установленной электрической мощностью 160 кВт и тепловой 300 кВт; демонстрационная система сбора и сжигания биогаза ТБО с тремя скважинами, из которых получают 90 м3/ч биогаза, а при его сжигании эксплуатируется электростанция мощностью

30 кВт.

Таким образом, анализ мирового опыта использования энергии биомассы свидетельствует о ее существенном вкладе в общий энергобаланс. В России имеются значительные ресурсы биомассы. Накоплен многолетний опыт сжигания, существуют перспективные технологии, но необходимы национальная программа развития биоэнергетики и координирующий центр.

Медленные темпы внедрения и коммерциализация биоэнергетических установок (БЭУ) в России объясняются несколькими причинами:

−оборудование для БЭУ все еще весьма дорого, и в большом числе случаев стоимость энергии (тепло- и/или электроэнергии), получаемой от этих источников, превышает стоимость энергии от обычных;

−эффективность преобразования энергии далека от теоретических пределов, что делает БЭУ более материалоемкими и дорогими;

−надежность оборудования во многих случаях низка. Это снижает коэффициент готовности установок, требует более частых ремонтов, повышает стоимость эксплуатации; отсутствуют стандарты, сертификаты и гарантии на производимое оборудование;

−существует «порочный круг»: для того чтобы улучшить качество оборудования и снизить цену, необходимо начать его массовое промышленное производство. Однако промышленность может быть вовлечена в этот процесс только при условии существования развитого, достаточно емкого рынка, но такой рынок, в свою очередь, предполагает высокое качество и низкую стоимость оборудования;

−имеются серьезные организационные проблемы, отсутствуют специальные организации по распространению и сервисному обслуживанию установленного оборудования.

152

7. ГОРЮЧИЕ ГАЗЫ ОТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Горючими газами от технологических аппаратов называют газы, которые могут быть использованы в качестве топлива. Теплота сгорания этих газов должна обеспечить получение продуктов сгорания ТАД выше температуры воспламенения ТВОСП . Если ТАД > ТВОСП , дожигание газов возможно путем дополнительного подвода горючего газа с высокой теплотой сгорания и подогрева воздуха, используемого для горения. Экономически

такой способ дожигания оправдывается при газе с теплотой сгорания

QН > 1600 Дж/м3.

При малом содержании горючих компонентов в газе возможно их окисление путем пропуска с воздухом через раскаленную до 800−1000 0С каталитическую шамотную насадку.

Характеристика основных видов горючих газов от технологических аппаратов приведена в табл. 7.1

Таблица 7.1

Характеристика горючих газов [26 ]

Непрерывно выделяющиеся горючие газы при постоянном количестве и составе без затруднений используются непосредственно как топливо в технологических процессах и для выработки пара или электроэнергии. В черной металлургии, являющейся наибольшим источником горючих газов, доля их в топливопотреблении отрасли составляет примерно 26 % . Потери

153

доменного и коксового газов, возникающие в периоды загрузки печей, составляют 3−5 % .

При поступлении горючих газов от технологических агрегатов с периодическим процессом производств характерными параметрами, определяющими график выработки газов, их количество и состав, являются время выхода газа, время технологического цикла, отношение среднего количества газов к максимальному объемному расходу газов в единицу времени в период выхода газа. Значение этих величин определяется видом производства и характеристиками технологического процесса.

При периодическом поступлении горючих газов непрерывное их использование для энергетических агрегатов возможно при применении следующих специальных систем: с газгольдерами, с паровыми аккумуляторами, с тепловыми аккумуляторами.

Система с газгольдером. Принципиальная схема системы с газгольдером показана на рис. 7.1. В газгольдер должны поступать взрывобезопасные газы. Нижний предел допустимого содержания горючих газов, поступающих в газгольдер, определяется верхним концентрационным пределом их воспламенения в смеси с воздухом.

2 6 7

К потребителю

1 3 4 5

Рис. 7.1. Система использования конвертерного газа как топлива с газгольдером: 1 – конвертер; 2 – барабан; 3 – газоочиститель; 4 – газодувка; 5 – газгольдер; 6 – насос; 7 – котел

Нижний предел содержания окиси углерода в газе кислородных конвертеров, поступающих в газгольдер, после газоочистки составляет 50 % ; свободного кислорода должно быть не более 3 % .

Необходимая емкость газгольдера определяется условием непрерывного и постоянного по времени отпуска газа потребителем при периодическом и переменном графиках его поступления от технологических агрегатов.

154

Впромышленности применяют мокрые газгольдеры низкого давления

ипеременного объема. Газгольдеры емкостью 100−10000 м3 изготавливают однозвенными с одним колоколом, емкостью 15000−32000 м3 − двухзвенными с колоколом и телескопом (рис. 7.2). Характеристики мокрых газгольдеров приведены в табл. 7.2.

Рис. 7.2. Мокрый двухзвенный газгольдер ГМ-32000: 1 – колокол; 2 – резервуар; 3 – телескоп; 4 – гидравлический затвор

Таблица 7.2

Примечание. − в числителе – при опущенном телескопе, в знаменателе – при поднятом.

Допустимая максимальная скорость перемещения колокола и телескопов составляет 1,5 м/мин. Газгольдеры по условиям пожарной безопасно-

155

сти должны быть расположены на расстоянии от производственных помещений не менее чем 300 м.

Системы с паровыми аккумуляторами. В системе с пароводяными аккумуляторами (рис. 7.3) горючие газы, периодически поступающие от технологических агрегатов, сжигаются и используются для выработки пара в котлах, работающих в периоды выхода газа с переменной нагрузкой.

Пар от котлов направляется в пароводяные аккумуляторы, из которых поступает непосредственно в сеть теплоснабжения или после перегрева в паротурбинные установки. Давления в котле и после аккумулятора поддерживаются постоянными.

Рис. 7.3. Схема включения пароводяных аккумуляторов: а – через аккумуляторы проходит весь пар; б – через аккумуляторы проходит пиковое количество пара; 1 – регулятор «до себя»; 2 – разрядный клапан; 3 – аккумулятор; 4 – потребители пара; 5 – паропровод низкого давления; 6 – регулятор «после себя»; 7 – зарядный клапан; 8 – котел-утилизатор; 9 – паропровод повышенного давления

Системы с тепловым аккумулятором. Принципиальные схемы сис-

тем с тепловым аккумулятором применительно к использованию газа от кислородных конвертеров показаны на рис. 7.4 и 7.5.

156

Рис. 7.4. Система использования конвертерного газа для выработки пара энергетических параметров в котле: 1 – конвертер; 2 – охладитель конвертерных газов; 3 – паровой аккумулятор для использования пара от охладителя конвертерного газа; 4 – система газоочистки; 5 – газодувка; 6 – тепловой аккумулятор; 7 – смеситель, обеспечивающий постоянную температуру газов; 8 – свеча для отвода газов в атмосферу

157