Технические возможности использования метана со свалок твердо-бытовых отходов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Технические возможности использования метана со свалок твердо-бытовых отходов

Technical possibilities of use of methane from dumps of the is firm-household waste

А.С. Кузьминов, Г.А. Смага, О.А. Савватеева, С.П. Каплина

A.S. Kuzminov, G.A. Smaga, O.A. Savvateeva, S.P. Kaplina

Проведены анализ, оценка и сопоставление существующих технических решений по использованию метана, полученного со свалок ТБО. Обоснован выбор коммерчески привлекательных способов использования свалочного газа в качестве энергоносителя для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии. Проанализированы способы использования потенциала полигонов ТБО для производства электроэнергии с ее последующей продажей в централизованную сеть, а также энергообеспечения собственных нужд предприятия, располагающегося непосредственно на полигоне (мусороперерабатывающего мусоросортировочного комплекса).

Утилизация свалочного газа, твердобытовые отходы, факельная установка, мусоросортировочный комплекс.

The article contains analysis, assessment and comparison of existed technical solutions on methane management, generated from SDW dumps. Choice of commercially attractive measures for landfill gas use as an energy carrier for combined heat and electrical energy generation has been justified. Management measures of SDW landfills' capacity for electricity generation with supply centralized electrical grids with it, and energy supply of the enterprise itself (in case the enterprise is located in a close vicinity to the landfill) were analyzed.

Landfill gas utilization, solid domestic waste, flare device, waste sorting complex.

В настоящее время существуют различные варианты утилизации свалочного газа с полигонов ТБО. Рассмотрим несколько принципиальных технологических схем по возможному использованию энергетического потенциала свалочного газа для повышения рентабельности проектов по его утилизации с полигонов ТБО.

На рис. 1 приведена схема простого факельного сжигания свалочного газа. Данная схема по своей сути не является коммерчески привлекательной и предназначена лишь для сжигания собранного свалочного газа, который с необходимостью, подтвержденной нормативно-правовой базой РФ, должен быть отведен с полигонов и утилизирован. Факельное сжигание является наиболее дешевым способом снизить эмиссию парниковых газов. Примерно 20% глобального парникового эффекта на Земле связано с попаданием в атмосферу метана, 7-10% которого обусловлено полигонами и свалками ТБО. Таким образом, утилизация биогаза на полигонах является одним из существенных способов уменьшения эмиссии парниковых газов и, как следствие, одним из самых эффективных инструментов в борьбе за сохранение постоянного климата на планете [1,2]. Данная схема может иметь коммерческую привлекательность только в рамках Киотского протокола, прибыль может быть получена от продажи углеродных квот, что в настоящее время является довольно сомнительным для России. Схема решает частично только экологические проблемы, возникающие при захоронении ТБО, и не предполагает получения доходов от утилизации собранного биогаза.

Рис. 1. Факельное сжигание свалочного газа

Следующая схема (рис. 2) предполагает получение электрической энергии с использованием в качестве топлива свалочного газа полигона ТБО с последующей продажей ее в сеть. Выработка электроэнергии на полигоне с последующей продажей в сеть остается наиболее популярным способом утилизации биогаза на Западе. Однако в условиях России эта возможность остается проблематичной из-за низких тарифов на электроэнергию и практических сложностей продажи электроэнергии в сеть малыми производителями. Во многих развитых странах производство электроэнергии на основе свалочного газа стимулируется государственной политикой с помощью специальных законов. В России отсутствуют законы, обязывающие потребителей покупать альтернативную энергию.

Также использование биогаза в качестве моторного топлива с выработкой только электроэнергии составляет всего 35-37%, что значительно увеличивает срок окупаемости проекта.

Скорее всего, этот вариант утилизации свалочного газа не является экономически рентабельным в условиях России.

Альтернативным вариантом реализации выработанной электроэнергии является ее использование для локального потребления (рис. 3). Одним из условий повышения рентабельности такой схемы является равномерный спрос на электроэнергию в течение всего года. Одним из таких потребителей может выступать мусоросортировочный комплекс, расположенный непосредственно на полигоне ТБО. Данная схема предполагает утилизацию свалочного газа, собранного с полигона ТБО, в качестве выработки электроэнергии, которую возможно использовать для сортировочного комплекса. Особенностью формирования экологической обстановки территории МО является наличие большого количества накопленных за многие годы как промышленных, так и твердых бытовых отходов (ТБО). В этой связи актуальность проблемы их утилизации становится очень острой. Предварительная сортировка и передача на переработку отсортированных фракций, являющихся вторичным ресурсом, уменьшит загрязненность окружающей среды, позволит обеспечить максимальное извлечение полезных сырьевых компонентов из ТБО, содержание которых в общем составе отходов довольно значительное. При таком комплексном подходе имеется реальная возможность использовать 50-60 % ТБО в качестве вторичного сырья.

Рис. 2. Выработка электроэнергии с продажей в сеть

Рис. 3. Выработка электроэнергии

метан свалка бытовой отход

Одна из актуальных задач сегодняшнего дня -- добиться фактически полной переработки мусора, оснастив полигоны ТБО мусоросортировочными заводами. Эксплуатация сортировочного комплекса (полигон + сортировка) увеличит время дозагрузки полигона на несколько лет. Экономическая выгода будет от продажи вторичного сырья, отсортированного на мусоросортировочном комплексе.

Опыт использования мусоросортировочного комплекса на полигоне «Кучино» в Московской области показывает, что возможно получение денег дважды за один и тот же мусор, первый раз за прием ТБО на полигон (то есть за размещение его на полигоне), а второй раз - при продаже в качестве вторсырья. Продажа вторсырья дает полигону примерно 40 % всех его доходов. Опыт использования мусоросортировочного комплекса на полигоне «Кучино» в Московской области показывает, что достаточно реально найти платежеспособного покупателя для множества видов вторсырья. В настоящее время цена на макулатуру в качестве вторсырья составляет в зависимости от марки от 1000 до 3000 рублей за тонну, пластмассу -- от 800 до 7000 руб. за тонну, стеклобой -- до 3000 руб. за тонну, лом черных и цветных металлов -- в среднем 5000 руб. за тонну.

Данная схема может быть достаточно привлекательной для коммерческого использования мусоросортировочного комплекса.

Утилизация свалочного газа с одновременной выработкой электрической и тепловой энергии (рис. 4) теоретически позволяет улучшить экономические показатели проекта по сравнению с производством электроэнергии. КПД когенерационной установки составляет до 90%, это обеспечивает значительное снижение затрат на топливно-энергетические ресурсы. Во многих странах существует государственная поддержка применения когенерационных систем, работающих на газе. Связано это, в первую очередь, с экологией: когенерация позволяет сократить на 30-50% эмиссию CO2 по сравнению с электростанциями, работающими на угле, и на 15-20% - по сравнению с раздельной генерацией электроэнергии и тепла.

Рис. 4. Совместная выработка электрической и тепловой энергии

Данная схема предполагает получение тепловой и электрической энергии из собранного свалочного газа и использование ее в сортировочном цеху, административно-бытовых помещениях комплекса, а также на расположенных в непосредственной близости от полигона ТБО предприятиях с достаточно стабильным спросом на энергию. Это могут быть тепличные хозяйства, небольшие экопоселки, некоторые производства, на которых, например, требуется сушка, и т. п. Примерами последних можно рассматривать предприятия лесного сектора промышленности с сушкой древесины и некоторые другие.

Основное правило состоит в оценке времени работы когенерационной системы и степени ее загрузки -- чем дольше система работает на максимальной мощности, тем более эффективна экономика ее применения. Частичное замещение или полный отказ от коммерческого топлива и переход на условно-бесплатное (биогаз, попутный газ, шахтный метан, отходы химического производства) способствуют улучшению экономических показателей когенерации.

Обезвреживание биогаза в устройстве осуществляется за счет преобразования энергии сжигаемого газа в дешевую электрическую и тепловую, что способствует снижению экологической и пожарной опасности полигонов хранения ТБО. Для потребителя преимуществом использования электрической и тепловой энергии, полученной от когенерационной установки, является независимость от централизованных сетей, тарифов естественных монополий.

В данной схеме предполагается использование небольшой факельной установки, которая будет использоваться для сжигания избытков свалочного газа в теплый летний период и по необходимости в зависимости от погодных (большей частью) условий. Наличие факельной установки приводит к увеличению первоначальных вложений и, соответственно, возрастет срок окупаемости оборудования, но это позволит сделать работу схемы более стабильной и безопасной.

Мусоросортировочный комплекс в данной схеме также является одним из основных возможных потребителей электрической энергии, тепло может быть использовано частично для отопления и, возможно, для получения горячей воды. Доход от реализации вторсырья является основным источником доходов при реализации данной схемы. В качестве потребителя электрической и тепловой энергии, кроме перечисленных выше, также могут выступать предприятия по переработке макулатуры, например, производства плитного материала, туалетной бумаги, бугорчатой прокладки, из которой можно изготовить тару для яиц, овощей, напитков, прокладочный материал для электронной техники, промышленную упаковку, горшки для посадки семян и т.д. В настоящее время производство бугорчатой прокладки является одной из самых широких областей применения оборудования для переработки макулатуры. Возможности сбыта произведенной продукции не вызывают сомнения, а как следствие реально получение стабильного дохода. Такой потребитель также имеет практически равномерные потребности в течение всего календарного года.

Также возможно рассмотреть вариант расположения рядом с полигоном ТБО предприятия по утилизации ртутьсодержащих ламп. В рамках реализации энергосберегающей стратегии России до 2030 года (в частности, отказ от применения ламп накаливания и замена их энергосберегающими люминесцентными лампами) расположение данного предприятия представляется весьма актуальным.

Вероятнее всего, именно утилизация свалочного газа по схеме когенерации с одновременной выработкой электрической и тепловой энергии представляется наиболее привлекательной для использования биогаза в коммерческих целях. Рассматриваемый подход позволит избежать подключения сортировочного комплекса, помещений и производств к городским электро- и теплосетям. В России условия, выдвигаемые поставщиками электроэнергии и тепловой энергии для подключения к электрическим и тепловым сетям, часто ведут к значительным безвозвратным расходам и даже к пересмотру этих же подключений.

Удельная стоимость подключения к энергетическим сетям уже достигла удельной стоимости когенератора с одинаковыми энергетическими параметрами, а на ряде объектов даже превышает ее,. Существенная разница между капитальными затратами на энергоснабжение от сетей и энергоснабжение от собственного источника в том, что капитальные затраты, связанные с приобретением когенератора, возмещаются, а капитальные затраты на подключение к сетям безвозвратно теряются при передаче вновь построенных подстанций на баланс энергетических компаний.

Капитальные затраты при применении когенератора компенсируются за счет низкой себестоимости энергии в целом. Обычно полное возмещение капитальных и эксплуатационных затрат происходит после эксплуатации когенератора в течение трех-четырех лет. Более того, энергоснабжение от когенератора позволяет снизить ежегодные расходы на электро- и теплоснабжение по сравнению с энергоснабжением от энергосистем примерно на 2800-2900 руб. за каждый кВт номинальной электрической мощности когенератора в том случае, когда когенератор работает в базовом режиме генерации энергии (при 100 %-й нагрузке круглогодично). Такое возможно, когда когенератор питает нагрузку в непрерывном цикле работы, или если он работает параллельно с сетью.

Последнее решение является выгодным также для электрических и тепловых сетей. Первые будут заинтересованы, потому что приобретают дополнительную генерирующую мощность без капитальных вложений на строительство электростанции (энергосистема закупает дешевую электроэнергию для её последовательной реализации по более выгодному тарифу). Тепловые сети получают возможность снизить производство тепла, закупая дешевое тепло для его реализации близлежащим потребителям. В России в настоящее время формируется рынок когенерационных установок, в том числе на основе российских технологий [3].

И, наконец, последняя схема (рис. 5) предполагает сжигание собранного свалочного газа в районной котельной совместно с природным газом. Для этого необходимо доведение содержания метана в свалочном газе (обогащение) до 94-95 % с последующим его использованием в городской котельной. Отметим, что по энергетическому потенциалу 1 куб. м биогаза соответствует 0,5 куб. м природного газа. Ключевыми моментами для рассматриваемой схемы являются расстояние до котельной (по литературным данным, целесообразным является его величина до 5 км), стоимость закупки свалочного газа, стоимость модернизации котельной и системы подачи топлива и сжигания: возможно, потребуется модернизация горелок или создание нового котла с новой горелкой специально для свалочного газа.

Рис. 5. Продажа потребителю в качестве заменителя природного газа

Данная схема может быть достаточно привлекательной с коммерческой точки зрения в силу растущих цен на природный газ и повышения внимания общества к проблемам его добычи и снижению его запасов.

Оценка рентабельности всех рассмотренных принципиальных схем и вариантов использования энергетического потенциала свалочного газа, а также выбор наиболее экономически выгодного проекта с разработкой экономического обоснования рентабельного способа использования свалочного газа зависят от каждого конкретного случая, цели работы, района расположения объекта и прочих равных условий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Киселевская А.Ф. Аналитическая оценка состояния поведения с твердыми бытовыми отходами и тенденции развития их переработки/ А.Ф. Киселевская. Киев: АТ «Киевпроект», 2000. 21 с.

2. Матвеев Ю.Б. Опыт реализации проектов по сбору биогаза на полигонах ТБО Украины в рамках реализации программы «Метан - на рынок»/ Ю.Б. Матвеев. М.: НТЦ Биомасса, 2009. 15 с.

3. Зеленые сертификаты как инструмент для мониторинга возобновляемой энергии и стимулирования развития возобновляемой энергетики в России/ Н. Васен, В.И. Виссарионов, И.Л. Зерчанинова и др. http://intersolar.ru/moscow/publications/russia/green_certification.html.

Кузьминов Андрей Сергеевич - вице-президент автономной некоммерческой организации «РУСДЕМ-Энергоэффект» («РУСДЕМ-ЭЭ»), Москва.

Смага Геннадий Александрович - технический директор автономной некоммерческой организации «РУСДЕМ-Энергоэффект» («РУСДЕМ-ЭЭ»), Москва.

Савватеева Ольга Александровна - кандидат биологических наук, доцент кафедры «Экология и науки о Земле» Международного университета природы, общества и человека, г.Дубна.

Каплина Светлана Петровна - магистр экологии и природопользования кафедры «Экология и науки о Земле» Международного университета природы, общества и человека, г. Дубна.

Kuzminov Andrey Sergeevich - Vice-President Autonomous non-commercial organization «Rusdem-Energy Efficiency», Moscow.

Smaga Gennady Aleksandrovich - Technical Director Autonomous non-commercial organization «Rusdem-Energy Efficiency», Moscow.

Savvateeva Olga Aleksandrovna - Candidate of Sciences in Biologics, Assistant Professor of the Department of «Ecology and Sciences about the Earth» of the International University of Nature, Society and Man, Dubna.

Kaplina Svetlana Petrovna - Master of Ecology and Wildlife Management of the Department of «Ecology and Sciences about the Earth» of the International University of Nature, Society and Man, Dubna.

Размещено на Allbest.ru