Принципиальные схемы производства тепловой энергии из сельскохозяйственных и городских отходов
Сельскохозяйственные отходы, животноводческие п растительные: навоз, солома, отходы сахарного тростника являются хорошим сырьем для производства искусственного газообразного и жидкого топлива. Основным процессом превращения сельскохозяйственных отходов и горючий газ, содержащий метан и двуокись углерода, и в метиловый и этиловый спирты является сбраживание органических отходов. При производстве метана из отходов животноводческих ферм в качестве побочного продукта образуются водоросли, содержащие до 45—50% ценных кормовых ингредиентов (протеина и аминокислот).
Технология переработки отходов животноводства (навоза) в метан сводится к разбавлению их водой (рис. 2.9) в приемном резервуаре 2, выделению из них песка и других минеральных примесей 3 и сбраживанию обводненных отходов в метатенке 5 (устройстве для сбраживания отходов) в условиях их постоянного перемешивания при температуре до 60 °С. Образующийся газ сжимается в компрессоре 7 и направляется в аппарат разделения СН4 и СО2- Метан направляется на производство тепловой энергии 9 путем его сжигания, а двуокись углерода 10 — на питание водорослей в бассейне 11. Стоки, обработанные в метатенке 5, подаются на центрифугу 12 обезвоженный осадок и водоросли направляются на кормоприготовление, а жидкие стоки из центрифуги — фугат — в бассейн 11 для выращивания водорослей и на разбавление исходных отходов в приемный резервуар 2. Таким образом утилизируются все побочные продукты процесса сбраживания отходов: двуокись углерода СОг и твердый остаток процесса.
Аналогично происходит переработка растительных отходов. В случае необходимости метан легко перерабатывается в спирты, являющиеся хорошей присадкой к моторному топливу. Переработка сельскохозяйственных отходов методом сбраживания (ферментации) в биогаз при больших объемах их выделения является более эффективным методом их энергетического использования, чем, например, сжигание соломы, стеблей сахарного тростника и других отходов, имеющих невысокую влажность, а в ряде случаев — единственным способом их энергетического использования, например, зеленая растительная масса отходов сельскохозяйственного производства, навоз и др.
По мере концентрации населения в городах и крупных поселках все большее значение приобретает использование городских отходов для производства тепловой энергии. Основным направлением такого использования является организация сжигания отходов в специальных мусоросжигательных установках, а также в топках котлов тепловых электростанций в качестве присадки (до Ю %) к основному топливу. В среднем выделение бытовых отходов на одного жителя в городе составляет 440— кг, а в сельской местности — 170 кг в год. Таким образом, для города в 1 млн. чел. в год образуется 450 тыс. т отходов, что соответствует примерно 80—130 тыс. т Условного топлива.
Схема энергетического использования городских бы- ых отходов на мусоросжигательном заводе или установке (рис. 2.10), как правило, реализуется в одном здании, что обеспечивает соблюдение санитарно-гигиенических норм, установленных для города. Она включает: отделение приемки 1 и складирования 2 отходов, систему подачи 3 отходов в загрузочную воронку 6, сжигание отходов в топке котла с наклонной колосниковой решеткой 7. Установка позволяет также утилизировать параллельно с твердыми отходами городской шлам (высоковлажные тонкоизмельченные твердые отходы). Шлам предварительно обезвоживается механически в центрифугах 14 и затем через мельницу-сушилку 12 в подсушенном виде вводится в виде пыли над слоем горящих твердых отходов 10.
Сушильным агентом в мельнице-сушилке служат высокотемпературные продукты сгорания, которые отбираются в верхней части топочного объема, обеспечивая тем самым их рециркуляцию, что снижает образование вредных газообразных веществ при сжигании отходов. Продукты сгорания, выводимые из котла 11, подвергаются тщательной очистке, в том числе электро- или тканевых сепараторах (фильтрах) 15 с последующей мокрой очисткой в скруббере 19. Из скруббера 19 они выбрасываются в дымовую трубу 20. Котел 11 может быть паровым и водогрейным. Зола и шлак, образующиеся после сгорания отходов, собираются в шлакоприемник и затем отводятся в шлаковый бункер 4, из которого вывозятся за пределы завода.
Приведенными схемами не ограничиваются способы производства тепловой энергии из первичных источников включая горючие и тепловые отходы. Так по мере развития гидро- и атомной электроэнергетики, позволяющей получить электроэнергию с низкой себестоимостью при условии непрерывно возрастающих цен на органическое топливо и жестких требований к концентрации вредных выбросов с продуктами сгорания, в СССР уже начиная с 1970 гг. началось широкое использование электроэнергии для бытовых нужд — приготовления пищи и в ряде случаев для отопления. Перспективным является также применение для отопления и горячего водоснабжения тепловых насосов с использованием низкопотенциальной энергии массы поверхностного слоя Земли и близлежащих водоемов. Горением называется быстрый процесс экзотермического окисления горючего вещества, сопровождающийся выделением значительного количества тепловой энергии. Основой процесса горения является химическая реакция между окисляемым горючим веществом и окислителем— веществом, содержащим кислород или активные его соединения, с образованием его окислов. Горючим веществом могут быть: органическое топливо, некоторые металлы, углеводородные соединения и др.; окислителем — кислород, воздух (смесь 79 % азота и 21 % кислорода), перекись водорода Н2О2, некоторые кислоты, например HNO3, и др. Для того чтобы процесс горения произошел, необходимы наличие горючего и окислителя, контакт между ними на молекулярном уровне, тепловые условия, достаточные для протекания химической реакции с высокими скоростями. Таким образом, процесс горения— это многофакторный, сложный физико-химический процесс взаимодействия химических, тепловых и гидродинамических факторов.
Особенностями процесса горения, отличающими его от родственных процессов окисления, являются: 1) высокая температура; 2) быстротечность во времени; 3) как правило, неизотермичность и переменность концентраций компонентов по мере их взаимодействия; 4) изменение структуры и формы поверхности реагирования во времени. По своей природе горение — процесс, протекающий всегда при непрерывном подводе горючего и окислителя в зону горения и отводе газообразных продуктов сгорания из нее. В связи с этим независимо от технологии сжигания топлива закономерности горения горючего в среде окислителя являются объективно неизменными, определяющимися только начальными и граничными условиями его протекания.
