СЭЗ «Минск»: в ХХI век с собственной энергией

Твердые бытовые отходы (ТБО): от убытков к доходу

При разработке градостроительной концепции СЭЗ "Минск" было учтено, что на данной территории сконцентрированы объекты, позволяющие сформировать на их основе мощный энергокомплекс, способный обеспечить дешевой электроэнергией не только предприятия СЭЗ "Минск", но и стать существенным дополнительным источником энергии для Минского региона.

Решению проблемы ТБО необходим системный подход

Безотходная бытовая деятельность человека не реальна. Она недоступна даже в условиях космических полетов. Однако стремиться к сокращению бытовых отходов крайне необходимо. Это диктуется жесткими экологическими ограничениями в нашем жизненном пространстве и экономическими интересами народного хозяйства.

Один из парадоксов современности состоит с том, что с ростом благосостояния людей, несмотря на достижения технического прогресса, количество бытовых отходов в расчете на одного человека неуклонно возрастает. Некоторые пытаются объяснить это как объективное последствие улучшения качества жизни, как какую-то неизбежность. В действительности же в основе этого процесса лежит как стремление производителей потребительских товаров к дополнительным прибылям за счет увеличения мелкой и сверхмелкой расфасовки товаров, так и усиленно поддерживающееся изощренной рекламой товаропроизводителей представление упаковки как обязательного атрибута современной цивилизованности. В результате таких действий резко возрастает загрязнение окружающей среды.

Чтобы реально добиться сокращения выхода ТБО, необходимо воспитывать в людях стремление к здоровому образу жизни, бережное отношение к вещам, продуктам питания и природе. Государству же следует регулировать неоправданно высокий расход упаковочных материалов законодательным порядком путем установления предельных нормативов на увеличение массы и цены потребительских товаров за счет упаковки. Необходимо также выработать обоснованные требования к качеству упаковочного материала с точки зрения его последующего обезвреживания как отхода. Последнее особенно важно для товаров, поступающих из стран "третьего мира", у которых качество упаковочного материала весьма низкое. Наряду с этими мерами необходимо создать условия и стимулы у населения для раздельного сбора бытовых отходов с целью последующего использования.

Структурный состав ТБО в городах примерно одинаков и колеблется по временам года. По проведенным исследованиям это по весу: 30-40% - бумага, картон, 25-35% пищевые отходы, 2-4% - древесина, 2-4% - текстиль, 3-6% - металл, 5-6% - стекло, керамика, 1-2% - кожа, резина и 1-2% - пластмассы. Особо вредных веществ в составе ТБО не просматривается, если не смешивать их с промышленными отходами, которые отличаются значительно большим содержанием вредных примесей и нуждаются в специальных технологиях переработки.

В различных странах в настоящее время практикуется три основных направления обезвреживания ТБО: захоронение на полигонах (городских свалках) с предварительным прессованием или без; технологическая переработка с получением полезных продуктов - компоста, топливных брикетов, горючего газа; сжигание в специальных мусоросжигающих установках (МСУ) с получением теплоты и электроэнергии, а также твердых отходов - шлаков.

Захоронение наиболее ущербный способ обезвреживания ТБО. Он требует значительных земельных площадей, портит ландшафт, оказывает длительное отрицательное воздействие на экологию окружающей среды. К тому же он является чисто затратным, так как не связан с получением полезных продуктов.

В отличие от захоронения технологическая переработка ТБО и их сжигание отличается значительно меньшим выходом остатков, особенно сжигание, при котором остается лишь малая доля золы и шлака. Оба этих способа имеют как затратную, так и доходную часть от реализации полученных продуктов. При системном подходе соотношение этих частей должно стать основой при выборе того или иного метода. В условиях Беларуси, где основная масса топлива приобретается за валюту, а в качестве удобрений с успехом может использоваться местный торф и органические сельскохозяйственные отходы, применение мусоросжигающих установок с получением тепла и электроэнергии приобретает особо важное значение.

Выход ТБО в нашей республике достаточно высок. В 1997 году в Минске на мусорные свалки города было вывезено более 553 тыс. тонн ТБО, или 324 кг на каждого городского жителя. Энергетический потенциал этого количества ТБО оценивается в 92 тыс. тонн условного топлива, что составляет около 5% всего потребления энергоресурсов населением города. Если допустить, что КПД генерирующих установок, сжигающих ТБО, будет на 10% ниже, чем работающих на природном газе, то и в этом случае годовая экономия природного газа составит около 72 млн м 3, что по мировым ценам составляет порядка 6,5 млн долларов США.

Как показывает анализ публикуемых зарубежных материалов, несмотря на то, что доля сжигания ТБО в общем их обезвреживании в отдельных странах достигает 60% и более, технология сжигания и экологическая эффективность мусоросжигающих установок остается на уровне, не позволяющем конкурировать им с другими способами обезвреживания. Анализ показывает, что основные недостатки технологии сжигания ТБО кроются в нерешенности трех основных вопросов.

Первый - низкий уровень температуры сжигания ТБО, менее 1200-1800 оС, не позволяющий предотвратить выброс диоксина, фенолов и других вредных веществ с дымовыми газами без специальных дорогостоящих каталитических систем дожигания.

Второй - одновременное сжигание ТБО и промышленных отходов, имеющих повышенные содержания серы, хлора, тяжелых металлов и прочее, что вызывает необходимость применения дорогостоящей многоступенчатой системы очистки дымовых газов.

Третий - сравнительно малая доля электрогенерирующей мощности на МСУ и слабое развитие комбинированного процесса производства теплоты и электроэнергии, резко снижающие энергетическую эффективность установки в целом.

Имеющиеся научные наработки и опыт минских энергетиков, концентрация интеллектуальных и финансовых ресурсов на решении данных проблем позволит в кратчайшие сроки разработать эффективную технологию и приступить к реализации строительства промышленных МСУ, прежде всего в СЭЗ "Минск". Решение ведомственного вопроса о предоставлении администрации СЭЗ "Минск" или инвестору права продажи произведенной на МСУ энергии способно также заинтересовать потенциальных инвесторов.

Новая технология сжигания ТБО на базе парогазового цикла

К разработке названной технологии авторы данной статьи обратились при рассмотрении вопросов энергоснабжения свободной экономической зоны (СЭЗ) "Минск", в ареале которой расположен полигон по захоронению твердых отходов (городская свалка) в местечке Тростинец.

Перед разработчиками стояла задача устранить отмеченные выше недостатки зарубежных аналогов МСУ и предложить технологическую схему, удовлетворяющую экологическим и экономическим требованиям и условиям надежности.

Эта цель была достигнута принятием трех технических решений:

а) установки на МСУ газотурбинного агрегата (ГТА), работающего на природном газе и вырабатывающего электроэнергию с отводом отработавших горячих продуктов сгорания в топку, что дало возможность повысить температуру процесса сжигания ТБО до необходимого уровня и обеспечить полное их выгорание с минимальным выбросом загрязнений в атмосферу;

б) разработка принципиально нового топочного устройства с двумя наклонными подвижными решетками специальной конструкции, позволяющего рационально расчленить процесс сжигания ТБО на отдельные стадии - подсушка, частичная газификация, сжигание в "кипящем слое", дожигание - вести оптимальный режим на каждой стадии и отделять негорючие элементы ТБО - металл, стекло, керамика - непосредственно в топке;

в) применение теплофикационной паротурбинной установки (ПТУ) для использования части энергетического потенциала производимого в котле-утилизаторе пара с выработкой электроэнергии и выдачи остальной части энергии пара в виде горячей воды потребителям.

Отходящие от ГТА продукты сгорания с температурой около 450 оС и с содержанием кислорода до 16%, вследствие высокого коэффициента избытка воздуха (3,5 и более), передаются в топку в первую и вторую колосниковые решетки в оптимальной пропорции. На стадии частичной газификации ТБО происходит расщепление окислов азота отходящих дымовых газов ГТА и топливного азота ТБО с образованием безвредного для окружающей среды свободного азота воздуха, в результате чего резко сокращается выброс загрязнений. Негорючие элементы (металл, стекло, керамика) отделяются за первой решеткой и выводятся из топки. На второй решетке происходит сжигание ТБО в "кипящем слое" и их дожигание.

Стабильный высокий температурный уровень процесса в этой части топки поддерживается за счет непосредственной подачи в топку природного газа через дополнительную газовую горелку. На выходе из топки дымовые газы совершают разворот близкий к 180 о. Под действием инерционных сил и благодаря установленной жалюзийной решетке основная часть летучей золы, а также и шлаки в расплавленном состоянии выводятся из топки. При необходимости небольшую часть поступившей в газоходы котла летучей золы можно уловить установленными за котлом простейшими типовыми золоуловителями. Перед входом в котел дымовые газы разбавляются продуктами сгорания от ГТА до температуры 850 оС, чем обеспечиваются нормальные температурные условия работы поверхностей нагрева котла.

Полученный в котле-утилизаторе пар направляется в паровую турбину, а по выходе из нее в пароводяной теплообменник для нагрева воды, идущей к потребителям. Дымовые газы из котла откачиваются дымососом и через дымовую трубу выбрасываются в атмосферу.

Таким образом, предлагаемая МСУ по существу является малой ТЭЦ целевого назначения по обезвреживанию ТБО. Она сохраняет все энергетические преимущества, присущие таким электростанциям, и имеет достаточно высокую конкурентоспособность в энергосистеме.

Энергетический баланс МСУ складывается таким образом, что природный газ составляет около трети сжигаемых энергоресурсов, а две трети составляют ТБО. Электрическая мощность установки разделяется между газотурбинным и паротурбинным агрегатами примерно поровну.

Технико-экономическая характеристика МСУ на полигоне "Тростинец"

К сооружению, предложена одноблочная МСУ по описанной выше технологии для сжигания всего количества ТБО, поступающих на полигон "Тростинец" в размере 157 тыс. тонн в год с энергетическим потенциалом в 35 тыс. тонн условного топлива.

Установленная электрическая мощность МСУ - 7 тыс. кВт, в том числе: мощность газотурбинного агрегата - 3,5 тыс. кВт, паротурбинного агрегата - 3,5 тыс. кВт. Установленная тепловая мощность - 34,9 МВт (30 Гкал/час).

Годовой отпуск энергии: электрической - 52,6 млн кВтч, тепловой - 242 тыс. Гкал.

Годовой расход топливного ресурса - 52,2 тыс. т у.т., в том числе: твердых бытовых отходов - 35,0 тыс. т у.т., природного газа - 17,2 тыс. т у.т., КПД установки (нетто) - 78,9%.

Удельные расходы топлива: на производство электроэнергии - 172 г у.т. / кВтч, на производство теплоэнергии - 178 кг у.т. / Гкал.

Выброс загрязняющих веществ в атмосферу - не выше, чем на энергоустановке такой же мощности, работающей на твердом топливе (угле).

Стоимость установки определена в 4,8 млн долларов США в случае комплектации типовым оборудованием: котел-утилизатор КУ-150 производительностью по пару 50,5 т/час производства Белгородского завода (Россия); паровая турбина Р-3,5-3 электрической мощностью 3,5 МВт производства Калужского турбостроительного завода (Россия); газотурбинный агрегат ГТА - 3,5 электрической мощностью 3,5 МВт производства Николаевского завода (Украина).

Предполагается, что топочное устройство специальной конструкции, включая и подвижные колосниковые решетки, будет изготавливаться на предприятиях Беларуси.

При МСУ создается небольшой расходный склад ТБО, где одновременно осуществляется их усреднение по крупности и составу.

Удельные капвложения на 1 кВт электрической мощности МСУ - 686 долл./ кВт примерно соответствуют стоимости одного киловатта, вводимого в белорусской энергосистеме.

В результате работы такой МСУ будет достигнута ежегодная экономия природного газа в размере 41,8 тыс. т у.т. (70,8%). Экономия приведенных затрат составит 3686 тыс. долларов в год (64,49%), срок окупаемости менее трех лет, чистая дисконтированная прибыль от реализации энергии за расчетный период в 7 лет -8283 тыс. долларов.

Имеются существенные резервы повышения экономичности предложенной МСУ как за счет использования биогаза, получаемого от газификации имеющихся залежей отходов на полигоне (есть предложения по технологии его получения), так и за счет размещения вблизи МСУ специальных потребителей теплоты в виде тепличного хозяйства с теплицами, парниками, утепленным грунтом.

Виктор БАРЫШЕВ, главный специалист ИТООО "БелЭСТ", Николай ПАЦКЕВИЧ, заместитель председателя Мингорисполкома, Владимир ТРУТАЕВ, главный инженер проекта ГП "Минскградо"