Зеленая энергетика и создание автономных источников энергоснабжения на очистных сооружениях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зеленая энергетика и создание автономных источников энергоснабжения на очистных сооружениях

Пупин В.М., Закутнов В.А.

Россия, г. Москва, МЭИ «НИУ»

В последние десятилетия прогресс в развитии сооружений очистки сточных вод, обработки осадка, утилизации бытового мусора во всем мире тесно связан с ресурсосбережением, повышением надежности и эффективности энергоснабжения.

Важнейшим ресурсом энергосбережения является обработка осадка сточных вод и органической составляющей бытового мусора, представляющего, с современной точки зрения, биомассу, которая может быть эффективно конвертирована в различные виды энергии, прежде всего способами биологической анаэробной переработки (метанового сбраживания) и последующего сжигания биогаза. Данное направление в последнее десятилетие широко развивается во всем мире, в связи с постоянным удорожанием природных энергоносителей (нефти и природного газа).

The last decades progress in development of constructions of sewage treatment, processing of a deposit, utilization of household garbage is around the world closely connected with the cost-effective use of resources, increase of reliability and efficiency of power supply.

The most important resource of energy saving is processing of a deposit of sewage and an organic component of the household garbage representing, from the modern point of view, a biomass which can be effectively converted in different types of energy, first of all by ways of biological anaerobny processing (a metane sbrazhivaniye) and the subsequent burning of biogas. Channelized in the last decade widely develops around the world, in connection with continuous rise in price of natural energy carriers (oil and natural gas).

В процессе очистки сточных вод на очистных сооружениях Москвы образуется 13 млн.м3/год или 35,5 тыс.м3/сутки жидкого осадка. Весь образующийся осадок подвергается сбраживанию в метантенках, в результате чего органические загрязнения трансформируются в биогаз, содержащий около 65% метана.

Начиная с 1998 г. МГУП "Мосводоканал" проводит комплексную реконструкцию метантенков в результате которой была увеличена глубина сбраживания, и за счет этого выросла выработка биогаза - за последние 10 лет в 1,7 раза. Таким образом, повышение эффективности сбраживания дает двойную экономию: во первых, за счет получения дополнительного биогаза, являющегося ценным топливом, во-вторых, за счет сокращения количества осадка, подлежащего дальнейшей обработке. В настоящее время на очистных сооружениях получают около 250 тыс. куб. м/сутки (более 90 млн. куб. м/год). Это превысило потребности в биогазе, применяемом в технологических целях - для подогрева осадка, поступающего в сооружения по его сбраживанию. МГУП "Мосводоканал" решило перейти к следующему этапу - утилизации биогаза на мини - ТЭС, с выработкой электроэнергии и получением дополнительного тепла. Основные технические характеристики мини-ТЭС представлены в таблице 1.

Реализацию проектов по оснащению очистных сооружений Москвы (Курьяновских и Люберецких) активизировало массовое отключение электроэнергии в столице 25 мая 2005 года, когда перерыв в энергоснабжении очистных сооружений чуть не привел к экологической катастрофе. В первую очередь было принято решение о строительстве мини-ТЭС на Курьяновских очистных сооружениях, осуществляющих сброс очищенных вод непосредственно в черте города.

Инвестором проекта выступил австрийский концерн "EVN" со своим подразделением "ВТЕ Вассертехник ГМбХ", который приступил к строительным работам в 2007 году. Имея опыт создания подобных объектов в других странах Европы, фирма-инвестор сделала упор на широко применяемую во многих зарубежных странах технологическую схему сжигания биогаза в газо-поршневых двигателях с выработкой электроэнергии и получением тепла.

Таблица 1. Основные технические характеристики мини-ТЭС

биогаз энергосбережение очистной

Биогаз, образовавшийся в метантенках, по газовой сети поступает на установку его очистки, так как в исходном виде биогаз не отвечает требованиям к топливу, подаваемому на двигатели внутреннего сгорания. Газ должен быть очищен от сероводорода, соединений кремния (силоксаны), а также осушен.

Первая стадия очистки биогаза предусматривает удаление сероводорода, которое производится в процессе его связывания с оксидом железа. Для этого в качестве наполнителя в колонне очистки 1-й ступени (десульфитатор) используется высокопорозная железная руда. Вторая стадия предусматривает удаление неуглеводородных органических соединений, в том числе кремния (силоксаны), которое производится в процессе адсорбции в колонне, загруженной активированным углем.

Очищенный биогаз поступает к двигателям внутреннего сгорания, где он выступает в качестве топлива для их работы. Двигатели приводят в действие электрогенераторы, вырабатывающие электроэнергию, которая в дальнейшем подается во внутренние сети среднего напряжения очистных сооружений. Таким образом, мини-ТЭС работает параллельно с сетью ОАО "МОЭСК" и обеспечивает электроэнергией до 50% основных технологических потребностей Курьяновской станции и, прежде всего, электродвигатели турбовоздуходувок. Именно они, насыщая воздухом активный ил, обеспечивают поддержание жизнедеятельности микроорганизмов, используемых на этапе биологической очистки воды.

Рисунок 1. Энерго-технологическая схема работы мини-ТЭС на Курьяновских очистных сооружениях

Отходящие дымовые газы, имеющие температуру 450-470 ?С, поступают на парогенераторы. В них теплота дымовых газов преобразуется в энергию пара, который в дальнейшем используется для подогрева осадка сточных вод, подаваемого в сооружения по его сбраживанию. Такой способ утилизации тепловой энергии отходящих газов выбран для того, чтобы сохранить существующую систему обогрева метантенков острым паром, которая позволяет использовать для этих целей в качестве резервного источника существующую котельную. В ходе работы установки осуществляется водяное охлаждение электрогенерирующих агрегатов и самих двигателей оборотной водой, которая подается в наружный канал теплообменника типа "труба в трубе", а во внутреннюю трубу подается осадок по пути следования в метантенки. Частичный перевод метантенков на подогрев горячей водой позволяет сократить подачу в метантенки острого пара, что положительно сказывается на процессе метанового сбраживания и также позволяет увеличить выработку биогаза. Таким образом, тепло, выделяемое в результате работы мини-ТЭС, рекуперируется и направляется на технологические нужды. Энерго-технологическая схема работы мини-ТЭС на Курьяновских очистных сооружениях представлена на рисунке 1.

Одновременно со строительством мини-ТЭС на Курьяновских очистных сооружениях была проведена реконструкция связанной с ней инженерной инфраструктуры. Реконструкция включала в себя замену морально и физически устаревшего электрооборудования на трех трансформаторных подстанциях (156 ячеек с вакуумными выключателями и процессорными блоками защиты), оснащение всех турбовоздуходувных агрегатов устройствами плавного пуска, установку теплообменника для подогрева осадка, подаваемого в метантенки. Таким образом, создание мини-ТЭС инициировало комплексную реконструкцию тепло-энергетического хозяйства Курьяновских очистных сооружений с заменой морально и физически устаревшего оборудования.

Запуск мини-ТЭС, снизив нагрузку на городскую энергосистему, позволил переориентировать соответствующую мощность для решения градостроительных задач в Москве.

Стоимость создания мини-ТЭС составила 29,3 млн.евро. Возврат инвестиций будет осуществляться в течение 15 лет по схеме экономических взаимоотношений между МГУП "Мосводоканал" и концерном "EVN" как инвестором, приведенной на рисунке 2:

- МГУП "Мосводоканал" продает инвестору биогаз по цене, определяемой исходя из затрат на его производство;

- МГУП "Мосводоканал" принимает от мини-ТЭС по приборам учета электрическую энергию, тепловую энергию в виде пара и горячей воды и оплачивает их стоимость по тарифам, утверждаемым Региональной энергетической комиссией;

- из доходов, полученных инвестором от продажи энергоносителей, он окупает вложения и покрывает затраты на эксплуатацию мини-ТЭС.

После завершения периода окупаемости тарифы на тепловую и электрическую энергию снизятся, так как из них будет исключена инвестиционная составляющая по строительству мини-ТЭС (на сегодняшний день стоимость электроэнергии без учета инвестиционной составляющей равна 1,80 руб./кВт*ч).

Рисунок 2. Схема экономических взаимоотношений

Расчетный срок эксплуатации электростанции - 30 лет.

Мини-ТЭС на Курьяновских очистных сооружениях, работающая не на топливе, а на возобновляемом источнике энергии - биологическом газе, является крупнейшим сооружением биоэнергетики в России. Сегодня в мире растет интерес к технологиям, позволяющим сберегать природные ресурсы за счет использования альтернативных возобновляемых источников энергии, к которым относится и биологические. В последнее десятилетие, наравне с использованием энергии солнечного ветра, биоэнергетика получает широкое развитие в связи с сокращением запасов не возобновляемых источников энергии и обострением проблемы потепления климата.

Построенная на Курьяновских очистных сооружениях теплоэлектростанция обеспечивает не менее 50% потребности в электроэнергии и тепловой энергии очистных сооружений и позволяет осуществлять процессы очистки сточных вод непрерывно даже в условиях полного отсутствия напряжения от источников внешнего энергоснабжения и не допускает сброса неочищенных сточных вод в водоемы, т.е. повышает экологическую надежность работы очистных сооружений.

На сегодняшний день главной задачей альтернативной энергетики является использование экологически чистых источников энергии, к которым, наряду с энергией солнца и ветра, относится и биологический газ, образующийся при сбраживании органической составляющей осадков сточных вод, и таким образом мини-ТЭС является наиболее современным решением по утилизации биогаза, предотвращающим ситуации с бессмысленным сжиганием его излишков.

В результате реализации подобных проектов:

- для городского хозяйства

Снизится нагрузка на городскую энергосистему, что позволит переориентировать соответствующую мощность для решения градостроительных задач.

Мини-ТЭС обеспечит электроэнергией 50% основных технологических потребителей на Курьяновских очистных сооружениях, что существенно повышает надежность энергоснабжения очистных сооружений.

- для очистных сооружений

Создание мини-ТЭС инициировало комплексную реконструкцию тепло-энергетического хозяйства Курьяновских очистных сооружений с заменой морально и физически устаревшего оборудования.

Перевод метантенков на подогрев горячей водой (частично) позволит сократить подачу в метантенки острого пара, что положительно скажется на процессе метанового сбраживания.

- для экологии

Мини-ТЭС является наиболее современным решением по утилизации биогаза, предотвращающим ситуации с бесцельным сжиганием излишков биогаза в летнее время.

Использование возобновляемого источника энергии - биогаза способствует повышению энергетической и экологической эффективности работы Курьяновских очистных сооружений.

Размещено на Allbest.ru