Теплоэлектростанция на альтернативном виде топлива (твердые бытовые отходы)

Л. Г. Федоров, канд. техн. наук, А. С. Маякин, В. Ф. Москвичев канд. техн. наук (ГУП «Экотехпром»)

Целенаправленное промышленное использование ТБО как топлива началось со строительством первого «мусоросжигательного заведения» близ Лондона в 1870 году. Однако активное применение ТБО как энергетического сырья началось с середины 70-х годов в связи с углублением энергетического кризиса. Было подсчитано, что при сжигании 1 т ТБО можно получить 1 300–1 700 кВт•ч тепловой энергии или 300–550 кВт•ч электроэнергии.

Именно в этот период началось строительство крупных мусоросжигательных заводов в таких городах, как Мадрид, Берлин, Лондон и в странах с относительно малой площадью и высокой плотностью населения. К 1992 году в мире действовало около 400 заводов, на которых применялось сжигание ТБО с производством пара и выработкой электроэнергии, а к 1996 году их количество достигло 2 400.

Рисунок 1а. (увеличить) Технологическая схема завода

В России термическая переработка ТБО началась с 1972 года, когда в восьми городах СССР было установлено 10 мусоросжигательных заводов первого поколения. Все эти заводы были практически без газоочистки и почти не использовали вырабатываемое тепло. В настоящее время все эти заводы морально устарели и не отвечают современным требованиям по экологическим показателям. В связи с чем большая часть этих заводов закрыта, а остальные подлежат реконструкции.

В это же время в Москве было построено три мусоросжигательных завода, которые к настоящему времени также морально и физически устарели и подлежат реконструкции. В качестве примера рассмотрим выполненную реконструкцию первой очереди мусоросжигательного завода № 2 (МСЗ-2). Завод был построен в 1974 году для сжигания несортированных ТБО в объеме 73 тыс. т в год, с двумя технологическими линиями, включающими в себя котлы французской фирмы «КНИМ» и электрофильтры.

Решением Правительства Москвы о реконструкции МСЗ-2 предписывалось увеличение мощности завода до 130 тыс. т ТБО в год с одновременным уменьшением количества вредных выбросов в окружающую среду и тем самым улучшением экологической обстановки в районе завода. Для выполнения указанной задачи была опять привлечена французская фирма «КНИМ», которая должна была разработать и поставить три модернизированные технологические линии производительностью по сжигаемому ТБО 8,33 т/ч каждая.

Рисунок 1б Технологическая схема завода. Отделение энергоблока (слева) (увеличить) Отделение переработки золошлаковых отходов (справа) (увеличить)

Кроме того, тем же решением Правительства Москвы предусматривалось использование тепла, получаемого при сжигании ТБО, для выработки электроэнергии. Технологическая схема завода после его реконструкции представлена на рис. 1а и 1б.

В настоящее время по результатам годовой эксплуатации первой очереди завода, состоящей из двух технологических линий, можно констатировать, что все указанные выше требования выполнены, а именно:

1. Производительность МСЗ увеличена до 80 тыс. т ТБО в год, а с пуском в эксплуатацию третьей технологической линии общая производительность завода достигнет производительности, установленной Правительством Москвы – 130 тыс. т ТБО в год.

2. Снижены до европейских нормативов (0,1 нг/нм³) выбросы диоксинов и фуранов: во-первых, за счет оптимизации горения ТБО на колосниковой решетке «Мартин»; во-вторых, за счет увеличения высоты топки котла, что обеспечивает необходимое двухсекундное пребывание дымовых газов при температуре выше 850°C для разложения диоксинов на фураны, образующейся при горении ТБО; и в-третьих, за счет ввода в дымовые газы активированного угля, абсорбирующего вторично образованные диоксины.

3. Обеспечены европейские нормативы по очистке дымовых газов от S0₂, НСl, НF благодаря установке в технологической схеме сжигания ТБО «полусухого» реактора и ввода в него, через распылительную турбину, известкового молока, приготовленного из пушонки высокого качества.

4. Достигнута, за счет установки рукавного фильтра, высокая степень очистки дымовых газов от летучей золы и продуктов газоочистки: концентрация пыли составляет менее 10 мг/нм³.

5. Благодаря применению технологии по подавлению оксидов азота (NO_x), разработанной Государственный академией нефти и газа им. И. М. Губкина, полученные показатели по их выбросам находятся на уровне лучших зарубежных образцов (менее 80 мг/нм³).

6. ОАО «Московский ИМЭТ» разработал проект (в настоящее время на заводе идет его реализация) по обезвреживанию и утилизации золошлаковых отходов. По данной технологии будут выпускаться строительные материалы в виде гранулята и бетонных плит. Опытные образцы данной продукции уже прошли сертификацию.

7. При выполнении реконструкции завода произведена установка трех турбогенераторов мощностью по 1,2 МВт каждый, что обеспечило его функционирование без внешнего электроснабжения с передачей излишков энергии в городскую сеть.

8. Управление технологическим процессом мусоросжигания осуществляется оператором с автоматизированного рабочего места. АСУ ТП представляет собой единую систему контроля и управления как основным, так и вспомогательным оборудованием мусоросжигательного завода.

Энергоблок мусоросжигательного завода

В 2002 году в Москве намечен пуск в эксплуатацию первой очереди принципиально нового для России мусоросжигательного завода производительностью 300 тыс. т ТБО в год. Завод состоит из отделений подготовки и сортировки ТБО, сжигания неутилизируемой части ТБО, очистки дымовых газов от вредных примесей, переработки золы и шлака, энергоблока и других вспомогательных отделений. Технологическая схема завода по переработке неутилизируемой части ТБО представлена на рис. 2. Она включает в себя три технологические линии с печью кипящего слоя, котлами производительностью 22–25 т/ч, газоочистным оборудованием и две турбины по 6 МВт каждая.

На заводе внедряется ручная и механическая сортировка ТБО и его дробление. Такая технологическая переработка ТБО позволяет: во-первых, отобрать ценное сырье для его вторичной переработки; во-вторых, отобрать пищевую фракцию ТБО для его последующего компостирования; в-третьих, отобрать сырье, представляющее экологическую опасность при его сжигании; и наконец, это позволит повысить теплотехнические и экологические показатели сырья предназначенного для сжигания. Благодаря такой подготовке низшая теплота сгорания ТБО, предназначенного к сжиганию, достигнет 9 МДж/кг, а по содержанию золы, влаги, серы и азота характеристики ТБО будут практически соответствовать аналогичным характеристикам подмосковных бурых углей.

Мусоросжигательный завод № 2

Как видим из приведенных примеров, в Москве достаточно активно наметилась тенденция по повышению теплотехнических характеристик ТБО с последующим использованием его для выработки электроэнергии. По-видимому, немаловажное значение на это оказало намеченное в Москве широкое внедрение крупных сортировочных комплексов ТБО.

Однако следует отметить, что низкие параметры пара, применяемые на отечественных мусоросжигательных заводов (G=15–35 т/ч, Р=16 ата., Т=240°C), существенно снижают удельные показатели по выработке электроэнергии по сравнению с паросиловыми электростанциями (G=640 т/ч, Р=140 ата., Т=540°C). Применение аналогичных мощностей и параметров пара на МСЗ ограничено свойствами ТБО: кусковое топливо, низкая температура плавления золы и коррозионные свойства дымовых газов, получаемых при сжигании ТБО.

Существенного повышения эффективности применения ТБО как топлива для выработки электроэнергии и достижения удельных показателей близких к серийно применяемым ТЭС, по всей видимости, можно достигнуть за счет частичного замещения энергетического топлива бытовыми отходами.

Рисунок 2. (увеличить) Технологическая схема завода по переработке неутилизируемой части бытовых отходов

В этом случае при сжигании на ТЭС бурого угля целесообразно использовать предтопок для сжигания ТБО с направлением дымовых газов, получаемых в предтопке, в топочное пространство существующего котельного агрегата. При сжигании на ТЭС природного газа целесообразно использовать установку для газификации ТБО с последующей очисткой полученного продукт-газа и сжиганием его в топках котлов, работающих на природном газе. Вся годами отработанная паросиловая установка, применяемая на ТЭС, сохраняется в первозданном виде.

То есть разрабатывается совмещенная (интегральная) компоновка ТЭС для сжигания природного топлива и ТБО. Доля ТБО по количеству тепла может составлять примерно 10% от тепловой мощности котла. В этом случае только за счет повышенных параметров пара и увеличенной мощности котлов и турбин эффективность использования ТБО повысится в 2–3 раза.

Существенный экономический эффект может быть получен за счет снижения капитальных вложений благодаря использованию существующей на ТЭС инфраструктуры и сокращения расходов на газоочистное оборудование.

Немаловажным экономическим фактором является и тот факт, что энергетическое топливо, в том числе и бурый уголь, имеющий практически равноценные энергетические показатели с ТБО, надо покупать, а ТБО принимается с денежной доплатой.

Анализ технико-экономических показателей, полученных при частичном 10% замещении энергетического топлива на одном из стандартных блоков, работающих на природном газе или буром угле, показывает, что в этом случае стоимость природного газа, используемого на ТЭС, может быть полностью покрыта «доходами» от приема ТБО.