Региональная энергетика на базе использования местного топлива, отходов древесины и других отходов производства
Кормилицын В.И., д.т.н., проф., Лунин А.И., к.т.н., доц., Пономаренко И.С., к.т.н., доц., Московский энергетический институт (Технический университет)
Аксенов Д.А., Президент НО «Институт проблем энергоэффективности»
В данной статье в сжатой форме представлены существующие отечественные технологии, обеспечивающие широкую дорогу к достижению результата, при осознании возможностей получаемых эффективных результатов для интересов, как федерального центра, так и регионов. Среди основных результатов применения предлагаемых технологий создаётся мысль о самообеспечении технологий в финансовом плане, т.е. о быстрой окупаемости всех проектов, использующих возобновляемые ресурсы в регионах. Эта главная мысль подкрепляется созвучием с общемировым требованием выхода из кризисов за счёт региональной энергетической обеспеченности.
Всю вторую половину предыдущего века энергетика Российской Федерации развивалась по магистральному направлению централизации, увеличения единичных мощностей оборудования (электрических станций, энергоблоков, подстанций, электрических сетей и т.д.), использования наиболее эффективных и удобных видов сырья, в первую очередь природного газа. Очевидно, что на определенном этапе исторического развития это было совершенно оправданно и принесло положительные результаты. Но мир меняется, на первое место выходят вопросы энергоэффективности, дефицита топливно-энергетических ресурсов, экологии и т.д. И в этих условиях многие положительные аспекты принятых в прошлом решений, оборачиваются недостатками, требующими существенной корректировки проводившегося ранее курса.
Проведенная «через коленку» (т.е. силовым способом) в последнее десятилетие реформа электроэнергетики в Российской Федерации была целиком основана на либерально-монетаристских принципах. При этом ее авторы утверждали, что «могучая рука рынка решит все проблемы и все расставит по своим местам». Сейчас всем уже совершенно очевидно, что «хотели как лучше, а получилось …….», и что со всем этим делать (и как можно быстрее) до конца никому не ясно.
Здесь надо отметить следующее. Электроэнергетика – совершенно специфическая отрасль народного (именно всего народа, государства) хозяйства, это ее «становой хребет», основа основ. И подходить к ней как к производству какого-нибудь ширпотреба совершенно недопустимо.
В настоящее время стратегические решения, принимаемые самыми разными обществами, становятся не коммерческими. Евросоюз принял программу развития альтернативных источников энергии к 2020 году, но почти все они дотируются государствами и потому внерыночны. Надежд на их рентабельность в 2020 году нет. То же самое происходит в США по отношению к развитию альтернативной энергетики (энергия солнца), которая, прежде всего, ориентирована на внутренний рынок и финансируется государством. Нерыночен и совершаемый Китаем технологический рывок, так как он сопровождается государственной поддержкой спроса на внутреннем рынке. Вырываясь из «оков рынка», человечество стремится к восстановлению технологического прогресса, надеясь на возвращение его гуманизирующей роли, надеясь, что новые «прорывные», в том числе «закрывающие» технологии, обеспечат «благосостояние для всех». Под «закрывающими» технологиями в данном случае понимаются технологии, позволяющие комплексно использовать все имеющиеся ресурсы.
В условиях высокой конкурентности территорий по освоению и размещению объектов промышленного и социального значения, на региональном уровне правомерно оценивать, как используются собственные ресурсы региона. Такими ресурсами могут явиться местные возобновляемые виды топлива в виде древесных ресурсов и отходов деревообрабатывающей промышленности, мусор и отходы жизнедеятельности, а также местные энергетические невозобновляемые ресурсы (некондиционные угли, нефтеотходы, торф и др). На их основе решается целесообразность использования в регионе биоэнергетики, для которой необходимо определить ее объем в энергетическом балансе территории и обеспеченность в потреблении вырабатываемых энергетических ресурсов в виде биотоплива, тепла, электроэнергии и т.д.
Следует отметить, что применение объектов малой энергетики в условиях использования возобновляемых топливно-энергетических ресурсов это одно из самых перспективных и востребованных решений для снижения затрат и повышения энергоэффективности региональной энергетики. Особенно это эффективно в периоды пиковых нагрузок. В этой связи следует отметить, что особо актуальна разработка технологий получения дополнительной тепловой и электрической энергии на базе возобновляемых источников энергии, использующих местные виды топлива, направленная на создание энергетических установок малой мощности для массового применения в котельных, как в виде основного, так и резервного топлива, в том числе в котельных ЖКХ и на предприятиях, имеющих отходы производства в виде углеводородов, являющихся в потенциале различными видами топлива (газы, нефтепродукты, уголь, торф и др.).
Распределённая генерация тепловой и электрической энергии обеспечивает хозяйственную безопасность производственных и хозяйственных объектов, а также способствует обеспечению устойчивости сети при участии в покрытии пиковых нагрузок.
Рис. 1. Структурная схема блока генерации электроэнергии на основе использования вторичных энергоресурсов
Согласно проекта Государственной программы энергосбережения и повышения эффективности на период до 2020 года, общий потенциал возобновляемых источников энергоресурсов (ВИЭ) на территории субъектов Российской Федерации оценивается на уровне 4,5 млрд. т.у.т. в год, при преобладающей роли энергии солнца, ветра и воды. В составе ВИЭ вторичные энергетические ресурсы составляют свыше 5% от затрат первичной энергии, что оценивается как 31 млн. тут в год [1-4, 7-11].
Кроме того, данные энергетические установки, расположенные непосредственно вблизи потребителей, позволят уменьшить расходы на сооружение внешних электрических сетей, сократить потребление электроэнергии от внешних организаций и соответственно уменьшить оплату за присоединение мощности, а также получить дополнительную электроэнергию в периоды пиковых нагрузок. При этом экономия электроэнергии оценивается величиной свыше 15% от общего потребления.
Попутно решается и целый ряд других, очень важных экологических проблем. Назовем только две из них.
Прекращение торфоразработок приводит к отсутствию должного контроля за залежами торфа, и, как результат, к возникновению торфяных пожаров. Лето 2010 года очень наглядно это показало.
Вторая проблема – это проблема сухостоя в наших лесах. Куда его девать? Помимо того, что вовремя не очищенные от сухостоя леса заболевают и деградируют, они также являются дополнительными источниками лесных пожаров (к сожалению, в последнее время это происходит уже практически каждое лето). Кроме того, вовремя не очищенные от поросли трассы ЛЭП могут приводить к долговременным отключениям потребителей (зима 2010-2011 годов). Куда девать этот вырубаемый лес – сейчас этот вопрос не решен.
Энергосберегающая и энергоэффективная технологии получения тепла и электроэнергии, на базе использования возобновляемых энергоресурсов и вторичных энергоресурсов, а также разработанные на их базе энергетические установки, состоят из ряда процессов, связанных между собой. Одним из основных модулей такой установки является энергоблок малой мощности представленная схемой рис.1, производящий электроэнергию на основе использования (утилизации) низкотемпературного (от 2000С до 500С) тепла в качестве избыточного, выбрасываемого в атмосферу (МУИТ – модуль утилизации избыточного тепла).
Перечень применяемых технологий для их практической реализации определяется прежде всего исходным сырьём для его использования. В нашем случае для устойчивости применения технологии рассматриваются два основных продукта - это торф и отходы деревообработки, но могут использоваться, как дополнительные компоненты топлива, отходы нефтепереработки, бытовой мусор, отходы с полей аэрации очистных сооружений и т.д. Такое производство можно разделить на ряд последовательных технологических процессов.
1. Заготовление торфа. Заготовление отходов древесины и их переработки на уровне исходных компонент топлива (например, переработка в щепу).
2. Гранулирование исходного сырья и получение из него топливных гранул, пеллет и т.п.
3. Производство топливного газа из топливных элементов пиролизом или другим способом.
4. Сжижение топливного газа или его прямое сжигание.
5. Производство электроэнергии на основе утилизации избыточного тепла, выбрасываемого в атмосферу при производстве топливных гранул и получении топливного газа.
6. Получение дополнительных продуктов на основе очистки и утилизации отходящих дымовых газов - удобрений, гранулированного «сухого льда» СО2, конденсата NOx - азотная кислота и т.д.
Рис. 2. Структурная схема линии с эффективными безотходными технологиями утилизации древесных (бытовых и промышленных) отходов и получения товарных продуктов.
Рассмотрим перечисленные технологии и установки для их реализации.
Заготовление торфа и отходов древесины - это известные технологии. Пример установки по преобразованию древесины в щепу приведен в приложении. Это, как правило, передвижная установка, используемая непосредственно на лесосеке при ее расчистке от сухостоя и отходов лесосеки, которая позволяет оптимизировать процесс транспортировки отходов древесины путем обеспечения полной нагрузки на ось автотранспорта (стандартный грузовой автотранспорт с наращенными бортами). Сюда же относятся и отходы деревообрабатывающей промышленности (спил, опилки, и т.д.). Эффективная технология утилизации древесных (бытовых и промышленных) отходов на установке по преобразованию древесины в щепу и измельчения бытовых отходов приведена на рис. 3.
Рис. 3. Эффективная технология утилизации древесных (бытовых и промышленных) отходов на установке по преобразованию древесины в щепу и измельчения бытовых отходов.
Гранулирование сырья и получение топливных гранул. К настоящему времени эта технология имеет самые разные варианты решения, как зарубежных, так и отечественных разработок. В приложении приведены фотографии одной из таких установок, выполненной целиком из отечественных комплектующих рис. 4. Она рассчитана на производство 2-х тонн пеллет в час (из 3,5 м3 исходного сырья). Процесс полностью автоматизирован и отлажен. Для ее работы требуется электрическая мощность около 200 кВт. С другой стороны, при работе установки выделяется (выбрасывается) в атмосферу около 1,5 МВт тепловой мощности. Использование предлагаемых МУИТ (модулей утилизации избыточного тепла) для получения электроэнергии позволит утилизировать эту тепловую мощность и обеспечить автономный режим работы данной установки без потребления электроэнергии извне.
Последние разработки в данной области, проведенные в МЭИ (ТУ) [5-6, 13-16], позволяют значительно повысить калорийность (теплотворность) производимых пеллет (примерно в 1,5 раза) по сравнении с традиционными технологиями, при значительном сокращении энергозатрат на их производство. При этом, естественно, значительно снижаются выбросы избыточного тепла в атмосферу, загрязнение окружающей природной среды.
Рис. 4. Эффективная технология утилизации древесных (бытовых и промышленных) отходов на установке по приготовлению гранул из древесины и бытовых отходов.
Производство топливного газа. В принципе процесс пиролиза известен, но конструктивные решения установок сильно зависят от вида исходного топлива, и способов его использования в энергетических установках. Поэтому, в каждом конкретном случае они должны учитывать особенности процессов работы, видов исходного сырья и их набора, качества получаемого топлива и особенностей процессов сжигания в энергетических установках.
Пиролизный топливный газ, получаемый на такой установке приведенной на рис. 5, может использоваться вместо природного в промышленных и отопительных котельных, транспорта и т.п. Зола получаемая в пиролизном процессе, в ряде случаев является ценнейшим экологически чистым удобрением для аграрного хозяйства, тепличных комплексов и в качестве готового продукта такого как сорбент и спец добавок в различных технологических процессах.
Осуществление пиролизного процесса сопровождается образованием большое количество тепла. Здесь получаемый топливный газ имеет высокую температуру и требует предварительного охлаждения, что может сопровождаться связано со значительными потерями тепла в атмосферу. Применение же МУИТ позволяет утилизировать это тепло и на его основе выработать электроэнергию, которую можно направить на собственные нужды осуществления технологического процесса, например дальнейшее сжижение полученного топливного газа. Данное решение позволяет частично отказаться от необходимости использования внешнего электроснабжения и сделать данную установку более рентабельной.
Следует отметить, что калорийность этого газа существенно меньше, чем у природного. Но это технико-экономически оправдано вследствие его низкой стоимости, экологическими преимуществами и неиссякаемыми возобновляемыми ресурсами в сравнении с традиционными энергетическими ресурсами.
Сжижение топливного газа. Процессы сжижения газа также известны. Но существующие в настоящее время установки по сжижению газа весьма сложные и дорогие. Разработки нескольких последних лет, проведенные в МЭИ (ТУ), на основе использования смесевых газов в качестве рабочего тела, позволили создать совершенно новый класс подобных установок, отличающихся оригинальностью инженерных решений, надежностью и высокой экономичностью который приведён опытным образцом ожижителя азота малой производительности на рис.6 [11]. Их конструкция и комплектация аналогичны промышленным холодильникам, что резко удешевляет их производство и обеспечивает надежность работы в условиях промышленной эксплуатации.
Производство электроэнергии на основе применения МУИТ. Создание технологий собственной, автономной генерации электрической энергии и её регионального производства на базе использования местного топлива является существенным решением для сдерживания роста стоимости электроэнергии и обеспечения безопасности хозяйствования и жизнеобеспечения регионов. Проведенные нами оценки показывают, что при использовании только 5% вырабатываемого тепла, низкотемпературные технологии позволят выработать до 50% потребляемой ныне регионами электроэнергии. А это значит, что региональная энергетика на базе использования местного топлива способна существенно разгрузить существующую напряжённость энергообеспечения регионов.
Таким образом, наиболее перспективным, целесообразным и практически реализуемым путём решения проблемы энергоэффективности систем энергоснабжения регионов, помимо широкого внедрения энергосберегающих технологий, является широкое применение систем генерации электроэнергии на основе использования нерационально растрачиваемых излишков тепла в энергетических установках (котельные, термические печи, другие источники тепла), и широкого использования местных видов топлива. При этом одновременно решаются и вопросы экологической безопасности регионов.
|
Рис. 5. Эффективная безотходная технология утилизации древесных (бытовых и промышленных) отходов на установке пиролиза |
Рис. 6. Внешний вид опытного образца ожижителя азота малой производительности. |
Рассмотрим пример практической реализации данного предложения о использовании низкопотенциального тепла.
Рассматриваемая система приведенная на рис.1 базируется на использовании в замкнутом контуре специально подобранных газов в качестве рабочего тела, имеющих низкую температуру фазового перехода (сжижение – кипение) [19]. Для различных технологий они могут отличаться и иметь различные физические свойства, в частности, различную температуру фазового перехода. В частности при использовании такой технологии при утилизации дымовых газов.
После сжигания топлива в топке котла, дымовые газы с температурой около 1600С через дымовую трубу эвакуируются в атмосферу. При подаче дымовых газов в трубу пропускаем их через модульную установку МУИТ (модуль утилизации избыточного тепла), где температура этих газов понизится до 850С. Здесь на базе тепла, отобранного от дымовых газов, производится дополнительное количество электроэнергии. При этом необходимо выполнить условие надежной работы внешних дымоходов и дымовой трубы с решением проблем, связанных с конденсацией водяных паров, температурой точки росы дымовых газов и целый ряд других, которые в настоящее время имеют практические решения.
Расчеты показывают, что для средней квартальной котельной (60 Гкал) можно реально получить около 0,5 МВт электрической мощности. Учитывая, что только для г. Москвы их число превышает 150 шт., становится понятно, что данное решение является актуальным. При этом следует особо подчеркнуть, что на производство этой электроэнергии нет затрат на первичные традиционные энергоресурсы (газ, мазут, уголь и т.д.), т.е. осуществляется увеличение эффективности использования энергетических ресурсов сохранении неизменным графика отпуска тепла потребителям.
Важным аспектом данного решения является и возможность резервирования электропитания энергетических установок. Даже при полном отключении внешнего электроснабжения (например – системная авария в Московском регионе в мае 2005 г.) установка (котельная) продолжает безотказно функционировать и обеспечивать бесперебойное теплоснабжение и электроснабжение потребителей, которые являющимися наиболее ответственными и оборудованы данной технологией. Таким образом данное решение позволяет существенно повысить надёжность тепло и энергоснабжения наиболее ответственных энергопотребителей..
Например, эффективность использования предлагаемых технологий для конкретного региона – Московской области (МО), в которой лесонасаждениями занято 2,18 млн. га территории, из которых около 40 процентов составляет «деловая» древесина. Отсюда, общий объем древесины в области, по самым скромным оценкам, оценивается в 600 млн.т. Падеж и вырубка в настоящее время оценивается в 2,2% от общего объема, что эквивалентно 13 млн. т. по всей МО. Из этого объема древесины можно получить 65 млрд. м3н (метров кубических нормализованных) топливного газа.
С учетом соотношения его теплотворности по сравнению с природным газом, а также стоимостью продажи населению в 3 рубля за 1 м3, общая стоимость полученного газа оценивается в 30 млрд. рублей в год.
Имеется положительный опыт внедрения технологии сжигания биотоплива (древесных опилок и в смеси с древесными пеллетами). При внедрении разработаны и осуществлены мероприятия по модернизации котлов, позволяющие сохранить их работоспособность при исходной влажности опилок Wp=80-90% [7, 14-17], которые при традиционной технологии сжигания приводят к останову котлов и прекращению теплоснабжения.
Безусловно, это только оценка и опыт частичного внедрения в промышленное применение, требующие дальнейших исследований и уточнений. Но актуальность и важность данного вопроса, в условиях промышленной эксплуатации оборудования, является обоснованием применения высокоэффективных технологий, использующих возобновляемые источники энергии.
Выводы.
1. Рассмотрено повышение энергоэффективности региональной энергетики за счёт использования местных энергетических ресурсов и вторичных энергоресурсов и создания собственной локальной тепло- электроэнергетики.
2. Предложено решение использования низкопотенциальных электрогенераторов на базе местных энергетических ресурсов для промышленного энергоснабжения. Региональный технико-экономический эффект от утилизации и использования местного топлива и промышленных отходов оценивается как минимум в 30 млрд. рублей в год.
3. Использование низкопотенциальных электрогенераторов существенно повышает надёжность тепло- и электроснабжения ответственных объектов и предотвращает развитие аварийных ситуаций.
Литература.
1. Распоряжение Правительства Российской Федерации от 28 августа 2003 года № 1234-р «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года»
2. Распоряжение Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 года. № 1715-р. «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года»
3, Распоряжение Правительства Российской Федерации от 17 ноября 2008 г. № 1662-р «О Концепции долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 г.».
4, Распоряжение Правительства Российской Федерации от 27 декабря 2010 г. № 1662-р «ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПРОГРАММА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ «ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ НА ПЕРИОД ДО 2020 ГОДА»
5. Кормилицын В.И., Пономаренко И.С., Аксенов Д.А. Повышение энергоэффективности при использовании вторичных топливно-энергетических ресурсов. Энергосбережение и водоподготовка. 2011. № 1. С. 21-25.
6. Кормилицын В.И., Пономаренко И.С., Аксенов Д.А., Давыдов Б.А. К вопросу повышения энергоэффективности в регионах. Энергосбережение и водоподготовка. 2011. № 5. С. 9-11.
7. Экологические аспекты сжигания топлива в паровых котлах. Монография. Кормилицын В.И. – М. Изд-во МЭИ, 1998. 335 с.
8. Башмаков И.А. Анализ основных тенденций развития систем теплоснабжения России. Новости теплоснабжения. 2008. № 4. С. 6-11.
9. Давыдов Б.А. Безопасность хозяйствования как объект государственного регулирования. Экономист. 2009. № 12. С. 84-87.
10. Пономаренко И.С., Аксенов Д.А. От энергосбережения к энергоэффективности. Альманах «Золотая книга России» - Экономика России – Взгляд в будущее. М. Изд-во: Издательский дом «АСМО-пресс». С. 190-195.
11. Фокин В.М. Основы энергосбережения и энергоаудита. Монография. М. Изд-во «Машиностроение-1». 2006. 256 с.
12. Лунин А.И., Пономаренко И.С., Аксенов Д.А. и др. Низкотемпературные системы для использования вторичных энергоресурсов для выработки электроэнергии. - Материалы 6 международной научно-технической конференции «Вакуумная техника, материалы и технологии» (Москва, КВЦ «Сокольники», 2011, 13-15 апреля). С.81 – 84.
13. Федеральный закон «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» № 261-ФЗ от 23 ноября 2009 г.. Принят Государственной думой 11 ноября 2009 г. Одобрен Советом Федерации 18 ноября 2009 г.
14. Патент № 2282492. Способ обработки материалов и устройство его осуществления. 21.08.2003. Кормилицын В.И. и др.
15. Патент № 2375637. Устройство для сжигания смеси углеродосодержащих материалов и помета. 6.08.2003. Кормилицын В.И. и др.
16. Патент № 2010151781. Технологическая линия по производству лигно-гелевых топливных гранул. 17.12.2010. Кормилицын В.И. и др.
17. Патент № 2010105986. Топливный элемент. 24.02.2010. Кормилицын В.И. и др.
18. Заявка № 2012120686. Комплексная энерготехнологическая линия по переработке бытовых, древесных, сельскохозяйственных и промышленных отходов. 21.05.2012. Кормилицын В.И., Аксёнов Д.А., Лунин А.И., Пономаренко И.С..
19. Заявка № 2012116443. Установка для выработки и использования электрической энергии. 25,04,2012. Аксёнов Д.А., Лунин А.И., Пономаренко И.С..