Энергетические возможности вторичных продуктов

В последние годы большой интерес проявляется к использованию вторичного сырья и отходов для сбережения энергии. К сожалению, рециркуляции подвергается менее 20% потенциально пригодных к этому вторичных материалов, и лишь с недавних пор отходы стали рассматриваться в качестве источника получения энергии. Многие процессы получения топлива из вторичных продуктов основаны на использовании городского мусора, хотя иногда используются отходы животноводства и земледелия. В среднем ТБО состоят на 60% из горючих веществ, имеющих теплоту сгорания около 4170 кДж/кг и влажность около 20%. По теплоте сгорания они, пожалуй, мало чем уступают низкосортным лигнитам; влажность лигнитов тоже велика - она достигает 50%.

Городские вторичные продукты по сравнению с углём малосернисты (0,12% общей массы), что позволяет рассматривать сжигание их как один из способов, дающих возможность утилизировать содержащуюся в них энергию. Причём значительная часть твёрдых вторичных продуктов имеет органическое происхождение. Около 15% их можно подвергнуть переработке с целью получения синтетической нефти, метана и других горючих углеводородов.

Для преобразования твёрдых отходов в топливо применяют три различные технологии: гидрогенизация, пиролиз и биоконверсия. Эти альтернативы прямому сжиганию и размещению их на свалках являются результатом выполнения требований по восстановлению ресурсов.

Гидрогенизация состоит в нагревании исходного сырья под давлением в замкнутой системе в присутствии окиси углерода, водяного пара и катализатора. Большое количество всевозможных реакций даёт на выходе нефть, состоящую из сложнейшей смеси разных молекул. Гидрогенизация часто служит одним из этапов процесса пиролиза. В процессе пиролиза одновременно протекают три реакции: конверсия водяного газа, реакция между водяным паром и углеродом и реакция между водяным паром и углеводородом. Искусственная нефть, получаемая на выходе процесса, обладает той же теплотой сгорания, что и мазут.

Известно, что 85-90% органических веществ, содержащихся во вторичных продуктах, при высокой температуре (250-300°С) и большом давлении (20 МПа) можно превратить в битум, водорастворимые фракции и газ. Жидкая органическая фракция является потенциальным источником получения синтетической нефти. Её можно подвергать дальнейшей переработке и выделить водорастворимую летучую фракцию, содержащую около 10% органических веществ, а остальная часть (около 85%) представляет собой нелетучее, нерастворимое в воде вещество - смолистую массу чёрного цвета (дёготь). Эта масса состоит из содержащих кислород соединений - сложных эфиров и кислот. Другой основной продукт - высокозольный древесный уголь с теплотой сгорания около 23 МДж/кг. Эти вещества - газы, жидкости и древесный уголь - разделяют, после чего они превращаются в продукцию, отвечающую требованиям рынка.

Упаковочные материалы составляют 50-60% всех ТБО, которые, как правило, сжигаются или вывозятся на полигоны. При этом до 100% их представляет собой ценное вторичное сырьё (бумагу, картон, древесину и т.д.), которое после сортировки и последующей химической и биологической переработки может быть снова вовлечено в хозяйственный оборот в виде товаров народного потребления (строительного материала, тароупаковочного материала и т.п.) и органических удобрений.

Макулатура является основным волокнистым сырьём для получения картона и состоит, как правило, из волокон целлюлозных остатков древесины, полученных различными методами варки. Кроме того, в макулатурную массу попадает большое количество разнообразных веществ-наполнителей, материалов для проклеивания и веществ, случайно попавших в макулатуру. Самой нежелательной фракцией в макулатурной массе является фракция мелких и очень мелких волокон, образовавшихся на этапе приготовления волокнистой суспензии, и которая вместе с общей частью (наполнителем) в оборотной воде отстаивается в виде так называемого скопа.

При введении скопа в картон до 20% получают хорошие физикомеханические характеристики картона. Наиболее перспективным является использование обезвоживаемого скопа для изготовления разнообразных изделий (плит, лигнобетона), прессованных материалов для топлива, порошкообразного скопа для получения обмазочной массы при производстве электродов дуговой сварки, активированного угля.

Сжигание и захоронение скопа неэкологично и неэкономично. Биологическая переработка скопа для получения органического удобрения - перспективный метод утилизации отходов бумажной промышленности.

Биоконверсия - получение метана из органических вторичных продуктов- состоит в управляемом анаэробном сбраживании их при участии бактерий. Этот процесс используется в установках по обработке ТБО и сточных вод. Биогаз содержит около 65% метана с теплотой сгорания около 2 МДж/м3, в то время как теплота сгорания природного газа составляет примерно 37 МДж/м3. Биогаз часто загрязнён прочими газами, выделяющимися из отходов.

Новые системы биореакторов, предназначенные для ускоренной утилизации ТБО, имеют хорошие перспективы. Здесь используют анаэробные системы с добавлением влаги путём рециркуляции фильтрата или с использованием других методов. Существуют также аэробные реакторы (аэротенки) с добавлением влаги и воздуха для образования ещё и компоста. Наиболее перспективной является аэробная стабилизация, так как позволяет значительно снизить потенциальную эмиссию метана, вносящего вклад в глобальное изменение климата.

Аэробная стабилизация, или управление составом газа и качеством ферментируемого вторичного продукта, в высокой степени зависит от оптимального контроля и распределения влаги и воздуха, температуры и содержания кислорода в смеси разнородных материалов. Степень контроля зависит от факторов безопасности (пожаров, взрывов и т.д.) и удаления паров. Вода и воздух вводятся через определённые интервалы в виде потока воды, насыщенного воздухом. В реакторе активно трансформируются органические соединения, наблюдается стабилизация материала, фильтрата и газов. Реактор в виде колодца вполне имеет право на существование. Совершенствование контроля влаги и температуры ускорит стабилизацию перерабатываемой массы.

Для поддержания непрерывности сбраживания необходимо обеспечить надлежащее соотношение между кислотообразующими бактериями в реакторе. Важную роль играют оптимальные значения пяти параметров среды, в которой происходит процесс. Эти параметры характеризуются следующими требованиями:

колебания температуры допустимы для мезофильного сбраживания от 30 до 45°С, термофильного - от 45 до 60°С;

  • - герметичность биогазовой установки;
  • - показатель pH должен быть равен 6,7-7,0;
  • - питательные вещества в среде реактора должны присутствовать в количестве, достаточном для жизнедеятельности бактерий. В особенности необходимо следить за соотношением С: N на уровне 35:1 или немного ниже.
  • - содержание токсичных веществ в виде неорганических солей. Значения концентрации этих веществ должны быть ниже порогового уровня.

Биогазовая установка пропускной способностью 1000 т отходов в сутки может ежесуточно вырабатывать 100 тыс. м3 метана. Это умеренная оценка, основанная на том, что 1 кг городских ТБО и осадка сточных вод способен дать 0,023 м3 газа. Чем однороднее гранулометрический состав субстрата (необходимо сложные соединения превратить в простые), тем эффективнее его разложение и больший выход метана как источника энергии и весьма ценного топлива.

Биореакторы смешанного типа позволяют получать помимо биогаза богатую белковую биомассу, а при внесении микробных ассоциаций (архебактерий) - более очищенный метан (до 70-75%). Известно более 20 видов метанобразующих бактерий. Некоторые из них используют в качестве энергии субстраты - метанол и ацетат. Все известные метанобразующие бактерии могут получать энергию, окисляя водород, а в качестве акцепторов электронов С02 В результате СО, восстанавливается до СН4:

Биогазовые реакторы бывают однокорпусные (самые простые) и индустриальные с устройствами для перемешивания субстрата и системой управления процессом. Осадок субстрата используют как высокоэффективное органическое удобрение под различные сельскохозяйственные культуры.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >