Отходы-энергетика будущего

Одной из насущных и важнейших проблем, стоящих перед человечеством, является защита окружающей среды. Неразумная хозяйственная деятельность человека и его потребительское отношение к природе и ее богатствам породили тот печальный итог, который нам приходится сейчас лицезреть обмелевшие, погибающие реки и озера, выхолощенные, лишенные жизни, уже не пригодные для дальнейшего использования земли. Под угрозой исчезновения находятся многие виды животных и растений; все большее их число заносится в Красную книгу. Такая же угроза нависла и над человечеством. Исчезновения человека как биологического вида стало реальной действительностью. Болезни, вызванные «плохой» экологией по статистике ежегодно уносят тысячи человеческих жизней. Исправить создавшееся положение можно лишь с применением, экологически чистых, технологически законченных производств, безотходных технологий и при пристальном внимании к этому государства. Ученые всего мира говорят о наступившем экологическом кризисе и приближающейся экологической катастрофе, о незамедлительном решении назревших проблем. Эти проблемы образуют уравнение со множеством составляющих. С одной стороны в этом уравнении присутствуют: рост тарифов ЖКХ, отсутствие во многих районах центрального газоснабжения, недостаточная пропускная способность и ветхость сети электропередач, постоянно растущая стоимость газа, электрической и тепловой энергии, большие затраты на энергообеспечение отдаленных северных районов; с другой стороны: избыток отходов лесопереработки, нетоварной биомассы, отходов сельского хозяйства, твердых бытовых отходов и т.п. Сегодня с уверенностью можно сказать, что решение этого уравнения по поиску выхода из сложившейся ситуации найдено. Но во главе решения должно стоять государство со своей программой воплощения его в жизнь, подкрепленной законодательной и финансовой базой.

А теперь о сути предлагаемого решения. Нашим предприятием ЗАО АФ «Перспектива» был разработан, изготовлен, испытан и сертифицирован комплекс утилизирующего оборудования с использованием процесса газификации, имеющий в соответствии с ТУ 3116-002-00282145-2005 различные модификации и общее название - «Газотеплогенератор».
Некоторые путают процесс газификации с процессом пиролиза, поэтому сразу уточним. Процесс пиролиза отличается от процесса газификации тем, что процесс пиролиза – это разложение органического вещества на горючие газовые составляющие без доступа кислорода. Для того, чтобы процесс пиролиза протекал, необходимо затрачивать извне тепловую энергию на подогрев газифицируемого вещества. Различают низко -температурный и высокотемпературный пиролиз. Низкотемпературный пиролиз протекает при температурах от 400ºС до 700ºС, высокотемпературный пиролиз протекает при температурах от 700ºС до 1200ºС. В зависимости от того, какая задача ставится перед производителем – получение пиролизного газа или кокса из древесины, угля и так далее, ее решение выглядит так. В первом случае необходимо во время процесса нагревать автономным источником тепла (природный газ, электронагреватели) органические вещества для получения пиролизного газа с дальнейшим его применением в энергосистемах, во втором случае автономный источник тепла необходим только для получения первичного пиролизного газа, который впоследствии и является тем источником тепла, который необходим для проведения процесса пиролиза. То есть процесс пиролиза – является энергопотребляемым процессом и тот пиролизный газ, который вырабатывается при протекании процесса, почти полностью расходуется на процесс пиролиза органических веществ. Продуктом пиролиза так же является коксовый остаток и пиролизные смолы.
Процесс газификации, на котором основана работа газотеплогенератора, представляет собой термохимическое разложение органического вещества на газовые составляющие при неполном кислородном окислении. Это означает, что углерод и водород органического вещества первично подвергается горению, с выработкой инертных газов СО2 и паров воды Н2О. Но так как горение происходит при недостатке кислорода, то часть углерода топлива не вступает в реакцию окисления кислородом и выпадает в виде реагента, который и создает регенерирующий слой. Через этот слой принудительно прокачивается углекислый газ и пары воды, которые, вступая в химическую реакцию с реагентом, образуют горючие газы, называемые генераторным газом. Способы газификации бывают прямой и обратный.
При прямом способе газификации кислород воздуха подается снизу через отверстия колосниковой решетки, а получаемый генераторный газ забирается сверху, вынужденно проходя через весь слой газифицируемой органики, унося с собой большое количество твердых механических частиц и пирогенетических смол, которые получаются при термическом разложении органики. То есть генераторный газ при прямом процессе по своей загрязненности и невозможности очистки до требований предъявляемых к чистоте газа, работающего в двигателях внутреннего сгорания, не может применяться в газопоршневых электростанциях. Такой газ без предварительного остужения, может применяться только в пароводогрейных котлах. При подобном способе по экологическим нормам возможно применение только простых видов топлива (древесина, уголь, горючие сланцы), которые не образуют вредные соединения (фенол, формальдегид, диоксины и т.п.).
В обратном процессе газификации кислород воздуха подается через специальные воздушные фурмы, расположенные в зоне горения, отбор генераторного газа идет снизу через регенерирующий слой и выводится через колосниковую решетку, предварительно проходя зону разложения смол. Благодаря тому, что смолы проходят эту зону, они разлагаются на горючие газовые составляющие. А так как генераторный газ не проходит через слой органики, то не уносит с собой дополнительно твердые механические частицы, и вредные составляющие. Полученный генераторный газ при обратном процессе газификации намного чище, чем газ, получаемый при прямом процессе, его удается очистить от механических примесей и остатков смол и в результате применять в виде топлива в газопоршневых электростанциях, где и вырабатывается электрический ток.
Разработанные нашим предприятием газогенераторы являют собой газификаторы обратного процесса, а разработанная нами система подготовки и очистки газа от механических примесей и смол дает возможность применения генераторного газа, как в пароводогрейных котлах, так и в газопоршневых станциях для выработки электроэнергии (Табл.1).

Табл.1

При использовании нашего газификатора основным продуктом является генераторный газ, который в последствии выполняет работу по получению тепла или (и) электроэнергии. Благодаря конструктивным особенностям газогенератора нашего исполнения и заложенной в него системе автоматики, в зоне термического разложения топлива и в зоне регенерации поддерживается постоянная более высокая температура, чем в существующих в мире моделях газогенераторов, которая позволяет получить газ однородный по химическому составу с более высокой теплотворной способностью, избавиться от вредных составляющих газа и обеспечить полное обеззараживание исходного топлива. Исключение составляют нежелательные химические элементы и активные тяжелые металлы, которые можно перевести в инертное состояние путем купажирования топлива или обработкой золы гуминовыми препаратами. Учитывая это, применение наших газогенераторов возможно при утилизации медицинских отходов.
На выпускаемый газотеплогенератор имеются российские сертификат соответствия, гигиенический сертификат, протоколы аккредитованных лабораторий по составу генераторного газа, золы, разрешение на его применение со стороны Ростехнадзора. Изобретения, заложенные в конструкцию газогенератора, оформлены пятью патентами и имеют новизну мирового уровня.

Требования, предъявляемые к топливу: размер от 2 до 200мм, влажность не более 35%; требуют иногда применения дополнительного оборудования по подготовке топлива.
Комплектация оборудования комплекса зависит от вида утилизируемых отходов и назначения: использование газа для применения в пароводогрейных котлах или для выработки тепла и электроэнергии.
Так, например комплекс по утилизации шелухи зерновых с выработкой электроэнергии, состоит (схема 1) из узла подготовки топлива, который производит топливные брикеты, подаваемые в топливный склад с объемом не менее суточного запаса. Из топливного склада топливо автоматизированной системой загрузки через вакуумный затвор подается в газогенератор, совмещенный с водяным котлом. В газогенераторе топливо подвергается термохимическому разложению на инертные газовые составляющие. Далее инертные газы принудительно подвергаются регенерации до состояния горючих газов, в сочетании называемых генераторным газом. Полученный генераторный газ подвергается очистке от механических примесей и охлаждению с выработкой теплоносителя в виде горячей воды 90ºС. Очищенный, от механических примесей и охлажденный генераторный газ поступает в сепаратор, где освобождается от горючей жидкой фракции (смола), которая используется как мазутное топливо или как энергетическая добавка при структурировании топливных брикетов. Очищенный от горючей жидкой составляющей генераторный газ подается в холодильник – стабилизатор, где остужается до 30ºС с осаждением водного конденсата. Полностью очищенный и остуженный газ подается в газопоршневую электростанцию как топливо, где и вырабатывается электрический ток по своим параметрам соответствующий внешним сетям. При переработке 1 тонны лузги в час получается 2800 нм³ генераторного газа с теплотворной способностью около 2000 Ккал/м³, когенерируя который можно получить 1,5 МВт электрической мощности, а также 3 МВт тепловой мощности, около 40 литров смол (мазут), а также около 180 литров дистиллированной воды. При этом на работу самого комплекса расходуется всего 11 кВт электрической мощности. Образующиеся смолы – это высококалорийный продукт с теплотворной способностью около 10000 Ккал/л, его используют либо как самостоятельное печное топливо, либо как структуратор для повышения вязкости и калорийности основного топлива. Дистиллированную воду применяют взамен химподготовленной воды в пароводяных котлах, а также в водогрейном котле самого газогенератора.
Теперь приведем пример состава оборудования комплекса по выработке тепловой мощности (без выработки электроэнергии) при утилизации отходов зерновых (Схема 2). Он также состоит из модуля подготовки топлива, которое через вакуумный затвор подается в газогенератор, где вырабатывается генераторный газ и очищается от механических примесей. Далее, в этом отличие от предыдущего варианта, генераторный газ без очистки от смолы и предварительного охлаждения подается в пароводяной котел, горелки которого должны быть адаптированными под генераторный газ. Конструкция подобного комплекса проще, менее металлоемкая, а значит и стоимость газогенератора существенно ниже. В дополнение к этому комплексу можно использовать паропоршневые электростанции с гораздо большим ресурсом, чем газопоршневые, или паровые турбины для получения электроэнергии.
При разработке и организации производства промышленных образцов газотеплогенераторов все заложенные в него конструктивные и технологические особенности были отработаны и опробованы при изготовлении и лабораторных испытаниях опытного образца, находящегося на территории предприятия. В результате испытаний были получены многочисленные результаты контроля состава генераторного газа, золы, выхлопных газов газопоршневого двигателя при работе газогенератора на различных видах топлива.
К моменту выхода данной статьи будут уже завершены пуско-наладочные работы по запуску в эксплуатацию комплекса по утилизации отходов переработки автопокрышек на территории Самарской области. Общая мощность комплекса будет составлять 300 кВт по электроэнергии и 580 кВт тепловой энергии.
Теперь немного об экономической части проекта.
Газогенераторы мощностью от 300 до 1500 киловатт при полной их загрузке позволяют получать газ с себестоимостью, в пересчете на природный газ, от 36 до 10 копеек за 1 куб.м, а электричество от 60 до 14 копеек за 1 кВт. Срок окупаемости проекта в этом случае 7-19 месяцев. Экономические показатели будут еще более привлекательными при увеличении мощности комплекса за счет применения сразу нескольких газогенераторов. Например, при установке комплекса на мусоросортировочном заводе производительностью 100000тн в год (город с населением 100 тыс. человек) потребуется 8 (восемь) генераторов на общую мощность 11,1 МВт электроэнергии. Предполагаемая годовая прибыль от применения комплекса может составить 146 млн. руб.
Таким образом, применение комплексов позволяет решить одновременно и задачу утилизации всевозможных отходов и задачу получения альтернативных или порой единственных источников энергии. Следует к этому добавить, что пока существует человечество, запасы источника энергии (отходы жизнедеятельности) неисчерпаемы и, более того, имеют тенденцию к постоянному увеличению. И если раньше утилизация отходов всегда считалась заведомо убыточной, то сейчас она может стать «золотой жилой» для людей, понимающих в бизнесе и желающих сохранить землю для своих потомков.

ЗАО АФ «Перспектива»