Энергетические аспекты утилизации промышленных и бытовых отходов

Министерство образования республики беларусь

Белорусская государственная политехническая академия

Энергетический факультет

Кафедра «Промышленная теплоэнергетика и теплотехника»

Расчётно-пояснительная записка к дипломному проекту на тему:

«Энергетические аспекты утилизации

Промышленных и бытовых отходов»

Студент Кузьмич Г.В.

Проект допущен к защите:

Заведующий кафедрой ПТЭиТ д.т.н. профессор Малевич Ю.А.

Руководитель проекта к.т.н. профессор Седнин В.А.

Консультанты по вопросам: теплотехнической части

к.т.н. профессор Седнин В.А.

экономической части д.т.н. профессор Бокун И.А.

электроснабжения ст. преподаватель Сацукевич В.Н.

охраны труда д.т.н. профессор Поспелова Т.Г.

автоматики к.т.н. доцент Мигуцкий Е.Г.

Нормоконтролер к.т.н. доцент Романюк В.Н.

Объём проекта:

Расчётно-пояснительная записка страниц.

Графическая часть листов.

Минск, 2000 г.

Белорусская Государственная Политехническая Академия

Факультет Энергетический

Кафедра «ПТЭ и Т»

«Утверждаю»

Зав. кафедрой ______________

(подпись)

_____ _______________ 2000 г.

ЗАДАНИЕ

ПО ДИПЛОМНОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ

Студенту Кузьмичу Григорию Владимировичу

1. Тема проекта: Энергетические аспекты утилизации промышленных и бытовых отходов.

(Утверждена приказом по вузу от ____________________ № ________)

2. Сроки сдачи студентом законченного проекта ___________________

3. Исходные данные к проекту ___________________________________

_______________________________________________________________________________________________________________________________

4. Содержание расчётно-пояснительной записки:

Введение

Анализ методов и перспектив использования ТБО в системах энергоснабжения

Добыча и утилизация свалочного газа

Технико-экономическое сопоставление вариантов энергоснабжения

Синтез технологической схемы источника энергоснабжения

Оптимизация работы установки по обогащению биогаза

Выбор, тепловой и аэродинамический расчёт отдельных элементов технологической схемы

Схема КИП и автоматики

Технико-экономические показатели

Электроснабжение насосов основного контура мини-ТЭЦ

Охрана труда

5. Перечень графического материала

План и разрезы цеха - 3 листа;

Технологические схемы - 2 листа;

Схемы вариантов энергоснабжения - 1 лист;

Схема энергоснабжения - 1 лист;

КИП и А - 1 лист;

Технико-экономические показатели - 1 лист;

Электроснабжение - 1 лист;

6. Консультанты по проекту:

Теплотехнической части Седнин В.А.

Экономической части Бокун И.А.

Электроснабжения Сацукевич В.Н.

Охраны труда Поспелова Т.Г.

Автоматики Мигуцкий Е.Г.

Руководитель проекта __________________ Седнин В.А.

(подпись)

Задание принял к исполнению (дата) _______________

(подпись студента) ________________________ Кузьмич Г.В.

Аннотация

В данном дипломном проекте рассмотрена проблема утилизации твёрдых бытовых отходов, а также различные способы их переработки. Наиболее подробно рассмотрена схема мини теплоэлектроцентрали на базе дизельного двигателя для теплоэнергетической системы промышленного предприятия. Топливом для мини-ТЭЦ служит обогащённый, путём удаления из него углекислого газа, биогаз, получаемый из отходов. Приведено технико-экономическое обоснование выбора данной схемы и рассчитаны основные экономические показатели. В схему входит углекислотная станция для абсорбции углекислого газа из биогаза и отработавших дымовых газов и тепловой насос для утилизации низкопотенциального тепла. Схема синтезирована на базе основных элементов: двигатель, электрогенератор, теплообменники, насосы и др.

Выбраны и рассчитаны отдельные элементы схемы: теплообменники, углекислотная станция. Также произведён расчёт горения топлива.

В расчетно-пояснительную записку входят также разделы охраны труда и пожарной безопасности, электроснабжения, КИП и автоматики.

Содержание

Введение

1. Анализ методов и перспектив использования твёрдых бытовых отходов в системах энергоснабжения

1.1. Твёрдые бытовые отходы и их свойства

1.2. Получение компоста из ТБО

1.3. Сжигание ТБО

1.4. Анализ технологической схемы утилизации ТБО осуществлённой на Минском ОЗПБО

1.5. Получение биогаза из ТБО

1.6. Переработка ТБО с помощью пиролиза

1.7. Вторичная переработка ТБО

2. Добыча и утилизация свалочного газа (СГ)

2.1. Процессы газообразования

2.2. Масштабы газообразования

2.3. Виды негативного влияния СГ

2.4. Технологическая схема экстракции и утилизации СГ

2.5. Масштабы мировой экстракции СГ

2.6. Перспективы добычи и утилизации СГ в России

2.7. Пилотный проект по экстракции и утилизации СГ на полигонах Московской области

3. Технико-экономическое сопоставление вариантов энергоснабжения

4. Синтез технологической схемы источника энергоснабжения

5. Оптимизация работы установки по обогащению биогаза

5.1. Технологическое описание объекта исследования

5.2. Синтез расчётной структуры исследуемого объекта

5.3. Составление математической модели

5.4. Разработка алгоритма и его программной реализации для ПЭВМ для анализа системы

5.5. Программа на языке программирования PASCAL

5.6. Таблица идентификаторов

5.7. Численное исследование и анализ полученных результатов

6. Выбор, тепловой и аэродинамический расчёт отдельных элементов технологической схемы

6.1. Выбор и расчёт водо-водяного теплообменного аппарата

6.2. Выбор и расчёт водо-масляного теплообменного аппарата

6.3. Расчёт горения топлива

7. Схема КИП и автоматики

8. Технико-экономические показатели

8.1. Основные технико-экономические показатели

8.2. Расчёт сетевого графика капитального ремонта дизельного двигателя

8.3. Структура управления мини-ТЭЦ

9. Электроснабжение насосов основного контура мини-ТЭЦ

10. Охрана труда

10.1. Техника безопасности и производственная санитария

10.2. Пожарная безопасность

Литература

Введение

Исторически «на виду» всегда были жидкие и газообразные отходы - промышленные загрязнения воды и воздуха - и они становились объектом первоочередного контроля и регулирования, в то время, как твердые отходы всегда можно было увезти подальше или закопать - попросту тем или иным способом убрать «с глаз долой». В прибрежных городах отходы довольно часто просто сбрасывались в море. Экологические последствия захоронения мусора - через загрязнение подземных вод и почв - проявлялись иногда через несколько лет или даже несколько десятков лет, однако были от этого не менее разрушительны. В общественном сознании постепенно сформировалась идея о том, что закапывание отходов в землю или сброс их в море - это недопустимое перекладывание наших проблем на плечи потомков. Параллельно наметилась и другая тенденция: чем жестче было законодательство по контролю воды и воздуха, тем больше производилось твердых токсичных отходов, так как все методы очистки газообразных и жидких сред приводят к концентрации загрязнителей в твердом веществе: в илах, осадках, золе и т.д.

В настоящее время в развитых странах производится от 1 до 3 кг бытовых отходов на душу населения в день, что составляет десятки и сотни миллионов тонн в год, причем, в США, например, это количество увеличивается на 10% каждые 10 лет. В связи с отсутствием мест для захоронения этого огромного количества отходов на Западе заговорили о кризисе отходов или кризисе свалок. В японских гаванях насыпаны «мусорные острова» из гор бытовых отходов, производимых в метрополиях; в США города на Северо-Восточном побережье отправляют свой мусор в другие страны в океанских баржах. История самой злополучной из таких барж - Munroe - которая в течение года плавала от порта к порту, пытаясь пристроить мусор из Нью-Джерси, и вернулась домой, так и не сгрузив ни тонны, попала во все экологические хрестоматии и учебники, как наиболее яркая иллюстрация кризиса свалок.

При внимательном рассмотрении проблема отходов представляется более сложной, чем просто нехватка места для новых свалок. Мест для новых свалок всегда не хватало: по свидетельству журнала Waste, еще в 1889 году американский федеральный чиновник жаловался, что «мусор становится некуда выбрасывать и скоро мы должны будем придумать новый метод избавляться от него». В то же время свалки занимают не так уж много места, по крайней мере, в географическом масштабе: например, все бытовые отходы, производимые в России современными темпами в течение 500 лет можно было бы уместить на площадке 20 на 30 км при толщине слоя мусора всего в 25 метров.

Таким образом «физическое» измерение проблемы ТБО - не только не единственное, но даже и не самое важное. Существуют другие взаимосвязанные аспекты этой проблемы, которые делают ее насущной именно в наше время:

Объем ТБО

... непрерывно возрастает как в абсолютных величинах, так и на душу населения;

Состав ТБО

... резко усложняется, включая в себя все большее количество экологически опасных компонентов;

Отношение населения

... к традиционным методам сваливания мусора на свалки становится резко отрицательным;

Законы

... ужесточающие правила обращения с отходами, принимаются на всех уровнях правительства;

Новые технологии

... утилизации отходов, в том числе современные системы разделения, мусоросжигательные заводы-электростанции и санитарные полигоны захоронения, все более широко внедряются в жизнь;

Экономика

... управления отходами усложняется. Цены утилизации отходов резко возрастают. Современное управление отходами невозможно представить без частных предприятий и крупных инвестиций.

Все эти аспекты проблемы завязаны в узел, который затягивался в развитых странах на протяжении последних 20-30 лет все туже и туже.

Традиционно бытовые отходы вывозились на свалки, расположенные вблизи населенных пунктов, и работающие за счет муниципальных бюджетов. Со временем вследствие постоянной угрозы здоровью населения, исходившей от свалок (отравление грунтовых вод, размножение переносчиков заболеваний, неприятный запах, дым от частых самовозгораний), во многих странах стали принимать более строгие правила их размещения, конструкции и эксплуатации. Отрицательное отношение населения и новые стандарты делали открытие новых свалок (или «полигонов по захоронению ТБО», как они стали именоваться) все более сложным делом.

В это время как раз и заговорили о ранее упоминавшемся кризисе свалок. Хотя кризис свалок - это проблема скорее «политическая», чем «физическая», однако, независимо от того, является ли нехватка места «реальной» или «кажущейся», строительство новых полигонов в определенный момент резко дорожает: в США, например, только получение лицензии на строительство полигона (еще до того как куплен участок) может обойтись в $500,000.

Ситуацию не изменило появление в начале 80-х годов мусоросжигательных заводов (МСЗ) «нового поколения» (снабженных высокотехнологичными устройствами очистки выбросов). МСЗ, подобно свалкам, были встречены населением в штыки из-за боязни диоксинов и других загрязнителей воздуха, а также из-за нерешенности проблем с захоронением токсичной золы, образующейся при сжигании ТБО. Находить площадки для МСЗ оказалось ничуть не легче, чем для полигонов, а себестоимоть сжигания отходов даже в таких густонаселенных странах, как Голландия, оказывается ничуть не ниже, чем себестоимость закапывания их в землю (Рис. 1).

Рис. 1. Стоимость сжигания отходов и захоронения на полигонах.

В странах с развитым экологическим законодательством до половины капитальных расходов при строительстве МСЗ уходит на установку воздухоочистительных систем. До 1/3 эксплуатационных расходов МСЗ уходит на плату за захоронение золы, образующейся при сжигании мусора, которая представляет из себя гораздо более экологически опасное вещество, чем ТБО сами по себе.

Когда стоимость (а значит, и цена) утилизации отходов значительно возрастает, рынок утилизации начинает привлекать крупные частные компании. Такие компании в основном строят и эксплуатируют гигантские «мусороуничтожающие» предприятия, размещенные на дешевой земле вдалеке от городов, где производится наибольшее количество ТБО. Строительство таких предприятий обычно встречает гораздо большую враждебность местного населения, чем строительство муниципальных свалок, поскольку никто не хочет иметь под боком свалку «чужого мусора» из метрополии. Кроме того, свалка, принадлежащая частной компании, воспринимается населением, как правило, более враждебно, чем муниципальная свалка тех же размеров, расположенная в том же месте. Под давлением общественности политики настаивают на принятии более жестких стандартов, что в свою очередь увеличивает стоимость утилизации отходов. Это приводит к тому, что все большее количество отходов попадает в руки крупных корпораций, имеющих не только финансовые средства выполнить жесткие экологические стандарты, но и возможность преодолеть (не всегда законными средствами) сопротивление местных политиков при решении вопроса о размещении свалки. Враждебность населения к огромным корпорациям растет и... мы попадаем в исходную точку порочного круга, узел «мусорного кризиса» затягивается еще туже.

Рис. 2. Замкнутый круг "мусорного кризиса"

Практика показывает, что подобный круг увеличения масштабов, стоимости и враждебности населения невозможно разорвать путем простого ужесточения экологических стандартов или внедрения новых технологий утилизации отходов. Попытки выйти из этого круга, решая в комплексе социальные, экономические и технологические проблемы, связанные с ТБО, привела к разработке концепции Комплексного управления отходами. Эта концепция служит ориентиром для правительственных и общественных организаций во многих странах; например, она официально принята Агентством по охране окружающей среды США.

1. Анализ методов и перспектив использования твёрдых бытовых отходов в системах энергоснабжения

1.1. Твёрдые бытовые отходы и их свойства

Бытовой мусор является одним из видов хозяйственно-бытовых отбросов жизнедеятельности человека. Бытовой мусор состоит из органических и неорганических частей. Полная характеристика ТБО предполагает рассмотрение их фракционного и морфологического состава, средней плотности, количества, химическую и бактериологическую характеристику. Ниже приведена сводная таблица состава ТБО табл.1.1.1. На соотношение составляющих бытовых отходов оказывают большое влияние: степень благоустройства жилищного фонда, сезоны года, климатические и другие условия. Так, в осенний период содержание пищевых отходов значительно выше, чем в другие периоды, что связано с большим использованием овощей и фруктов в рационе питания населения. Отечественный и зарубежный опыт показывает, что с течением времени в составе и свойствах мусора происходят существенные изменения. В составе мусора постоянно увеличивается содержание бумаги благодаря развивающемуся производству и растущему использованию её прежде всего из-за повышения культурного уровня и распространения упаковок в торговле.

Рис.1.1.1. Примерный состав ТБО в СССР в 1989 г.

В связи с вредными свойствами бытового мусора, обусловленными наличием в нем быстроразлагающихся органических веществ, болезнетворных организмов и т.д. возникает важнейшая задача санитарной очистки городов. При этом целесообразно использовать полезные свойства отбросов.

Можно выделить следующие основные методы обезвреживания и переработки ТБО:

Утилизационные - с максимальным использованием всех полезных свойств путём переработки основной части мусора в органическое удобрение и биотопливо, выделения вторичного сырья и использование горючих неутилизируемых частей (в качестве топлива) на мусороперерабатывающих заводах;

Ликвидационные, не предусматривающие использование полезных свойств отходов: захоронение на усовершенствованных свалках с засыпкой землёй, сброс в болота, выработанные шахты, карьеры, вывоз в море, а также сжигание отбросов без использования тепла.

С точки зрения использования твёрдых бытовых отходов в системах энергосбережения для нас конечно представляет интерес утилизационные способы переработки.

1.2. Получение компоста из ТБО

Одним из наиболее распространенных методов утилизации бытового мусора является его биологическая переработка с получением компоста и биотоплива. Процесс обезвреживания и переработки осуществляется за счёт саморазогревания мусора, и поэтому называется биотермическим. Этот процесс происходит в результате роста и развития разнообразных, в основном теплолюбивых (термофильных), микроорганизмов в аэробных условиях, то есть при достаточном доступе воздуха.

В ходе процесса мусор разогревается до температуры 60 С, что губительно действует на болезнетворные микроорганизмы и обеспечивает надёжное обезвреживание мусора. Под действием развивающейся микрофлоры сложные, быстрогниющие органические вещества разлагаются с образованием форм, легко усваиваемых растениями, получается компост.

Схематически основные фазы микробиологического процесса разложения органического вещества отбросов можно представить следующим образом. Сначала компостируемая масса имеет температуру окружающего воздуха. Затем с ростом микроорганизмов растёт и температура компоста. До 40 С в нём усиленно размножаются мезофильные организмы (оптимальная температура их развития 25 - 30 С). Повышение температуры в компостируемой массе свыше 40 С приводит к гибели мезофилов и размножению более теплолюбивых микробов - термофилов. Это наиболее важная стадия в процессе компостирования, так как микроорганизмы проявляют здесь наибольшую активность и окислительные процессы интенсифицируются. Затем температура постепенно снижается, доходит до мезофильной стадии и процесс затухает.

При компостировании сложные белковые соединения легко разлагаются и переходят в более простые соединения - сначала в аминокислоты, конечная фаза расщепления которых сопровождается выделением аммиака. Аммиак окисляется сначала в азотистую, а затем в азотную кислоту. Процесс этот называется нитрификацией, так как его вызывают особые нитрифицирующие микроорганизмы.

При ускоренном механизированном компостировании, когда процесс органического вещества в установке длится несколько дней, обычно имеют место процессы аммонификации. Нитрификация может наступить лишь во время последующего дозревания в штабелях или в почве при соответствующих условиях.

На процесс компостирования наиболее влияют: влажность компостируемой массы, аэрация, температура и состав исходного мусора. Для создания лучших условий компостирования применяют различные способы подготовки отбросов или их сочетания: магнитная сепарация, просеивание для разделения по крупности и по составу, дробление. В ходе процесса осуществляют подачу воздуха, подсушку или увлажнение отходов, в ряде установок применяют биологические добавки, ускоряющие процесс разложения органических веществ. В некоторых установках извлечение металла и операции по обогащению компоста производят после процесса компостирования в конце технологической линии.

Существуют различные технологии компостирования:

Минимальная технология

Компостные кучи - 4 метра в высоту и 6 метров в ширину. Переворачиваются раз в год. Процесс компостирования занимает от одного до трех лет в зависимости от климата. Необходима относительно большая санитарная зона.

Технология низкого уровня

Компостные кучи - 2 метра в высоту и 3-4 в ширину. В первый раз кучи переворачиваются через месяц. Следующее переворачивание и формирование новой кучи - через 10-11 месяцев. Компостирование занимает 16-18 месяцев.

Технология среднего уровня

Кучи переворачиваются ежедневно. Компост готов через 4-6 месяцев. Капитальные и текущие затраты выше.

Технология высокого уровня

Требуется специальная аэрация компостных куч. Компост готов уже через 2-10 недель

1.3. Сжигание ТБО

Также очень распространённым методом является сжигание ТБО. В некоторых случаях оно получается наиболее целесообразно.

Специфика сжигания мусора состоит в том, что он состоит из частиц, разных по размеру и разнохарактерных по средней теплоте сгорания. Кроме того, топливные свойства мусора сильно изменяются в течение года. Средняя теплота сгорания достигает максимума зимой и минимума летом. Наибольшее влияние на этот показатель оказывает содержание влаги. Средняя теплота сгорания мусора составляет около 6300 кДж/кг.

При сжигании мусора расходуется большое количество кислорода воздуха, которое значительно увеличивается при повышении в мусоре доли пластмасс. Даже сложное и дорогостоящее очистное оборудование, применяемое на мусоросжигательных заводах, не исключает опасности загрязнения атмосферы вредными выбросами.

От сжигания мусора образуется остаток в виде шлака, масса которого составляет 15 - 25 % исходного мусора. Таким образом, значительная часть мусора остаётся не уничтоженной и вывозится на обычные свалки. Шлак от сжигания мусора содержит растворимые в воде минеральные и органические вещества, которые загрязняют почвы и грунтовые воды.

Существует ряд конструкций топок для сжигания мусора. Вне зависимости от конструкции топка должна обеспечивать:

хорошее перемешивание частей мусора для усреднения состава и выравнивания процесса горения;

перемещение составляющих мусора и его отдельных порций для обеспечения процесса воспламенения доступа воздуха в слой;

поддержание достаточно высоких температур, гарантирующих воспламенение и устойчивое горение мусора;

дожигание газообразных и твёрдых продуктов неполного сгорания мусора.

Мусоросжигание применяется в основном в следующих случаях: при содержании в бытовых отходах менее 30 % активного органического вещества (например, остаток разделения мусора при компостировании), при отсутствии гарантированных потребителей компоста, в условиях повышенных санитарных требований к обезвреживанию отходов. Также в крупных городах строят мусоросжигательные заводы в центре города и при этом выигрывают на транспорте отходов и на экономии земляных ресурсов. Но в данном случае очень большие затраты ложаться на долю очистных сооружений.

Также развивается направление маленьких мусоросжигательных установок, которые могут устанавливаться как в квартирах, так и на целые дома. Основная же проблема в данном случае опять таки состоит в очистке дымовых газов, а также в контроле за этим. Большое развитие это направление получило в Австралии и Новой Зеландии.

1.4. Анализ технологической схемы утилизации ТБО осуществлённой на Минском ОЗПБО

В 1978 году был построен Минский опытный завод по переработке бытовых отходов (МОЗПБО) и в 1986 году он был реконструирован и расширен. При этом в качестве основного объекта-аналога был принят действующий в г. Санкт-Петербурге опытный завод механизированной переработки бытовых отходов. Основными производственными процессами которого являются биотермическая переработка ТБО и сжигание некомпостируемых бытовых отходов (НБО).

За основу принят технологический процесс с биотермической переработкой ТБО в биобарабанах КМ 102А (4*60) совместно с механически обезвоженным ОСВ Минской станции аэрации, с сепарацией чёрных и цветных металлов, стекла и полиэтиленовой плёнки, а также со сжиганием некомпостируемых частей и частичным сжиганием исходных бытовых отходов для получения тепла в виде пара.

Технологическая схема утилизации твёрдых бытовых отходов на Минском опытном заводе по переработке бытовых отходов представлена на чертеже 1.

Мусоровозы въезжая на разгрузочную эстакаду выгружают отходы в приёмный бункер ТБО. На заводе имеется два приёмных бункера с пластинчатым питателем и один бункер для резервирования, из которого отходы переносятся в приёмный бункер грейферным мостовым краном. С пластинчатого питателя отходы попадают на ленточный конвейер, по которому загружаются в биобарабан. Для каждого конвейера установлено 2 биобарабана, которые загружаются по очереди.

После загрузки барабан начинает вращаться. Отходы находятся в биобарабане около 2 суток. При этом происходит их обезвреживание за счёт саморазогревания, так как происходит аэробный процесс разложения отходов. Температура отходов поднимается примерно до 50 60 С. Кроме того, в течении этого времени компостная масса истирается и измельчается.

Далее после выхода компостной массы из биобарабана, она по ленточному конвейеру попадает на грохот, где разделяется по фракционному составу. Мелкая фракция в которую попадают измельчённые пищевые продукты и бумага, мелкие отходы, измельчённое стекло и т.д. идёт на металлический сепаратор, далее на сепаратор для стекла, после чего дополнительно дробиться и складируется на полях дозревания компоста.

Крупная фракция, состоящая, в основном, из пластика, полиэтилена, ветоши, металлических предметов и прочих неорганических отходов попадают в приёмный бункер мусоросжигательной установке, куда добавляются ещё и свежие бы