ЭНЕРГОПРЕОБРАЗОВАНИЕ ПРОДУКТ-ГАЗА ПРИ УТИЛИЗАЦИИ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ
Доктор технических наук В. И. ГУРОВ, кандидат технических наук К. Н. ШЕСТАКОВ (ГНЦ РФ ЦИАМ им. П.И. Баранова), кандидат технических наук В. Л. ИВАНОВ (МГТУ им. Н.Э. Баумана)
В решении вопросов эффективного энергоснабжения различных потребителей немалое место могут занимать возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Интенсивному развитию и стимулированию ВИЭ способствует опережающая разработка специальных нормативных и регламентирующих документов, призванных обеспечить должную законодательную поддержку нетрадиционных энергоисточников1. Только при такой поддержке можно ожидать должного внимания к ВИЭ со стороны инвесторов и разработчиков.
К ряду ВИЭ могут быть причислены и источники экономически выгодного и экологически чистого получения электричества и тепла на основе утилизации твердых бытовых отходов (ТБО). Около 300 кг ТБО ежегодно производится в развитых странах в результате жизнедеятельности одного человека. Традицион-§ ная практика дорогостоящего вывоза § твердых бытовых отходов (в Норвегии * стоимость вывоза одной тонны ТБО обхо-| дится в 80 долл.) на специально отведен-£ ные полигоны сопряжена с сокращением 1 полезного землепользования, засоре-| нием вредными веществами почвы и £ окружающей атмосферы, а также с ин-§ тенсивным размножением вредных гры-1 зунов. Мусорные полигоны, по общему £ признанию, представляют собой бомбы
£1 _
0)
о 1 Копылов А.Е. Законодательная поддержка развития возобновляемой энергетики в России / Энергия: экономика, техника, экология. 2009. № 1.
замедленного действия. А вместе с тем теплотворная способность ТБО находится в пределах от 3000 до 14 000 кДж/кг.
Термическая переработка ТБО в Европе приобретает широкий масштаб. В Швейцарии до 80% мусора эффективно сжигается с обеспечением теплом и электричеством множества населенных пунктов. В России же переработка ТБО не превышает 2%. При этом важное значение приобретает проблема очистки продуктов сгорания ТБО от вредных веществ, главным образом, от фуранов и диоксинов. За последние 20 лет стоимость газоочистительных сооружений в Европе возросла в 3-4 раза, что связано с ужесточением экологических нормативов. Интересен пример подхода к утилизации ТБО в Париже: значительная доля бытового потребления электроэнергии поступает от экологически чистой термической переработки мусора2.
В свете представленной информации важным концептуальным документом является "Энергетическая программа России на период до 2020 года", утвержденная распоряжением Правительства РФ от 28 августа 2003 г. № 1234-р. В этом распоряжении, в частности, отмечено, что "важным местным видом топлива... являются бытовые отходы. Необходимо создать условия для включения их в топ-
2 Иванов В.П., Заживихина Т.А. Газотурбинный двигатель для установки по термической переработке твердых бытовых и промышленных отходов /Авиационная техника. 2006. № 2.
18
© В. И. Гуров, К. Н. Шестаков, В. Л. Иванов
ливно-энергетический баланс и решения одновременно экономических проблем". При этом ставится задача "преодоления отставания России в использовании возобновляемых источников энергии, сохранения запасов органического ископаемого топлива для будущих поколений".
Утилизация ТБО традиционно осуществляется по-стадийно: сжигание мусора с получением продукт-газа и энергопреобразование продукт-газа в электричество и тепло с применением различных схем3. Первая стадия термообработки ТБО осуществляется либо в обычной топке, либо в реакторе-газификаторе, например, разработанном в Институте проблем химической физики РАН (ИПХФ, г. Черноголовка), либо в плазмотроне типа разработки ГНЦ РФ "Курчатовский институт". Дожигать получаемый на первой стадии продукт-газ можно, например, по трем технологическим схемам, представленным в указанных работах (см. сноску 3):
1. Первая схема: традиционная газотурбинная установка (ГТУ) при ее работе на природном газе; к системе выхлопа ГТУ пристроен двухуровневый котел, в котором происходит генерация пара для
3Виноградов А.Н., Гуров В.И., Стойко И.И. и др. Высокие технологии и утилизация отходов / Конверсия в машиностроении. 1997. № 6; Манелис Г.Б., Полианчик Е.В., Фурсов В.П. Физико-химические основы способа термической переработки твердых бытовых отходов на основе газификации в режиме сверхадиабатического горения. ИПХФ РАН, Черноголовка, 2001; Гнеден-ко В.Г., Горячев И.В., Белопотапов О.Ф. и др. Новые технологические схемы заводов по переработке отходов для России / Конверсия в машиностроении. 2007. № 2; Белопотапов О.Ф., Вощинин С.А., Гнеденко В.Г. и др. Возможные модели экономически рентабельной реализации технологии плаз-мотермической переработки твердых бытовых отходов в России / Конверсия в машиностроении. 2007. < 4-5; Михальцев В.Е., Моляков ВД. Тума-шев Р.З. Полузамкнутая газотурбинная установка на твердых горючих / Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение. 1999. № 1.
Рис. 1.
Схема воздушнотурбинной энергетической установки (ВТЭУ): 1-2 - компрессор (1-я и 2-я ступени); 3 - турбина; 4 - электрогенератор; 5 - камера сгорания; 6 - источник топлива;
7 - байпасная магистраль; 8-9 - двухкаскадный теплообменник; 10 - потребитель теплой воды; 11 - система погружного нагрева водыI.
обеспечения работы паротурбинной установки за счет тепла выхлопных газов ГТУ и дополнительного нагрева от сжигания продукт-газа.
2. По второй схеме ГТУ функционирует на природном газе в качестве топлива с добавлением в него сжатого продукт-газа. В выхлопной системе ГТУ установлен котел-утилизатор для выработки пара, который используется в теплофикацион- § ной системе. £
3. В третьей схеме турбокомпрессор | работает на воздухе, нагревающемся в | газовоздушном тепообменнике, причем £ горячий газ поступает в него после вы- ц носного топочного устройства, в котором £ продукт-газ сжигается практически при | атмосферном давлении. Утилизацион- | ный парогенератор получает тепло путем § сопряжения как с выходом из турбины, | так и с системой выхлопа топочного I устройства. ^
Анализ трех представленных схем выявляет очевидную целесообразность
применения третьей схемы в соответствии с целевой функцией - экологически чистой утилизации ТБО в простейшем для реализации исполнении, в частности, осуществление сжигания при практически атмосферном давлении. Однако эффективность третьей схемы существенно зависит от жаропрочности металла газовоздушного теплообменника, и при достигнутом уровне его входной температуры, равной 1273 К (что требует применения жаростойкого сплава Вж-98, стоимость которого в 8-10 раз выше стоимости обычной легированной стали) эффективный КПД, как показывают расчеты, не превысит значения 0.2-0.22. Это обусловлено особенностью продукт-газа: его стехиометрическое соотношение расходов воздуха и топлива находится в диапазоне 1-2. В результате газ из газовоздушного теплообменника поступает в атмосферу с повышенным уровнем температуры, что приводит к снижению КПД.
Увеличению эффективности схемы воздушнотурбинной энергетической установки (ВТЭУ) с выносной камерой сгорания способствует мероприятие, предложенное в работе по байпасирова-нию камеры сгорания частью воздуха после турбины со сбросом ее между двумя секциями газовоздушного теплообменника (см. сноску 2). Предложенная схема может быть дополнительно улучшена путем использования тепла выходящего из теплообменника газа для погружного нагрева воды (см. рис. 1). Способ погружного нагрева воды известен: он широко при-g меняется в химической промышленного сти, но был успешно апробирован и в | целях эффективного теплоснабжения
О ^А
§ помещений4.
£ Принцип функционирования установ-
| ки ВТЭУ в соответствии с рис. 1 заключа-
® ется в следующем. Сжатый воздух от
| компрессора (1-2) поступает в воздуш-
§ ный тракт двухсекционного теплообмен-
« ника (8-9) и из него с температурой T1T в
ix
s _
* 4Гуров В.И., Курносое В.В., Шестаков К.Н. Эф' фективное теплоснабжение зданий на основе погружного горения / Конверсия в машиностроении. 2001. № 5.
турбину (3) с электрогенератором. После турбины часть воздуха по байпасной магистрали (7) направляется в теплообменник между секциями (8 и 9), а другая его часть - в камеру сгорания (5), в которую приходит и продукт-газ из источника топлива (6). После сгорания газовоздушной смеси в камере сгорания продукты сгорания поступают в газовый тракт теплообменника, нагревая сжатый воздух после компрессора, и затем - в систему (11) погружного нагрева воды, которая снабжает теплом потребителя (10). Между ступенями компрессора (1 и 2) включен водовоздушный теплообменник, что способствует повышению КПД установки.
Для оценки эффективности схемы установки ВТЭУ проведены расчеты эффективного КПД пе при разных значениях степени повышения полного давления
компрессора п'к, температуры воздуха перед турбиной Т1Т и значении коэффициента термической эффективности секций теплообменника е1 = е2 = 0.85. При этом величины КПД ступеней компрессора и турбины были приняты равными 0.85 и 0.9 соответственно.
Результаты расчета представлены на рис. 2 и 3, из которых следует, что при
значениях параметров п'к = 4 и Т1Т = 1000 К КПД установки ВТЭУ, схема которой представлена на рис. 1 (вариант 1), больше пе = 0.28 при относительном расходе байпасного воздуха около 20%, в то время как КПД установки по схеме без бай-пасирования (вариант 2) не превышает Пе = 0.2 (см. рис. 3). Температура выхлопного газа для рассмотренных вариантов составляет соответственно 465 К и 607 К при температуре рабочей среды в камере сгорания, равной 1058 К (вариант 1) и 1112 К (вариант 2).
Сложной проблемой при утилизации ТБО является их ненормированность по составу, что приводит к существенным осложнениям термической обработки ТБО на первой стадии и к необходимости дорогостоящей очистки продукт-газа от вредных веществ. Очевидно, что простое сжигание тБо с выбросом продуктов сгорания в атмосферу равносильно по
V-34H
0.32 0.30 0.28
0.26
0.24
0.22
0.20
0.18Н
ЧТ —
Тц= L00C К
(
l!T= SUU
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.