Анализ эффективности и оптимизация параметров ГТУ с реактором-газификатором твердых бытовых, промышленных отходов и низкосортных твердых топлив

Двадцатое столетие характеризовалось интенсивным развитием добычи и потребления топливо-энергетических ресурсов (ТЭК). В последние четверть столетия двадцатого века энергопотребление более чем в два раза превысило энергопотребление предыдущих 75 лет. Объективно это вызвано как ростом народонаселения на нашей Планете, так и увеличением энергопотребления на душу населения. Так, например, за период 1975. 1985 г. г. население мира возросло с 3796 до 4480 млн. чел. (на 18%), а энергопотребление от уровня 2320 до 3350 кг.у.т/чел.год, или более чем на 44%. При этом энергопотребление на душу населения и далее будет непрерывно возрастать за счет дальнейшего выравнивания уровня жизни (повышения уровня жизни в развивающихся странах мира).

Топливные кризисы 1970;х годов и начала 21 столетия, хотя они во многом спровоцированы политическими событиями, являются объективным показателем надвигающегося истощения ресурсов природного топлива, а также возрастающей трудоемкости его добычи, первичной обработки, транспортирования, др. По экспертным оценкам «топливный голод» может наступить уже в текущем столетии. Так, например, по оценке академика Д. С. Львова [44], обеспеченность России разведанными запасами (в расчете на уровень добычи 1991 г.) может составить: нефть — 35 лет, природный газ -81 год, каменный уголь — 180 лет. И, хотя по другим прогнозным оценкам, потенциальные запасы топлива заметно выше, это не уменьшает значимости проблемы экономного расходования ТЭК и разработки альтернативных источников энергии.

Развитие мировой цивилизации сопровождается улучшением комфортности жизни человека, растет потребительская корзина. Это является первопричиной и одновременно следствием развития энергетики, промышленности и других отраслей народного хозяйства. Одновременно развитие цивилизации сопровождается возрастающим темпом образования бытовых и промышленных отходов (ТБПО), что напрямую связано с жизнедеятельностью человека. К промышленным отходам также следует отнести и те отходы производства, которые имеют энергетическую и материальную ценность, но их использование на современном технологическом уровне экономически не оправданно (например, большое количество каменного угля находится в терриконах). Накопление ТБПО оказывает отрицательное воздействие на среду обитания и требует специальных дорогостоящих мер по сведению к минимуму последствий их образования.

На протяжении столетий отходы выбрасывались сначала на стихийные, а затем на специально организованные свалки, где они сжигались или подвергались процессу многолетнего естественного гниения. При этом сброс как инертных, так и токсичных газообразных и жидких продуктов процесса окисления происходил в окружающую среду. Позднее стали выделяться специально оборудованные полигоны для захоронения ТБПО. В экономически развитых странах их располагают на достаточном удалении от мест проживания. Полигоны на десятилетия выводят из землепользования всё дорожающие земельные территории. При этом затрачиваются громадные материальные ресурсы на обустройство и содержание полигонов, транспортировку ТБПО на большие расстояния. В США за размещения на полигоне одной тонны ТБПО взимается 40 долл., в Норвегии около 80 долл.

В толще слоя захоронения законсервированного полигона (в условиях недостатка кислорода) органические составляющие отходов подвергаются анаэробному микробиологическому процессу, что приводит к образованию метана и окиси углерода (свалочный газ). В недрах слоя формируется также токсичная жидкость — фильтрат. Фактически, даже по всем правилам оборудованные современные полигоны представляют собой бомбу замедленного действия.

Вместе с тем ТБПО представляют собой неиссякаемый (постоянно подпитываемый) источник связанной в них энергии, которая может и должна быть использована для созидательных целей. По приблизительным оценкам экспертов в России для энергетических целей можно ежегодно использовать 800 млн. т древесной биомассы, 250 млн. т отходов лесной, бумажной и деревообрабатывающей промышленности, 60 млн. т ТБО городов и поселков.

В Энергетической стратегии России на период до 2020 г. [82], концепция которой утверждена Правительством страны в 2003 г., отмечено, что «важным местным видом топлива. являются бытовые отходы. Необходимо создать условия для включения их в топливо-энергетический баланс и решения одновременно экологических проблем». Ставится задача «преодоления отставания России в использовании возобновляемых источников энергии, сохранения запасов органического ископаемого топлива для будущих поколений., а также улучшения экологической обстановки в экологически напряженных районах. Общим направлением энергетической политики являются проведение активной энергосберегающей политики».

Переработка ТБПО термическим методом (мусоросжигание) с последующим полезным использованием выделяемой теплоты, является сложным, но и высокотехнологичным способом обращения с отходами. Способ является и более результативным как в экономическом, так и экологическом аспектах. По мере расширения масштабов термической переработки ТБПО сокращается масса ТБПО, подлежащая захоронению. Современные технические средства фильтрации и подавления токсичности продуктов сгорания позволяют свести к минимуму (в пределах действующих нормативов) воздействие продуктов сгорания ТБПО на окружающую среду. Образующиеся при сгорании шлаки (зольные остатки), требуют не только существенно меньше места для их захоронения, но и часто используются как вторичная продукция в домостроении и прокладке дорог. Выделяемая теплота сгорания используется для электрогенерации или в теплофикационных целях.

В большинстве промышленно развитых стран мира термическая переработка ТБПО с использованием заключенного в них энергетического потенциала нашла широкое распространение. Так около 50% ТБПО в Бельгии и Швеции перерабатываются сжиганием, в Дании и Швейцарии эта цифра доходит до 80%. Значительная доля бытового потребления электроэнергии Парижа генерируется на расположенных в пригороде мусоросжигательных заводах (МСЗ).

В России переработке сжиганием подвергается не более 2% ТБПО, тогда как территории полигонов и несанкционированных свалок составляют многие тысячи гектар и продолжают увеличиваться.

Следует отметить, что термическая переработка ТБПО при существующих отечественных законодательных нормативах (независимо от степени совершенства технологического процесса) заметно дороже захоронения отходов на полигонах. Но, если учитывать возникающее при этом сокращение потребления органического топлива, сокращения плеча транспортировки ТБПО, с учетом стоимости «не занятой под полигон» земли, стоимости обслуживания гипотетического полигона — экономические показатели существенно изменятся в пользу термической переработки ТБПО. Например, расчет [39] себестоимости переработки ТБО на газотурбинном мусоросжигательном комплексе CPU-400 (США, Калифорния) показывает, что на вложенный доллар доход от реализации товарной электроэнергии и вторичного сырья (черные и цветные металлы, стекло, керамика, др.) доход составляет около 25 центов. То есть даже без учета «стоимости» улучшения экологической ситуации процесс термической переработки ТБПО по существу является рентабельным.

Также известно, что удельные затраты на обустройство нового месторождения топлива и создание новых транспортных артерий выше затрат на эквивалентную утилизацию вторичных топливо-энергетических ресурсов.

Разработка и создание эффективных способов термической переработки ТБПО является актуальной задачей настоящего времени. При этом значимость способа термической переработки ТБПО становится выше, если он позволяет эффективно утилизировать также низкосортное твердое топливо в смеси с ТБПО или в чистом виде.

Кафедра «Газотурбинные и нетрадиционные энергоустановки» МГТУ им. Н. Э. Баумана не только имела опыт разработки твердотопливных газотурбинных установок, но и последовательно выступала за бережное отношение к топливо-энергетическим ресурсам страны. Начатая по инициативе кафедры совместная с ФГУП «ММПП «Салют» работа по созданию энерготехнологического комплекса термической переработки ТБПО явилась логическим продолжением научно-технической политики кафедры.

За основу принят процесс газификации ТБО, разработанный учеными Института проблем химической физики РАН (ИПХФ г. Черноголовка).

Реактор-газификатор ИПХФ позволяет газифицировать ТБПО различного фракционного состава, с высокой влажностью и зольностью, в том числе отходы медицинских учреждений (полное обеззараживание), а также различные низкосортные твердые топлива. Включение в состав комплекса газотурбинного энергопреобразователя позволяет производить товарное электричество, теплофикационную теплоту, а также компенсировать энергозатраты на собственные нужды, что делает установку полностью автономной. Это позволяет размещать установку на площадках, не привязанных к линиям энергообеспечения, а также использовать ее в качестве децентрализованного источника энергии. Энергетическим сырьём для установки могут быть твердые бытовые и промышленные отходы обслуживаемой территории, а также местное низкосортное твердое топливо, либо их комбинация в любой пропорции. Установка может способствовать решению, например, проблемы поддержания санитарно-экологической чистоты небольших муниципальных территорий, возможности которых пользоваться услугами полигонов и мусоросжигательных заводов ограничены.

Целью настоящей работы являются обобщение результатов опытной эксплуатации и энергетических характеристик реактора-газификатора ИПХФ (один реактор в Финляндии и один реактор на опытной площадке ФГУП ММПП «Салют»), разработка и исследование газотурбинного энергопреобразователя оригинальной схемы, позволяющей реализовать высокий электрический КПД установки (до 35.39%).

Выводы по диссертации

1. Выполнен анализ существующих технологий утилизации ТБПО и показан экологический, экономический и эксплуатационный эффект применения ГТУ как энергопреобразователя в комплексе термической переработки ТБПО с реактором-газификатором по технологии ИПХФ. Это положение может быть распространено на комплекс и с другим типом газификатора.

2. Проведены исследования характеристик генераторного газа, полученного в результате опытных пусков газификатора (по технологии ИПХФ) при газификации различных видов низкосортных твердых топлив, в том числе твердых бытовых отходов. Разработана программа расчета характеристик продуктов сгорания генераторного газа в форме, удобной для инженерных расчетов ГТУ или комбинированных установок.

3. Показано, что на базе испытанного реактора может быть создан эффективный энергоутилизационный комплекс по переработке ТБПО, характеризуемый высокой тепловой эффективностью и полной автономностью.

4. Предложена и исследована модифицированная схема с ГТУ, турбина которой работает на чистом высокотемпературном воздухе. Воздух после компрессора направляется в высокотемпературный нагреватель. Высокотемпературный воздух высокого давления расширяется в турбине и затем подается как окислитель в камеру сгорания. Для повышения коэффициента использования энергии продуктов сгорания вводится перепуск части воздуха в обход камеры сгорания. Такая схема позволяет улучшить мощно-стные и экономические показатели.

5. Разработан комплекс программ, необходимых для инженерных расчетов в ГТУ модифицированной схемы, в том числе определение массы байпасного воздуха.

6. Показано, что эффективность ГТУ модифицированной схемы может достигать уровня 38−40% при умеренной температуре воздуха перед турбиной.

7. На конкретных примерах показаны возможные пути реализации ГТУ модифицированной схемы при работе с реактором-газификатором.

8. Основные положения работы используются в учебном процессе подготовки инженеров в МГТУ им. Баумана.