Авторы: Власкин М.С.
Источник: INTERNATIONAL RENEWABLE ЕNERGY CONGRESS REENCON– XXI 2016
Отходы являются одной из главных проблем на пути стабильного развития экономики и общества в целом. Человечество образует отходы, как в результате своей экономической деятельности, так и в результате бытовой повседневной жизни человека.
В 2012 году в мире было образовано около 4 млрд. тонн различного рода отходов, из которых 1,6–2 млрд. тонн — твердые бытовые отходы [1]. По данным Росприроднадзора в России в 2012 году было образовано около 60 млн.тонн ТБО, из них от жизнедеятельности населения — около 50 млн. тонн, и 10 млн. тонн от предприятий [2]. При этом ежегодно их количество увеличивается на 3–4 %. Объем отходов коммунального сектора в городе Москва в 2010 году составил 3,5 млн. тонн [3]. Основными способами утилизации ТБО являются захоронение на полигонах, компостирование, извлечение вторичного сырья и сжигание. Около 70 % ТБО, образуемых во всем мире, направляются на полигоны, 11 % используются для получения полезных видов энергии (тепловой и электрической) в результате термохимического превращения ТБО, остальные 19 % отправляются на механико–биологическую обработку, включая компостирование [1]. В России практически весь объем ТБО размещается на полигонах и свалках [2]. В переработку вовлекаются только 4–5 %.
Целесообразность вовлечения ТБО в процесс выработки энергии (waste–to–energy) не вызывает больших сомнений. Однако использование ТБО в энергетических целях сталкивается с рядом трудностей, связанных с неоднородным составом, низкой плотностью, высокой влажностью ТБО, наличием в них опасных компонентов и др. Исследование свойств отходов показывает, что подавляющая часть ТБО — это группа органических отходов, которая включает в себя пищевые и садовые отходы, бумагу, дерево, текстиль, кожу, резину и пластик. В зависимости от региона (его уровня экономического развития, культурных и климатических особенностей и т.д.) может изменяться доля того или иного органического компонента в общем составе ТБО, однако суммарная доля этих компонентов, как правило, находится на уровне 80 %. Доля неорганических компонентов ТБО, как правило, не превышает 20 %. Органические компоненты ТБО представляют собой горючие вещества, которые могут быть использованы для энергоснабжения регионов, в которых ТБО образуются, как в результате прямого сгорания ТБО, так и в результате сгорания того топлива, которое может быть получено в результате того или иного способа переработки ТБО.
Сжигание ТБО на мусоросжигательных заводах сегодня является основным, наиболее распространенным, способом термохимической переработки отходов. Для сжигания ТБО на мусоросжигательных заводах без использования дополнительного относительно более калорийного топлива необходимо, чтобы низшая теплота сгорания ТБО была выше 5–6 МДж/кг [4]. Средние значения низшей теплоты сгорания ТБО составляют 7–9 МДж/кг. Низшая теплота сгорания ТБО на современных мусоросжигательных заводах превышает 10 МДж/кг, что достигается, в том числе, за счет предварительной сортировки ТБО и подготовки к сжиганию, которая может включать в себя предварительную сушку, измельчение и другие стадии.
ОИВТ РАН предлагается новая технология термохимического превращения ТБО, результате которого на выходе получается твердое углеподобное топливо. В предлагаемом технологическом процессе ТБО подвергаются термической обработке в среде насыщенного водяного пара докритических параметров. Вода в таком состоянии обладает уникальными реакционными свойствами благодаря пониженным значениям диэлектрической постоянной и повышенным значениям константы диссоциации. В результате обработки исходное сырье претерпевает ряд изменений в результате одновременно протекающих реакций гидролиза, дегидратации, декарбоксилирования, ароматизации и реконденсации.
Полученный по предлагаемой технологии уголь содержит в себе от 50 до 90 % углерода, содержащегося в исходном сырье, его удельная энергоемкость по весу превосходит энергоемкость исходного сырья в 1,4 раз, а по объему в 7–8 раз, удельная энергоемкость полученного угля может достигать 27 МДж/кг и выше. Получаемый уголь может быть использован, как в качестве основного, так и дополнительного топлива в традиционных угольных электростанциях (КПДэ которых более 35 %, тогда как КПДэ современных мусоросжигательных заводов не более 10–15 %) и котельных. Кроме того, данный уголь может быть использован для удобрения почв. В этом случае выбросы парниковых газов в атмосферу существенно ниже по сравнению со сжиганием ТБО и полигонным захоронением (выбросы метана).
Предлагаемая технология может стать одним из наиболее массовых способов термохимической переработки ТБО с производством угля в качестве продукта, как в нашей стране, так и за рубежом. Количество угля, которое потенциально возможного получить из ТБО, может быть сопоставлено с объемами потребления традиционного угля. Количество угля, поставляемого на электростанции России, составляет около 120 млн. тонн. Количество угля, которое можно получить по предлагаемой технологии при условии полной переработки всего образующегося объема ТБО, в России составляет до 10 млн.тонн, т.е. около 8 % от потребляемого электростанциями количества.
Микроводоросли — другой перспективный источник возобновляемого сырья, из которого возможно получение высококвалифицированных топлив [5]. Интерес к получению так называемой бионефти из микроводорослей обусловлен высокой скоростью роста микроводорослей, их высокой урожайностью на единицу площади, высоким содержанием в них масла и относительно простой технологией их выращивания. Однако из–за высокого содержания воды (до 80–90 % по массе) такие традиционные термохимические процессы, как пиролиз и газификация в случае с микроводорослями становятся экономически невыгодными (слишком большое количество энергии тратится на сушку).
ОИВТ РАН предлагается новая энергоэффективная технология гидротермальной ликвификации микроводорослей, в которой не требуется стадия предварительной сушки. Кроме того, бионефть в предлагаемом процессе может быть синтезирована не только из липидов, как в известных методах, но и из углеводов и белков, что повышает суммарный выход продукта.
Для осуществления процесса гидротермальной ликвификации микроводорослей была создана экспериментальная установка, на которой были проведены эксперименты по получению образцов бионефти. В ходе экспериментов с микроводорослями Spirulina было показано, что массовый выход бионефти составляет не мене 10 % по отношению к сухой массе микроводорослей. Высшая теплота сгорания полученной бионефти составляет около 30 МДж/кг.