Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,858

ОЦЕНКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ПАРОПЛАЗМЕННОЙ ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДЫХ КОММУНАЛЬНЫХ ОТХОДОВ, А ТАКЖЕ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА И ПОТРЕБЛЕНИЯ

Морозенко М.И. 1 Кусачева С.А. 1 Черняев С.И. 1
1 Калужский филиал ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана»
Исследована возможность эффективного использования технологии плазменной газификации для утилизации отходов с получением синтез-газа и дальнейшей выработки электроэнергии на базе малоразмерных газо-поршневых установок. Приведены расчетные технико-экономические показатели, позволяющие оценить эффективность инвестиционных проектов в области переработки твердых коммунальных отходов с использованием технологии плазменной газификации, основанные на данных морфологического состава твердых коммунальных отходов полигона г. Калуги. Показано, что при использовании данной технологии осуществляется выработка синтез-газа, который может быть полезно использован для выработки электрической энергии, что способствует экономному и рациональному использованию природных ресурсов с одновременным решением актуальных проблем в области охраны окружающей среды, связанных с утилизацией и обезвреживанием твердых коммунальных отходов потребления и производства.
синтез-газ
альтернативное электричество
утилизация отходов
альтернативные источники энергии
1. Доклады о состоянии природных ресурсов и охране окружающей среды на территории Калужской области. – Калуга: РА «Типограф», ИП Лазарев П.А., 2013–2015.
2. Лыков И.Н., Сафронова С.А., Морозенко М.И., Ефремов В.Е. Метаногенез и глобальные климатические процессы // Природа. – 2009. – № 8. – C. 40–44.
3. Морозенко М.И., Черняев С.И., Попова Е.В., Морозенко Д.Н., Карева Е.О. Исследование характеристик генераторного газа при пароплазменной газификации ТБО // Успехи современного естествознания. – 2016. – № 5–1. – С. 141–147.
4. Методические рекомендации, по оценке эффективности инвестиционных проектов. – М.: Экономика, 2000. – 421 c.
5. Постановление Правительства РФ от 12 июня 2003 г. № 344. «О нормативах платы за выбросы в атмосферный воздух загрязняющих веществ стационарными и передвижными источниками, сброса загрязняющих веществ в поверхностные и подземные водные источники, размещение отходов производства и потребления».
6. Прием лома цветных и черных металлов [Электронный ресурс]. – Компания ТД Пионер: сайт. – Режим доступа: http://www.lom-trade.ru/chernyj-metall/ceni-na-chernyj-metall (дата обращения 24.04.2016).
7. Состояние и охрана окружающей среды в Калуге: Сборник материалов. – Калуга: Издательство ООО фирма «Экоаналитика», 2015. – 76 c.
8. Технология пароплазменной газификации. [Электронный ресурс]. – ООО НИК «РусЭкоЭнерго»: сайт. – Режим доступа: http://www.rusecoil (дата обращения 14.04.2016).

Среди экологических проблем, которые в настоящее время стоят перед человечеством, важное место занимает обезвреживание и уничтожение твердых коммунальных отходов (ТКО), количество которых постоянно увеличивается с ростом населения, изменением экономических, социальных и технологических условий существования человека.

Проблема утилизации и обезвреживания ТКО является одной из наиболее актуальных мировых проблем в области охраны окружающей среды. Развитие промышленности всегда сопровождается увеличением отрицательного воздействия на природу и человека.

Из общего годового количества, образовавшихся на территории г. Калуги отходов, предприятиями было использовано 294704,89 т отходов, что составляет 31,6 %. Также было обезврежено 2054,12 т отходов, что составляет 0,22 %. Основную долю отходов, подлежащих обезвреживанию, составляют ртутные лампы, люминесцентные ртутьсодержащие трубки отработанные и брак, и отходы деревянной упаковки (невозвратной тары) из натуральной древесины в объеме 1890,884 т (92 % от общего объема обезвреженных отходов). Для размещения на полигоне ТКО г. Калуги, предприятиями было направлено 72983,0 т отходов, что составляет 7,8 % от общего количества образовавшихся отходов. Основную долю, захороненных на полигоне отходов, составляют отходы потребления на производстве, подобные коммунальным – 46523,8 т (63,7 % от общего объема захороненных отходов), отходы производства пищевых продуктов – 7853,14 т (10,8 % от общего объема захороненных отходов), отходы бумаги и картона – 7512,32 т (10,3 % от общего объема захороненных отходов) [1, 3].

Дефицит свободных площадей, необходимых для размещения ТКО на территории городов или вблизи них, является серьезным препятствием для организации усовершенствованных полигонов для захоронения мусора, а вывоз его на большие расстояния требует больших затрат на транспортировку. Таким образом, создание эффективных технологий ликвидации и обезвреживания ТКО является чрезвычайно актуальной задачей [2].

Выбор технологии плазменной газификации обоснован ее уникальностью, в качестве варианта химико-термической обработки отходов, благодаря интенсификации плазмохимических превращений и высокой концентрации энергии в единице объема [3]. Благодаря современным разработкам в настоящее время получение синтез-газа можно осуществлять за счет газификации ТКО и промышленных отходов в процессе их утилизации. Пароплазменная газификация ТКО может быть использована для решения широкого круга задач, в том числе для переработки 98 % любых видов отходов. В ее основу положен высокотемпературный пиролиз (900–1050 °С), позволяющий достичь максимальных показателей выхода пиролизных газов, а дальнейшее повышение температуры до 1200 °С и выше, дает возможность получения синтез-газа с минимальным содержанием жидких фракций и вредных примесей.

Высокая температура процесса способствует детоксикации и гомогенизации шлаков, что делает возможным их дальнейшее использование в различных технологических процессах. На рис. 1 представлена принципиальная технологическая схема установки пароплазменной газификации ТКО.

Отходы, поступающие на переработку, складируются в накопительном бункере 1. Далее, перед подачей в реактор на станции сортировки (рис. 2), из отходов удаляются, по возможности, все неорганические включения (металл, стекло, камни и пр.), они измельчаются и попадают в промежуточный накопитель, рассчитанный на хранение суточного запаса отходов. После сортировки отходы следуют в приемный бункер, откуда через винтовой питатель поступают в реактор-газификатор, снабженный плазмотронами.

Из реактора синтез-газ поступает в котел-утилизатор, при этом котел-утилизатор производит водяной пар низкого (30–40 бар) давления при температуре 350–530 °С. Водяной пар используют для привода паровой турбины с выработкой электроэнергии электрогенератором и непосредственно в технологических целях для питания паровых плазмотронов и наддува реактора при соответствующих параметрах пара (5–10 бар, 250–300 °С). Вода в котел-утилизатор подается питательным насосом.

Температура плазменной струи, выдаваемой плазмотронами, составляет приблизительно 5000 °С, что позволяет создать в самом реакторе температуру газификации не ниже 1200 °С. Причем время нахождения отходов внутри реактора составляет не менее 2 секунд. В таких условиях отходы превращаются в молекулы и атомы, которые легко вступают в реакцию с молекулами воды и ионами водорода и кислорода. Молекулы кремния, металлов и других элементов образуют шлак, который накапливается в бункере реактора с температурой от 1650 °С.

pic_61.tif

Рис. 1. Схема плазменной газификации ТКО: 1 – емкость накопления отходов; 2 – реактор; 3 – плазмотрон; 4 – источник тока; 5 – гранулятор; 6 – котел-утилизатор; 7 – паровая турбина; 8 – скруббер; 9 – блок газохранилища; 10 – электрогенератор; 11 – газо-поршневая установка

pic_62.tif

Рис. 2. Линия сортировки ТКО

Полученный продукт-газ подвергается закалке (резкому охлаждению) в котле-утилизаторе и очистке. Для очистки газа от этих примесей необходимо пропустить синтез-газ через скруббер, в который осуществляется подача карбоната натрия. При этом большая часть энергии тепла отдается подводимой воде, а образующийся из нее насыщенный, а затем перегретый пар подается в паровую турбину. Отработанный пар вновь нагревается, проходя через котел-утилизатор, переходит в состояние перегретого пара, затем с температурой 250–300 °С поступает к плазмотронам и в реактор.

Установленная паровая турбина вырабатывает электроэнергию, достаточную для питания всего электрооборудования.

При образовании излишков синтез-газа, его направляют в блок газохранилища, состоящий из каплеуловителя, компрессора и газгольдера. Затем газ поступает в газо-поршневую установку, в которой осуществляется выработка электроэнергии, которую можно продавать потребителям.

Для анализа и расчета экономической эффективности установки плазменной газификации ТКО были приняты следующие условия:

– в г. Калуге, согласно имеющимся данным, образуется широкий спектр отходов производства и потребления, различных видов и всех классов опасности. В среднем, на 343 предприятиях города Калуги, в течение календарного года образовывается 932867,18 т опасных отходов, представленных 391 видом отходов согласно Федеральному классификационному каталогу отходов (Приказ МПР России № 786 от 02.12.2002 г.) [2];

– установка плазменной газификации ТКО оснащается современным оборудованием, при этом мощность рассчитывается с учетом потерь по передаче энергии;

– стоимость, перерабатывающего отходы, комплекса на 40 тыс. т сырья (мини-ТЭЦ на 3,3 МВт) составляет 2,6 тыс. долларов США за 1 КВт установленной мощности [8];

– стоимость текущего обслуживания оборудования определяется из расчета заработной платы для 15 сотрудников. Заработная плата принята в размере 35000 руб.;

– коэффициент дисконтирования принят равным 8 %;

– продажа производимой энергии принята из расчета 4,0 руб./кВт•ч;

– переработка ТКО составляет 40 000 т в год;

– мощность установки по выработке электроэнергии – 3,3 МВт;

– расчетное число часов работы исследуемой установки составляет 7500 часов в год;

тариф на захоронение отходов, включая НДС, составляет 47,08 руб./куб. м [7].

При оценке инвестиционной привлекательности проекта нами не рассматривались варианты дополнительной заинтересованности инвесторов, состоящие в очистке высоколиквидных земельных участков от полигона ТКО для возможности их последующей застройки или другого использования. Поэтому, рассчитанные показатели инвестиционной привлекательности проекта можно обоснованно рассматривать в качестве нижней границы возможных достижимых значений.

Фактические значения показателей могут оказаться значительно выше, а срок окупаемости несколько короче.

Таким образом, рассмотренный вариант реализации проекта, с учётом сделанных при выполнении расчётов предпосылок, можно считать умеренно-пессимистическим. Проведённый анализ денежных потоков по проекту свидетельствует о реальности его финансовой реализуемости. Проект имеет высокие значения показателей коммерческой эффективности и приемлемый срок окупаемости. Значения показателей текущей деятельности высоки.

Рассматриваемый вариант пароплазменной газификации ТКО позволяет решить проблему утилизации отходов не только с точки зрения экологии, но и дает возможность превратить их переработку в экономически высокоэффективное предприятие, позволяющее получать ликвидные продукты – синтез-газ и элекроэнергию.

Результаты, проведенных вычислений, а также эксплуатационных и экономических показателей установки представлены в табл. 1–4.

Таблица 1

Морфологический состав ТКО и показатели производительности

Наименование показателей

Наименование компонента отходов

Размерность

Значение

Бумага, картон

% об.

30,5

Пищевые отходы

% об.

40

Обрезки деревьев, листья

% об.

0,5

Текстиль

% об.

3,0

Кожа, резина

% об.

1,5

Полимерные материалы

% об.

13

Кости

% об.

1,5

Металл черный

% об.

2,0

Металл цветной

% об.

2,0

Стекло

% об.

2,0

Камни, керамика

% об.

3,0

Прочее

% об.

1,0

ВСЕГО

% об.

100,0

Неорганическая составляющая

% об.

19,0

Органическая составляющая

% об.

81,0

Влажность отходов

% об.

20,0

Процент негорючей составляющей, отбираемой при сортировке

% об.

70,0

Из 1 т/ч поступающих на переработку отходов:

Воды

т/ч

0,2

Неорганической составляющей

т/ч

0,13

Органической составляющей

т/ч

0,67

Производительность реактора

т/ч

5,3

Поступает в реактор неорганической составляющей

т/ч

1,73

Поступает в реактор воды (с отходами)

т/ч

1,06

Поступает в реактор органической составляющей

т/ч

3,55

Таблица 2

Эксплуатационные показатели установки плазменной газификации ТКО производительностью 40000 т/год

Наименование показателей

Размерность

Значение

Число рабочих часов в году

ч

7500

Годовой объем переработки несортированных отходов

т/год

54600

Годовой объем сортированных отходов, в т.ч.:

т/год

14600

макулатуры

т/год

8326,5

черных металлов

т/год

873,6

цветных металлов

т/год

873,6

стекла

т/год

873,6

Температура процесса пароплазменной газификации

°С

1200

Таблица 3

Характеристики синтез-газа

Наименование показателей

Размерность

Значение

Теплота сгорания продукт-газа

МДж/м3

8

Состав продукт-газа [3]

   

СO

%

24,20

СO2

%

5,41

H2

%

45,86

N2

%

0,47

H2O

%

24,00

Плотность продукт-газа

кг/м3

1,0

Часовой выход продукт-газа

м3/ч

4266,7

Энергетический потенциал продукт-газа

МВт

3,3

Годовая выработка электроэнергии

ГВт

0,247

Проведенные расчеты показывают, что существенное влияние на экономику процесса оказывает степень подготовленности отходов, то есть наличие минеральной компоненты и влажность.

Показатели эффективности инвестиций рассчитываются по дисконтированным потокам наличности и дисконтированным потокам выплат денежных средств по методике, изложенной в «Методических рекомендациях, по оценке эффективности инвестиционных проектов» [4].

Предотвращенные платежи и затраты за образование и захоронение отходов определялись в соответствии с методиками, утвержденными Постановлением Правительства РФ от 12 июня 2003 г. № 344 [5].

Таблица 4

Экономические показатели установки плазменной газификации ТКО производительностью 40000 т/год

Наименование показателей

Размерность

Значение

Количество обслуживающего персонала

чел.

15

Средняя ставка месячной оплаты труда

руб.

35000,0

Заработная плата сотрудников с начислениями

тыс. руб./год

7749,0

Стоимость 1 кВт•ч электроэнергии

руб.

4,0

Капитальные затраты

тыс.руб.

559700,0

Цены реализации вторсырья [6]:

   

макулатуры

руб./кг

2,0

черных металлов

руб./кг

5,0

цветных металлов

руб./кг

15,0

стекла

руб./кг

0,5

КПД по выработке электроэнергии

%

38,0

Номинальная электрическая мощность

МВт

3,3

Годовая выручка от реализации электроэнергии

тыс. руб.

99000,0

Годовая выручка от реализации вторсырья

тыс. руб.

34561,0

Предотвращенные платежи и затраты (за образование и захоронение отходов)

тыс. руб.

28910,0

Норма дисконта

%

8,0

Срок окупаемости

год

4,6

Основные расчетные индикаторы инвестиционной привлекательности анализируемого проекта: срок окупаемости инвестиций – 4,6 года; значение индекса прибыльности – 1,34 (> 1); чистый приведенный доход на конец расчетного (15-летнего) периода составит 751 590 200 рублей. Следовательно, предлагаемая технология утилизации отходов, является экономически эффективной.

Производство электроэнергии с применением альтернативных видов топлива при использовании технологии утилизации ТКО на основе процесса пароплазменной газификации позволит:

– получить значительный эколого-экономический эффект;

– использовать наиболее дешевые и высокоэффективные виды энергогенерирующего оборудования;

– оптимизировать потребление природных ресурсов;

– получить сравнительно низкий уровень капиталовложений, малые сроки строительства (9–18 месяцев) и окупаемости (до 5 лет);

– снизить уровень опасности отходов для окружающей природной среды;

– способствовать стабилизации развития, как отдельных отраслей, так и Калужского региона в целом.


Библиографическая ссылка

Морозенко М.И., Кусачева С.А., Черняев С.И. ОЦЕНКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ПАРОПЛАЗМЕННОЙ ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДЫХ КОММУНАЛЬНЫХ ОТХОДОВ, А ТАКЖЕ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА И ПОТРЕБЛЕНИЯ // Современные наукоемкие технологии. – 2016. – № 6-1. – С. 60-64;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=35979 (дата обращения: 10.12.2018).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252