Перспективы использования технологий переработки биомассы энергетическим комплексом Украины

Украина обладает значительным потенциалом отходов биомассы растительного и животного происхождения, который можно использовать в энергетических целях.

Основным источником БМ в Украине являются отходы сельскохозяйственного производства и древесная биомасса.

Потенциал БМ доступной для энергетического использования составляет около 5% общего потребления первичных энергоносителей в Украине (в 1995г. - 226,3 млн. т у.т. и планируется в 2010г. - 320 - 330 млн. т у.т. - общее потребление первичных энергоносителей).

Необходимо отметить, что по структуре потенциала БМ для получения энергии Украина близка к одному из европейских лидеров в этой области - Дании. Украина является одной из наименее обеспеченных лесом европейских стран. Средняя ее лесистость составляет 14,2% территории, а в некоторых степных областях не превышает и 1% (в Дании - около 12%).

Технологии получения энергии из БМ находятся в Украине в начальной стадии их развития и использования.

Наиболее перспективными технологиями для коммерческого использования БМ в Украине являются:

котлы для сжигания древесных отходов и газификационные установки по их переработке, установленные непосредственно на предприятиях деревообрабатывающей промышленности с целью выработки тепла (от 0,5 до 5,0 МВт_т);

соломосжигающие установки фермерского типа для выработки тепла (0,1-1,0 МВт_т), тепловые станции (1-10 МВт_т) и станции КТЭ (1-10 МВт_э);

биогазовые установки, установленные на крупных свиноводческих фермах и фермах крупного рогатого скота.

3.1 Сжигание древесины в Украине с целью получения тепловой и электрической энергии

При сжигании древесины в энергетических целях следует учитывать следующие аспекты применения оборудования для сжигания БМ:

котлы для домашнего использования с предварительной газификацией древесины позволяют автоматизировать процесс горения и управлять им, но требуют достаточно сухого сырья (влажностью до 20%);

в котлах с предтопком возможно сжигать щепу с высокой влажностью (до 55%), но возникают проблемы при сжигании относительно сухого топлива (влажностью до 20%), связанные с перегревом и повреждением футеровки предтопка;

котлы со встроенным стокером и водоохлаждаемыми стенками топки хорошо подходят для сжигания сухого топлива (влажность 30-35%);

более крупные тепловые станции, сжигающие древесную щепу, как правило, оборудованы котлами с футерованными топками и цепными, вибрационными или наклонно-переталкивающими колосниковыми решетками, позволяют сжигать щепу влажностью до 60%;

котлы с кипящим слоем получили наибольшее распространение на достаточно крупных станциях для выработки электроэнергии.

Физико-техническим институтом низких температур НАН Украины (г. Харьков) разработана технология получения газогенераторного газа из отходов деревообрабатывающей промышленности для дальнейшего применения в качестве горючего и силового газа в энергопотребляющих установках (топки котлов, сушильные агрегаты, двигатели внутреннего сгорания и т.д.). Энергоустановки, в состав которых входят газогенераторы, имеют более высокий к.п.д. по сравнению с энергоустановками с прямым сжиганием твердого топлива.

На рис. 6 приведена схема газогенераторной установки (ГГУ), разработанная для КП «Киевский ДОК». ГГУ перерабатывает отходы деревообработки влажностью до 40%. Загрузка сырья и выгрузка золы производится пневмотранспортом. Производительность ГГУ по перерабатываемому сырью - 25 - 30 т/сутки. Из 1 кг древесных отходов вырабатывается 1,6 - 1,7 нм³ генераторного газа с теплотворной способностью 5,0 - 6,2 кДж/нм³ при требуемом расходе воздуха 0,6 - 0,7 нм³ на 1 кг отходов.

Пребполагается использование генераторного газа для сжигания в топке котла с помощью горелки, разработанной для этой цели. В дальнейшем получаемый газ будет использоваться в силовой установке, работающей на электрогенератор, а выхлопные газы силовой установки будут дожигаться в котле-утилизаторе для выработки пара для технологических нужд.

В качестве топлива для получения генераторного газа наряду с древесными отходами можно использовать низкосортный уголь, торф, отходы переработки сельскохозяйственной продукции (лузга, костра и т.п.), отходы рынков, бытовые отходы и т.п.

Рис. 6. Схема газогенераторной установки: 1-воздуховод подачи топлива; 2- задвижка; 3 - воздуховод для подачи воздуха в верхнюю зону ГГ; 4- твердое топливо; 5- внутренняя стенка корпуса ГГ; 6- наружная стенка; 7- колосниковая решетка; 8- трубопровод для отвода ГГГ; 9- трубопровод золоудаления с заслонками; 10- циклон; 11- бункер; 12- задвижка для выгрузки золы; 13- воздушные заслонки; 14- отверстия для подвода воздуха под колосниковую решетку; 15- крышка; 16- стойки; 17- клапан с трубопроводом золоудаления; 18- труба для свечи; 19- клапан свечи.

Технические данные газогенератора приведены в табл.16.

Таблица 16. Технические данные газогенератора

С экологической точки зрения применение данного газогенератора позволяет свести до минимума выбросы сернистого ангидрида и уменьшить выбросы тяжелых металлов.

СП «Ройек - Львов» разработаны энергетические комплексы автоматического сжигания отходов древесины, предназначенные для обогрева горячей водой производственных помещений и сушильных камер деревообрабатывающих и мебельных предприятий, лесных и сельских хозяйств, жилых помещений, теплиц.

Для сжигания используются отходы древесины (тырса, стружка, кора и кусковые отходы размером до 30 мм) влажностью 30-50%. Топливо газифицируется в газогенераторе системы сжигания с дальнейшим сжиганием в топке водогрейного котла.

Ниже приведены технические характеристики используемых систем сжигания (табл.17).

Таблица 17. Технические характеристики системы сжигания.

*- СС-100 и СС-250 изготавливаются СП «Ройек-Львов»

Тип котла - водогрейный или паровой соответствующей мощности. КПД комплекса - 70%. Себестоимость получаемого тепла СС-100 - 38,2 грн/Гкал, СС-250 - 18,5 грн/Гкал. Срок окупаемости СС-100 - 10 месяцев, СС-250 - 4 месяца (по данным Львовэнергопроекта).

Существует высокоэффективная технология УкркомунНИИпрогресс для получения биогаза и его использования в качестве моторного топлива для двигатель-генераторов на базе современного высокоэффективного отечественного дизеля типа Д100. Общий КПД установки превышает 80%.

Технические данные:

электрическая мощность - 1 МВт;

напряжение - 6(10) кВ;

частота тока - 50 Гц;

тепловая (рекуперированная мощность) - 1.27 Гкал/ч.

В настоящее время сжигание биомассы с целью выработки тепла осуществляется в котле ДКВР - 4/13 ст. №3 Керченского КХП (топливо - рисовая лузга). Разработана система автоматического регулирования подачи горючих отходов в топку котла (фирма «ТЕМС», Киев). АО «Научно-технологический институт транскрипции, трансляции и репликации»

г. Харьков разработана котельная установка мощностью 100 кВт, топливом для выработки тепла в которой могут быть как твердое топливо (антрацит, каменный уголь, дрова), так и полутопочные и генераторные газы (при работе с предтопком) и шелуха полсолнечника, стеблевая масса подсолнечника и кукурузы.

ЗАО «Украинские теплогенераторы» (г. Киев) разработаны воздухонагревательные печи (до 1000м³/ч и температурой до 160 ^оС), работающие на древесных отходах, горючем мусоре, угле.

ЗАО «Киевавтоматика» разработана техническая документация установки тепловой контактной (УТК) для получения горячей воды, парогазовой и газовоздушной смесей, которые могут быть использованы в системах отопления и горячего водоснабжения зданий и сооружений, пропарки строительных материалов, сушки материалов и изделий (топливо -природный газ).

АТ «Завод металл» г. Сумы разработан конвективный агрегат «Энергия» - калориферная печь, рассчитанная на использование отходов, например, профильного дерева, деревянных отходов и т.д., но без пластмассовых покрытий. Мини - печь обеспечивает 4,5 м3/мин теплого воздуха.

Специалистами СПКБ «Цемент» (г. Харьков) и АО «Кавказцемент» (г. Черкесск) разработан и внедрен способ и устройство для сжигания изношенных автопокрышек и других горючих отходов во вращающихся печах, получивших название - установка «Пеликан», позволяющая уменьшить расход основного природного технологического топлива в зоне горения (спекания) и соответственно снизить тепловое напряжение в ней (до 25% за счет сжигания автопокрышек в зоне декарбонации).

3.2 Использование соломы в энергетических целях

При использовании соломы в энергетических целях наиболее перспективными для дальнейшего развития являются следующие технологии сжигания соломы:

котел для совместного сжигания соломы и угля (находится в стадии технического развития). Основные трудности данной технологии связаны с коррозией пароперегревателя и трудностью использования получаемой смеси золы и соломы;

установка, состоящая из двух котлов (1). В первом сжигают солому и вырабатывается пар умеренной температуры. Во втором котле сжигают традиционное топливо (уголь, природный газ, нефть). Преимущество такой технологии в раздельном получении золы соломы и угля при приемлемой коррозии элементов оборудования. Недостатком является небольшой КПД выработки электроэнергии;

установка, состоящая из двух котлов (2), в первом из которых сжигают солому и вырабатывается пар высокой температуры, а во втором - сжигается традиционное топливо (находится в стадии технического развития). Преимущества те же, что и в технологии (1) плюс высокий КПД выработки электроэнергии;

соломосжигающая станция КТЭ с противодавлением. Преимущество такой технологии - умеренный уровень коррозии элементов оборудования. Недостатки - низкий КПД выработки электроэнергии и высокие капитальные затраты.

В настоящее время в Украине выпускается и используется сельскохозяйственное оборудование для формирования соломенных брикетов различного типоразмера (в т.ч. для энергетического использования).

В селе Дрозды Белоцерковского района Киевской области введена в действие первая в Украине котельная, работающая на соломе.

3.3 Развитие технологии получения биогаза в Украине

Среди технологий использования БМ в энергетических целях технологии газификации БМ достигли высокого уровня развития и воплощения на лабораторном и пилотном уровне (в Европе).

Однако, в Украине в настоящее время не существует оборудования типа «пиролизер + ДВС» и «газификатор + ДВС» отечественного производства.

Технологии быстрого пиролиза БМ практически неизвестны в Украине. Наиболее перспективными для Украины представляются технологии абляционного пиролиза для использования в составе транспортных установок (производительность - 50 - 200 кг/ч) и технологии быстрого пиролиза в двух реакторах кипящего слоя для использования в составе стационарных установок (производительностью по сырью 1 - 5 т/ч).

Одним из вариантов решения энергетических и экологических вопросов в животноводстве агропромышленных комплексов является утилизация и переработка отходов базирующаяся на процессе анаэробного брожения, реализуемых в установках типа «Биогаз».

Продуктами распада органического вещества являются:

биогаз (65 - 70%), используемый как топливо в газовых котлах, двигателях внутреннего сгорания транспортных средств и при производстве электроэнергии, при сжигании 1м³ биогаза вырабатывается энергия, эквивалентная 1,6 - 2,0 кВт электроэнергии или количество тепла, выделяемого при сжигании 0,7 м³ природного газа, 0,65 л дизельного топлива, 0,75 литра бензина с октановым числом 76 - 80;

обезвоженный шлам (влажность 65 - 70%), обеззараженные и дезодорированные высокоэффективные органические удобрения для непосредственного внесения в почву;

жидкие обеззараженные и дезодорированные стоки (1 - 1,2% сух. вещества), пригодные для орошения.

Фирмой «Альтек» разработаны реакторы для г.г. Васильков (V=2м³/сут.) и Каменец - Подольск (V=100м³/сут.) для переработки отходов поголовья птицы, свиней и крупного рогатого скота с целью получения биогаза с составом - 70% СН₄ и 30% СО₂ с дальнейшим использованием последнего для собственных нужд хозяйств (выработка электрической энергии, отопление и т.д.)

Существующая установка «Биогаз-301С» предназначена для обезвреживания отходов свинофермы с поголовьем 3000 свиней.

Производительность установки:

по перерабатываемому сырью, м³/сутки - 30;

по биогазу, м³/сутки - 350 - 400;

по обезвоженному шламу, т/сутки - 5 -6;

по стокам, м³/сутки - 25.

Давление биогаза, мм.в.ст. - 200 - 400.

Температура ферментации , ^оС - 52 - 55.

Емкость метантенка, м²:

общая - 310;

рабочая - 300.

Занимаемая площадь, м² - 400.

Масса оборудования, т - 103.

На рис. 7 представлена технологическая схема установки, монтируемой на свиноферме компании Агро-Овен в с. Еленовка, Магдалиновского района, Днепропетровской обл. (оборудование компании BTG , Нидерланды).

Новизной данной установки является:

бетонные метантенки совмещены с пленочным газгольдером;

применена система десульфации биогаза;

высокоэффективная теплообменная аппаратура ;

установка обезвоживания, позволяющая получить удобную для хранения и использования в качестве удобрения твердую и жидкую фракции.

Рис. 7. Технологическая схема установки

При переработке 80 м3/сутки свиного навоза с содержанием твердых веществ 11,6% установка позволяет получить:

органические удобрения эквивалентные приблизительно 160, 90 и 65 т/год азота, фосфора и калия, соответственно;

биогаза 3300 нм³/сутки.

В общем виде для агропромышленного комплекса схема перерабатывающего комплекса может быть представлена в следующем виде (рис.8).

Переработанный продукт после процесса метанового брожения сельскохозяйственных отходов содержит значительное количество питательных веществ и может быть использован в качестве удобрения и кормовых добавок.

Основное преимущество метанового брожения заключается в сохранении в органической или амонной форме практически всего азота, содержащегося в исходном сырье.

Образующиеся при этом гумусные материалы улучшают физически свойства почвы, улучшаются аэрация почвы и скорость катионного обмена, повышается водоудерживающая инфильтрационная способность почвы при увеличении урожайности на 15 - 20%.

Остаток метанового брожения перерабатывают на кормовые добавки - кормовой белок - по питательности превосходящий муку семян хлопчатника, а также существует технология получения кормовой добавки витамина В₁₂.

Рис. 8 Схема перерабатывающего комплекса

Объединение УкрНДИагропроект разрабатывает технологии использования анаэробной переработки БМ и оборудования для их осуществления как для больших хозяйств (фермерских), так и для небольших индивидуальных хозяйств. За последние 5 лет созданы различные модификации таких установок в вертикальном и горизонтальном исполнении. Вертикальный реактор, углубленный в землю, сокращает расходы на изоляцию и нагрев содержимого (процесс идет при температуре 32^оС), но создает трудности при выгрузке отбродившей массы. Горизонтально расположенный над землей реактор не имеет такого недостатка, но требует механизации загрузки исходным сырьем в высоко размещенную загрузочную воронку. Реактор представляет собой трубу диаметром 1-1,2 м длиной 2,5-3 м (горизонтальный вариант), с торцов закрытую фланцами. Рабочее пространство реактора опущено до половины диаметра в емкость, заполненную водой с наличием системы труб с циркулирующей в них горячей водой для поддержания необходимой температуры сырья в реакторе. Реактор имеет загрузочную воронку, мешалку с 2-3 об/мин в течение 15 минут каждые 2-3 часа (реле времени), сливную трубу с шланговым затвором для выгрузки отбродившей массы и газоотводящую трубку, обустроенной грязеводоотделителем. Установка имеет газгольдер с плавающей крышкой и котел для поддержания теплового уровня в реакторе.

Установка , аналогичная приведенной выше, во время эксплуатации в г. Обухове Киевской области вырабатывала до 4м³/сутки, что обеспечивает хозяйственные нужды семьи из 4 человек.

Недостаток данной установки - стоимость (500-600 дол. США), что дорого для жителей села.

Специалистами ЗАО «Объединенная инжиниринговая компания» разработаны проекты промышленных установок на переработку отходов комплексов на:

2500 - 5000 голов свиней;

2500 - 5000 голов дойных коров;

500 голов свиней и 130 голов коров;

400000 кур.

В настоящее время специалистами компании разработана, изготовлена и прошла испытания малая биоэнергетическая установка «Биогаз - 6МГС2», предназначенная для фермерских хозяйств с поголовьем скота количеством 3-4 коровы, 10-12 голов свиней и 20-30 голов птицы. Производительность установки по биогазу составляет около 11 м3 в сутки, что позволяет покрыть потребности в отоплении помещений площадью 100 м2 и обеспечении горячей водой семьи из 5 человек.

Перспективным представляется применение в народном хозяйстве Украины технологии добычи и использования свалочного газа в энергетических целях.

В среднем на одного жителя Украины приходится 0,8-1,0 кг ТБО в сутки. Города Украины производят 40 млн. м³ (10 млн. т) ТБО в год. Около 90% их собирается и вывозится на 656 свалок, расположенных в 10-20 км и более от городов [20]. По оценке потенциала свалочного газа в Украине выход его равен 1,35 млрд. м³/год. Его энергетический потенциал - 0,9 млн. т у.т./год. При этом потенциал снижения выбросов парниковых газов со свалок составит 557 тыс.т/год метана, что эквивалентно снижению выбросов 11,7 млн.т/год углекислого газа [21]. Из-за достаточно низких тарифов на электроэнергию наиболее рентабельным будет использование свалочного газа для нужд промышленности, расположенной в непосредственной близости (5-10 км) от свалки (биогаз с обуховской свалки - котлы трипольской ГРЭС; биогаз с харьковских свалок - Змиевская ГРЭС).

3.4 Переработка твердых бытовых отходов на энергетических установках Украины

3.4.1 Прямое сжигание ТБО на заводе «Энергия»

Проблемы переработки ТБО очень актуальны для Украины. Одним из способов использования ТБО является их сжигание в энергетических установках с целью выработки тепла и электроэнергии. При переработке ТБО на мусоросжигающей установке (рис.9) завода «Энергия» (г. Киев) применяется метод прямого сжигания отходов с целью дальнейшего получения пара давлением 1,27 МПа, температурой 250^оС и производительностью 45 т/ч, идущего на бытовые нужды коммунального хозяйства.

Бытовые отходы из бункера отходов загружаются в загрузочную воронку, откуда толкателем направляются на колосниковую решетку, где и происходит сжигание отходов с дальнейшим удалением шлака.

Сжигание отходов осуществляется при помощи двух горелок (I I) “ SACKE” с регулированием расхода газа задатчиком от 50 до 600 нм³/ч. В зимнее время влажность ТБО более высокая и, поэтому дополнительно подводится тепло от 2 горелок (I) с расходом 1000 нм³/ч. Горелки (I I I) - стабилизирующие и работают с расходом газа 160 нм³/ч в зависимости от состояния мусора (летом - очень редко, а зимой - практически постоянно). Тепло отходящих газов используется в котле - утилизаторе для получения пара. При избыточном производстве пара последний накапливается в установке конденсаторов избыточного пара. Отработанные дымовые газы через дымовую трубу выбрасываются в окружающую среду. Калорийность мусора (в зависимости от состава) равна 1100 - 2400 ккал/кг.

Аналогичные заводы установлены в г.г. Харьков, Севастополь, Днепропетровск. Но по разным причинам не работают.

3.4.2 Перспективы переработки ТБО г. Коктебель

В настоящее время очень актуальной проблемой является переработка бытовых отходов курортных городов.

ГНПП «НИЦА» НПК «Киевский институт автоматики» предлагается следующая схема переработки ТБО г. Коктебель (рис.10): бытовые отходы со склада поступают на измельчитель отходов, откуда шнековым транспортером подаются в бункер сушки измельченных отходов. Сушка производится восходящим потоком дымовых газов. Из бункера измельченные отходы поступают во вращающуюся печь, где происходит их прямое сжигание. Образующиеся дымовые газы направляются в контактный теплообменник (абсорбер), где происходит утилизация тепла и очистка дымовых газов и нагрев поступающей в теплообменник холодной воды. Образующаяся при сжигании ТБО зола поступает в бункер золы, а затем на захоронение. Нагретая вода используется для бытовых нужд. Отработанные газы дымососом удаляются в окружающую среду через дымовую трубу.

Рис.9. Аксонометрический вид мусоросжигательной установки: 1- разгрузочное помещение; 2-бункер отходов; 3-мостовой грейферный кран; 4- загрузочная воронка; 5-подающее устройство (толкатель); 6-колосниковая решетка; 7-шлакоудалитель; 8-бункер шлака; 9-дутьевой вентилятор; 10-вторичное дутье; 11-котел-утилизатор; 12-станции гидропривода; 13-электростатические пылеуловители; 14-транспортер летучей золы; 15-дымосос; 16- дымовая труба; 17-установка конденсаторов избыточного пара; 18-установка подогрева F-X 250^oC;

Газовые горелки:I -рабочие (2х1000нм³/ч); II - средние (2х600нм³/ч); II - стабилизирующие (2х160нм³/ч).

Рис. 10. Структурная схема установки для сжигания ТБО

3.5 Очистка сточных вод от загрязнений на Бортнической станции аэрации

По энергопотреблению Бортническая станция аэрации (БСА) занимает одно из первых мест в г. Киеве.

Биохимический метод очистки сточных вод, применяемый на БСА, вследствие значительных затрат на строительство и устройство очистных сооружений является дорогим, однако по универсальности и глубине очистки от органических загрязнений, по расходам на эксплуатацию с этим методом очистки не могут конкурировать никакие другие методы.

На рис. 11 показана упрощенная технологическая схема биологической очистки сточных вод от загрязнений (не показаны устройства механической очистки, решетки и песколовки).

При очистке сточных вод наибольшие трудности возникают при обработке, утилизации и уничтожении ила - побочного продукта технологического процесса. После механической очистки сточные воды проходят через первичный отстойник, поступают в аэротенк, где осуществляется основная очистка от органических загрязнений. Для этого в аэротенки насосами подается активный ил и воздух воздуходувками. После вторичного отстойника очищенная до требуемого качества вода сбрасывается в водоемы. Сырой ил подлежит брожению в метантенках, где выделяется биогаз, используемый на нужды котельной.

Для обработки отложений на БСА применяется следующее оборудование: илоуплотнители, метантенки, газгольдеры, центропрессы, песковые и иловые площадки.

По данным за 2001 г. работа БСА характеризовалась следующими показателями:

1400,0 тыс. м³ сточных вод в сутки на очистку (при проектной мощности - 1800 тыс. м³/сут);

эффект очистки: поступающие стоки - 218 мг/л, после очистки - 11,4 мг/л (94,8% по взвешенным частицам);

по БСК₅ - 96,4% (поступающие стоки 135,1 мг О₂/л, после биологической очистки - 4,8 мгО₂/л).

Себестоимость очистки 1000 м³ сточных вод - 65,93 грн.

Расход электроэнергии - 172352,6 тыс. кВтч.

Удельный расход электроэнергии - 361,07 кВтч/м³.

За 1997 г. на метантенках обработано 890820 м³ сырых отложений и получено 8105800 м³ биогаза с калорийностью 5493 ккал/м³. Котельной израсходовано 8101725 м³ биогаза и 4690000 м³ природного газа и выработано 109128 т пара.

Отчетные данные работы БСА показывают, что на протяжении года имеет место отклонение от среднесуточных значений: количества сточных вод , поступающих на очистку 33% (независимый параметр), расхода воздуха на 43%, периода аэрации на 84%, дозы активного ила на 41%, снятой БПК₅ - 45%, концентрации растворенного кислорода - 99%. Следует подчеркнуть что приведенные отклонения не совпадают по времени.

Одним из обобщенных показателей качества очистки сточных вод является концентрация растворенного кислорода на выходе аэротенка. Приведенные выше отклонения концентрации растворенного кислорода свидетельствуют о том, что в аэротенки подается излишний воздух, устранение которого снижает расход электроэнергии, т.е. является источником энергосбережения.

3.5.1 Проблемы энергосбережения Бортнической станции аэрации

Основными причинами, вызывающими неудовлетворительную работу очистного комплекса являются: неоптимальное распределение жидкости, циркулирующего ила, воздуха, пара и газа между работающими установками; несвоевременное снятие остатков с решеток и неполное устранение отложений с песколовок, первичных отстойников; периодическое откачивание излишек ила; отсутствие контроля уровня ила во вторичных отстойниках, уплотнителях; резкое изменение температуры и недостаточное перемешивание осадка в метантенке. Наличие таких приборов как измеритель растворенного кислорода в сточных и природных водах, измеритель уровня ила и осадка в отстойниках, а также прозрачности воды, позволяет реализовать локальные системы управления сбросом очищенных вод, предотвращающими от "проскока" в водоемы неочищенных стоков.

Обследование БСА показало недостатки существующей технологии:

отсутствует точное распределение сточных вод, подлежащих очищению, по параллельно работающим аэротенкам. Это приводит к тому, что соотношение «сточная вода - воздух - активный ил» в расположенных рядом аэротенках отличается, что влияет на процессы биохимического очищения сточных вод (концентрации остаточного загрязнения и ила в жидкости, вытекающей из аэротенка, имеют разное значение).

перед поступлением жидкости из аэротенков во вторичные отстойники не происходит ее усреднение. Это явление приводит к разным значениям концентрации активного и излишнего ила для разных вторичных отстойников;

обратный ил, который поступает из вторичных отстойников в нижний и верхний иловые каналы перемешивается слабо, т.е. не осуществляется усреднение концентрации.

таким образом в системе аэротенки - вторичные отстойники имеют место внутренние возмущения, которые вызываются несовершенством технологического оборудования и почти полным отсутствием автоматизации.

Реализация современной системы автоматического регулирования соотношения «сточная - вода - воздух - активный ил устраняет такие указанные недостатки и гарантирует от проскоков в водоемы очищенных вод не удовлетворяющих санитарным нормам.

С точки зрения энергосбережения большой интерес представляют процессы, происходящие в аэротенках и метантенках.

Известно, что в аэротенках происходит окисление активным илом многих органических добавок и некоторых неорганических добавок сточных вод в условиях аэробиоза. Для микроорганизмов активного ила источником кислорода является дутьевой воздух, с помощью которого поддерживается соотношение микроорганизмы - кислород. Поэтому одним из источников энергосбережения является плавное управление производительностью воздуходувок и иловых насосов.

Воздух, подаваемый воздуходувками через воздухопроводы, расположенные на дне аэротенков, проходит в виде пузырьков через слой стоков. Время контакта пузырьков со стоками составляет 13 секунд, а для поглощения всего кислорода пузырьков необходимо около 2-3 минут. Поэтому, для обеспечения необходимой концентрации кислорода в аэротенках через сточные воды пропускают повышенное количество воздуха, излишек которого требует дополнительной электроэнергии. Наиболее рационально для автоматического регулирования соотношения «сточная вода - воздух» использовать частотно-регулирующие приводы (ЧРП) на насосах, подающих воздух и активный ил в аэротенки, чтобы обеспечить стабилизацию соотношения «сточная вода - воздух - активный ил».

Для ускорения биохимических реакций взаимодействующих сред необходимо их интенсивное перемешивание. По этой причине биохимические реакторы вместе с приводами имеют высокую металло- и энергоемкость.

В настоящее время за рубежом и в Украине предлагаются высокопродуктивные малогабаритные реакторы непрерывного действия, в основе которых используется явление кавитации. Кавитационный реактор обеспечивает контакт реагирующих веществ на молекулярном уровне, что существенно ускоряет химические реакции (завершаются практически в любом элементарном объеме смеси). Если испытания кавитационных реакторов на очистных сооружениях подтвердят их работоспособность, то отпадет необходимость использования воздуходувок и сооружения громоздких аэротенков.

Большой интерес с энергетической точки зрения представляет процесс получения биогаза в метантенках и его дальнейшее использование. В настоящее время на БСА эксплуатируется 3 - 4 метантенка (из 8 существующих).

Предварительный анализ показывает, что при нормальной эксплуатации очистных сооружений и метантенков биогаз калорийностью 5600-5800 ккал/м³ возможно получать в количестве, необходимом для обеспечения нужд котельной (при условии ее модернизации и автоматизации), что позволит отказаться от использования природного газа (частично или полностью) и вырабатывать добавочную электроэнергию, например, за счет газодизельной электростанции. Резерв для получения биогаза на БСА - использование около 40% сырых осадков, отправляемых на иловые площадки. Для автоматизации метантенков необходимо установить измерители расходов сырого ила, вырабатываемого биогаза, регулировать температуру и уровень бродильной массы.

При суточном потреблении 400 тыс. кВт.ч электроэнергии при производстве газогенераторами тепловой и электрической энергии на собственные нужды возможно экономить половину потребляемой электроэнергии (11 млн. грн.) и производить до 80 тыс. Гкал в час тепловой энергии, что полностью покроет потребности станции аэрации в отоплении и обеспечении горячей водой, а это еще плюс 2 млн. грн. ежегодной экономии. При этом, ожидаемый экономический эффект (по объемам затрат) «Киевводоканала» составит 16,5 млн. грн. в год

3.5.2 Автоматизация технологических процессов на БСА

Уровень автоматизации технологических процессов и диспетчеризации является определяющим фактором повышения экономических показателей работы любого предприятия. Поэтому внедрение автоматизированных систем управления технологическими процессами на очистных станциях очень актуальная проблема в настоящее время.

Предлагаемая диспетчерская система (рис.12) включает в себя два уровня автоматизации:

нижний - локальные системы на базе программируемых контроллеров, обеспечивающих автоматический контроль и регулирование технологических параметров очистки сточных вод;

верхний- диспетчерская станция, осуществляющая контроль работы очистных сооружений, а именно:

расходов сточных вод, поступающих на очистку;

расходов электроэнергии, пара, газа, горячей воды;

автоматизированный контроль и регулирование уровней и температур сред в очистных сооруженях;

дистанционное управление агрегатами очистки сточных вод и др.

Диспетчерская аппаратура позволяет максимально повысить качество контроля и управления процессом, иметь обобщенную информацию о работе очистных сооружений, уменьшая вероятность появления ошибок субъективного характера.

Нижний уровень автоматизации позволит осуществить:

связь программирующих контроллеров с аппаратурой КИПиА, установленной по месту;

выполнение запрограммированных задач управления, например, непрерывными и периодическими технологическими процессами, электродвигателями, блокировками;

обеспечение связи «диспетчер-система» при отказе диспетчерской аппаратуры и т.п.

Использование предлагаемой диспетчерской системы управления позволяет создать на базе собранной информации математическую модель процесса очистки сточных вод и тем самым перейти к оптимальному управлению по критерию минимума себестоимости очистки единицы объема сточных вод.

Выводы и рекомендации

Потенциал биомассы для энергетического использования составляет 5% от общего потребления первичных энергоносителей в Украине. По структуре потенциала для получения энергии Украина близка к одному из европейских лидеров в этой области - Дании.

Наиболее перспективными технологиями для коммерческого использования биомассы в Украине являются:

котлы для сжигания древесных отходов и газификационные установки по их переработке, установленные непосредственно на предприятиях деревообрабатывающей промышленности с целью выработки тепла (от 0,5 до 5,0 МВт_т);

соломосжигающие установки фермерского типа для выработки тепла (0,1- 1,0 МВт_т), тепловые станции (1 - 10 МВт_т) и станции КТЭ (1 - 10 МВт_э);

биогазовые установки, установленные на крупных свиноводческих фермах и фермах крупного рогатого скота;

установки абляционного пиролиза для использования в составе транспортных установок (производительностью 50 - 200 кг/ч);

установки быстрого пиролиза в двух реакторах кипящего слоя для использования в составе стационарных установок (производительностью по сырью 1 - 5 т/ч);

установки биологической очистки сточных вод от загрязнений.

С экономической точки зрения определяющим фактором повышения эффективности технологических процессов переработки биомассы является уровень их автоматизации. Применение автоматизированных систем управления позволит перейти на качественно новый уровень управления процессами, что позволит создать математическую модель процессов переработки биомассы и перейти к оптимальному управлению по критерию минимума себестоимости конечного продукта производства.

Список литературы

Hall D.O., House J. Biomass as a Modern Fuel // Environmental Impacts of Bioenergy. IEA Bioenergy Agreement Seminar, September 1993, Shekkersten, Denmark, p.81-114.

Перспективы использования в Украине современных технологий термохимической газификации и пиролиза биомассы /Г.Г. Гелетуха, Т.А. Железная, И.И. Борисов, А.А. Халатов // Пром. теплотехника. - 1997 - Т.19, №4-5 - с. 115-120.

Dominioni F.C. The White Paper // Renewable Energy J. -1997.-N7.-p. 7-10.

Obernberger I. Decentralized Biomass Combustion. State of the Art and Future Development // Biomass and Bioenergy. - 1998. -Vol.14, N1. - p.33-56.

Обзор современных технологий сжигания древесины с целью выработки тепла и электроэнергии. Часть 1/ Г.Г., Гелетуха, Т.А. Железная, //Экотехнологии и ресурсозбережение. - 1999. - №5. - с.3-12.

Обзор технологий сжигания соломы с целью выработки тепла и электроэнергии./ Г.Г. Гелетуха, Т.А. Железная.// Экотехнологии и ресурсозбережение - 1998.-№6.-С.3-11.

Обзор технологий газификации биомассы. Г.Г. Гелетуха, Т.А. Желуная. Экотехнологии и ресурсозбережение. -1998.- №2.-С.21-29.

Обзор технологий генерирования электроэнергии, полученной из биомассы при ее газификации. / Г.Г. Гелетуха, Т.А. Железная. Экотехнологии и ресурсозбережение. -1998.-№3.- С.3-11.

9. Обзор современных технологий получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом. Часть 1./ Г.Г. Гелетуха, Т.А. Железная. //Экотехнологии и ресурсозбережение. 2000.-№2.-С.3-10.

10. Обзор современных технологий получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом. Часть 2/ Г.Г. Гелетуха, Т.А. Железная. //Экотехнологии и ресурсозбережение. 2000.-№3.-С.3-11.

Ринок інсталяційний. 5.1998. С.26-27

Биомасса как источник энергии./ Под ред. С. Соуфера, О. Заборски.- М.:Мир,1985.- 368С.

Korpіlahti A. Successful Development in the Production of Wood Fuel // Bioenergia.-1996.-N2. - p.9-11.

Christiansen R. Combustion of Bio - fuels for the Production of Heat and Power // Proc. of the Europ. Seminar BIOWATT, Milan, Italy, 4-5 Oct., 1993. - Milan, 1993.-p.531-556.

Nikolaisen L., Nielsen C., Larsen M.G. Straw for Energy Production. Technology - Environment - Economy - Aarhus: EN-TRYK 1992 - 46p.

J. van Doorn, Bruyn P., Vermeij P. Combined, Combustion of Biomass, Municipal Sewage Sludge and Coal in an Atmospheric Fluidised Bed Installation // Proc. of the 9^th Europ. Bioenergy Conf., Copenhagen, Denmark, 24 - 27 june, 1996. - Pergamon, 1996. - Vol.2.- p.1007-1012.

Brown M.D., Baker E.G. Mudge L.K., Evaluation of Processes for Removal of Particulates Tars, and Oils from Biomass Gasifier Product Gases // Proc. of 10^th Conf. Energy from Biomass and Wastes, Chicago, 1987. - Chicago, 1987.- p.655-675.

Bridgwater A.V. The Technical and Economic Feasibility of Biomass Gasification for Power Generation // Fuel.-1995 - Vol. 74, N5. - p.631-653.

Gendedien A. The Global Concept of Landfill gas Exploitation - Brussels: ECSC - EEC-EAEC, 1992 - 29p.

Сигал И.Я., Кирилюк Н.И., Домбровская Э.П., Проблема мусоросжигания в Украине // Экотехнологии и ресурссбережение. - 1997 - №1 C.64-68.

Обзор технологии добычи и использования биогаза на свалках и полигонах твердых бытовых отходов и перспективы их развития в Украине./ Г.Г. Гелетуха, З.А. Марценюк // Экология и ресурсосбережение - 1999. - №4. - C.7-14.

Размещено на Allbest.ru