Scientific journal

Modern high technologies

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

На сегодняшний день всё больший оборот набирают проблемы нехватки энергоресурсов и возрастающих объёмов твердых коммунальных отходов, приводящих к загрязнению окружающей среды. Потенциальным решением указанных проблем может стать путь переработки органических отходов в конечные полезные продукты.

Обращение с твердыми отходами и их обработка могут смягчить неблагоприятное воздействие на окружающую среду и здоровье человека, а также поддержать экономическое развитие и качество жизни. Ряд термохимических методов обработки отходов (то есть пути преобразования отходов в энергию, такие как пиролиз, газификация и сжигание) могут преобразовывать твердые отходы в энергию, в то время как технология газификации обеспечивает эффективное и экологически безопасное решение для производства энергии в форме синтез-газа. Органические отходы содержат в себе два основных компонента – углерод и водород, которые могут подвергаться термохимическому разложению. Гниение твердых коммунальных отходов (далее – ТКО) происходит с выделением биогаза (свалочного газа) и фильтрата, имеющего большую концентрацию метана. Полигоны, выделенные под свалки, являются местами добычи данного газа [1].

Получение энергии из отходов – одна из лучших альтернатив экологически безопасному обращению с отходами. Массовое сжигание обычно является предпочтительным вариантом. Обычно это касается крупных объектов, где перерабатывается более 500 т отходов в сутки. Получение синтез-газа из отходов также имеет неоднозначный успех. Непосредственно перед использованием в когенерации на газопоршневых электростанциях добытый газ очищают. Известный метод добычи, заключающийся в сборе газа сверлением шурфов и установкой перфорированных ловушек, позволяет собрать объёмы биогаза только с 20 % от общей массы захороненных ТКО. Оставшиеся 80 % объёмов мусора приводят к парниковым выбросам, ядовитым стокам и выделению фильтрата [2]. Также для переработки коммунальных отходов используют мусоросжигательные заводы, которые по нормам должны быть оборудованы системой фильтрации для избегания выбросов токсинов в атмосферу. К тому же дополнительные проблемы возникают с зольным остатком, который концентрирует в себе активные формы тяжелых металлов [3]. Использование пиролизной технологии сопровождается двумя проблемами. Первая связана с неполным разложением органических веществ, что приводит к вновь синтезируемым токсинам, выделяемым в пиролизных котлах, вторая – с утилизацией коксового остатка, в котором содержатся активные формы тяжелых металлов [4]. Также пиролиз является весьма энергозатратным методом. Развивающимся направлением в переработке твердых бытовых отходов стал путь преобразования органической части топлива в горючие газы.

Цель исследования заключается в проведении анализа потенциального метода решения проблем нехватки энергоресурсов и постоянно возрастающих объёмов промышленных и коммунальных отходов за счет безотходной переработки органических отходов с помощью их превращения в полезные продукты, снижая вред окружающей среде.

Анализ литературных источников

Процессы газификации включают реакцию углеродсодержащего сырья с кислородсодержащим реагентом, обычно кислородом, воздухом, паром или диоксидом углерода, обычно при температурах выше 800 °C. Он включает частичное окисление вещества, что подразумевает добавление кислорода, но его количества недостаточно для полного окисления топлива и полного сгорания [5]. Основным продуктом является синтез-газ, который представляет собой смесь газов, включая CO и H2, которую можно использовать для производства топлива и химикатов или сжигать для выработки тепла или электричества. Некоторыми побочными продуктами являются зола и смолы, в зависимости от используемой технологии.

На рынке оборудования преобразования органической части топлива в горючие газы предлагаются газогенераторы на основе прямого процесса, которые вырабатывают генераторный газ, который не подлежит какой-либо очистке, и применяется на сегодняшний день только в отопительных системах. При сгорании данного газа выделяется тепло, количество которого не превышает 1100 Ккал/нм³ (рис. 1). Помимо тепла сжигание генераторного газа сопровождается выделением токсинов [4].

Одним из методов пиролиза является процесс использования расплава солей, где соли нагреваются до температуры близкой к 2000 °С, а затем данный агент проходит через слой органики, находящейся в процессе пиролиза. Данный процесс имеет недостатки: сложность технологии и большие затраты.

Метод прямой газификации является одним из методов газификации, который проводится под высоким давлением, где органика и окислительный агент движутся навстречу друг другу. Также способ прямой газификации допускает применение плазматронов, что приводит к увеличению затрат, при этом теплотворная способность не превышает 1100 ккал/нм³ [5].

Таким образом, необходимо выбрать наиболее подходящее оборудование для газификации органических отходов, которое позволит получать газ с наибольшим количеством теплоты, выделяемой при сгорании топлива, расходуя при этом минимальное количество средств на производство. В табл. 1 приведены различные производители подобного оборудования с его характеристиками.

Анализ табл. 1 показал, что наилучшим производителем оборудования для газификации является компания ООО НПП «Синтез». В сравнении с другими производителями данное оборудование отличается наивысшим показателем добычи как по виду, так и величине. Оборудование компании «Синтез» включает наибольшее количество видов перерабатываемого сырья, а также способно работать в автоматическом режиме. Теплотворная способность газа, производимого по технологии данной компании, в 3–4 раза выше, чем у остальных, по степени очистки газа данной компании нет аналогов в мире, к тому же оборудование отличается наименьшей температурой на выходе газогенератора (ниже в 13 раз). При работе отсутствуют вредные выбросы, что подтверждается сертификатом. Профилактические работы требуются один раз в год, в то время как у остальных необходимы раз в месяц [6].

Такие преимущества оборудования предприятия ООО «НПП «Синтез» обуславливаются использованием принципа обратного автотермохимического процесса газификации, который заключается в возможности первичного генераторного газа преодолеть тот температурный промежуток, который вновь приводит к синтезу углеводородных токсинов. Затем генераторный газ проходит стадию синтеза метана, основанной на нанотехнологии производства большого количества метана без применения катализаторов, в результате увеличивая теплотворную способность при сгорании синтезированного газа, по сравнению с генераторным, в три раза (рис. 2).

Следующим этапом в процессе получения синтез-газа является очистка и остужение, способствующее выработке теплоносителя в виде горячей воды. Данный газ имеет приблизительно следующий состав: СО = 15,4 %; Н2 = 11 %; СН4 = 28 %; СnHm = 0,1 %; N2 = 41 %; CO2 = 4,5 %. Количество теплоты, выделяемой при сгорании, колеблется от 2200 Ккал/м³ до 4000 Ккал/м³. Применение синтез-газа в двигателях внутреннего сгорания с соответствующей модернизацией позволяет иметь потерю мощности менее 7 %, относительно применения природного газа [4].

В дальнейшем предприятие ООО «НПП «Синтез» планирует применить метод автотермохимического процесса обратной газификации для мусороперерабатывающих заводов. Примером могут послужить два объекта. Первый построен в Белгородской области. Объект предполагает переработку ТКО с начальным объемом 100 тыс. т в год. Данный проект предлагает повторную переработку материала после сортировки, а оставшиеся технологические хвосты способствуют получению горючего синтез-газа при их переработке в топливные брикеты, подвергающиеся процессу газификации [7]. Полученный синтетический газ проходит определенный подготовительный процесс, а затем отправляется на получение электрической и тепловой энергии. Зольный остаток подвергается процессу разрушения токсинов. Стоимость 1 кВт электрической энергии при использовании данного метода составляет менее 20 копеек (мощность электростанции 14 МВт). Охлаждение синтетического газа позволяет получить попутный продукт в виде тепловой энергии. Прочим источником тепловой энергии станет охлаждение выхлопных газов, данный метод газификации соответствует стандарту ЕВРО – 5 [5]. Другими попутными продуктами являются дистиллированная вода, моноароматические углеводороды, гудрон. Благодаря низким параметрам затрат и колоссальным объемам выработки электроэнергии проект утилизации твердых бытовых отходов переходит в разряд высокодоходных. Реализация данного проекта позволит выполнить следующие задачи:

- полная безотходная переработка ТКО;

- снижение экологической нагрузки на экосистему;

- близкое к городу расположение пред- приятий;

- снижение коммунальных, транспортных и строительных расходов.

На втором объекте, расположенном в Болгарии, предприятие ООО «НПП «Синтез» поставило и запустило в эксплуатацию «Комплекс» с выработкой синтез-газа в количестве 1500 нм³/час, где топливом для газификации служит древесная щепа бука. Бук имеет более плотную древесину и высокую теплотворную способность, чем древесина сосны, березы, помимо этого бук имеет более высокую температуру термохимической реакции [8]. Это способствует протеканию реакции регенерации с наивысшим коэффициентом восстановления первичных негорючих газов до горючих, а также протеканию реакций синтеза метана. Количество метана в производимом синтез-газе достигает 45 %, что существенно повышает его теплотворную способность. Потенциал электрической мощности «Комплекса» 1,5 МВт [9]. Процесс обратной газификации органики позволяет получать жидкие углеводороды: синтетическую нефть, метанол, бензин, авиационный керосин, дизельное топливо [6].

Материалы и методы исследования

Предприятие ООО «НПП «Синтез» провело многочисленные исследования как в создании, так и усовершенствовании оборудования и технологии газификации органических веществ различного происхождения. Был проведен комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в исследовании технологии переработки ТБО, подвергая его переработке в оборудовании ООО «НПП «Синтез».

Результаты исследования и их обсуждение

В результате исследований были получены результаты состава синтез-газа (табл. 2), результаты исследования зольного остатка (табл. 3), а также результаты выхлопа газо-поршневой электростанции после использования синтез-газа в его работе (табл. 4).