Болятко Екология ядерной и возобновляемой енергетики 2010

	Таблица 8.4
Состав типичных городских отходов
Компонент	Среднее содержание, масс. %
Бумажная смесь	45
Древесина	4
Текстиль	1
Пластмасса и резина	5
Пищевые отходы	25
Пыль и зола	7
Металлы	6
Стекло	7

По некоторым оценкам, для обеспечения рентабельности предприятия по производству энергии из отходов необходимо перерабатывать не менее 270 т отходов в сутки. Такие предприятия выгодно строить в крупных городах с населением 150–200 тыс. человек, получая при этом примерно 1015 кДж энергии в год.

Часто, прежде чем использовать твёрдые городские отходы в качестве топлива, их приходится обогащать: отделять металлы и стекло, производить осушку отходов и т.д. В результате обогащения теплота сгорания топлива, полученного из отходов, приближается к теплоте сгорания угля. В табл. 8.5 приводятся сравнительные расчёты стоимости выработки электроэнергии (в ценах 1980 г.) при сжигании отходов. Отметим, что в настоящее время затраты на простое сжигание 1 кг мусора составляют уже 65 центов, и если не переходить на другие технологии ликвидации отходов, то затраты будут только расти.

В России при переходе к рыночной системе хозяйствования старые методы использования вторичных материалов, являющиеся мощным фактором ресурсосбережения, перестали работать. В новых условиях не созданы пока условия, которые стимулировали бы сбор и использование вторичного сырья. Специализированные предприятия, занимавшиеся ранее переработкой вторичных материалов, частично перешли на другие виды деятельности, что привело к резкому сокращению сбора вторичного сырья.

221

В последнее время даже отстои сточных вод рассматриваются как один из видов твёрдых городских отходов, в которых содержание органической части может доходить до 70 %. В необработанном отстое содержится примерно 16 300 кДж/кг сухого вещества, что при современных темпах накопления отстоя городских сточных вод может дать до 1015 кДж/кг.

	Таблица 8.5
Стоимость утилизации твёрдых городских отходов
Способ утилизации	Стоимость, дол./т отходов
Мусорные свалки	15
Простое сжигание	20
Сжигание и выработка электроэнергии	24
Пиролиз	26,6
Анаэробное брожение	38,8

Однако практическое использование отстоя в качестве топлива вызывает существенные затруднения. Основная трудность состоит в том, что высокое влагосодержание не позволяет использовать отстой без осушки, на которую расходуется фактически вся выделяемая в процессе его горения энергия. Плюс затраты на предотвращение загрязнения окружающей среды.

Одним из наиболее эффективных методов получения энергии из отстоя городских сточных вод является производство метана путём анаэробного перегнивания отстоя. Но существующие установки для такого процесса эксплуатируются в основном для частичной обработки отстоя и уменьшения его объёма. А бóльшая часть метана теряется.

Растительные остатки состоят преимущественно из целлюлозы, содержащей углерод, могут быть подготовлены для производства из них энергии. Однако их ещё можно эффективно использовать для производства бумаги, повышения плодородия почвы и как вещества, разлагающие органические соединения в почве с целью повышения эффективности действия химических удобрений.

Растительные остатки могут оставаться на полях после сбора урожая или удаляться с поля вместе с урожаем. Последние составляют бóльшую часть отходов, которые поступают на перерабатывающие предприятия.

222

Возможность использования растительных остатков для производства энергии зависит от характера преобладающей культуры, которой засеиваются большие площади, и количества остатков, собранных с единицы посевной площади. Полевые культуры дают больше растительных остатков, чем овощные.

Количественно можно оценить массу собираемых растительных остатков для конкретной сельскохозяйственной культуры, умножив её полную массу на отношение сухой массы наземных остатков к массе собранного с полевой влажностью урожая. Для отдельных видов сельскохозяйственных культур эта величина меняется в пределах от 0,07 (свёкла) до 1,75 (пшеница).

Представленные численные значения зависят не только от вида культуры, но и условий её выращивания, способов сбора урожая и метода определения самой величины. Как правило, чем выше выход продукции с единицы площади, тем больше доля растительных остатков.

Основные характеристики растительных остатков – размер частиц, плотность, содержание влаги и золы. В основном все они относятся к относительно сухим культурам: содержание влаги в них составляет примерно 15 %. Теплота сгорания большинства остатков колеблется в пределах 11 500–18600 кДж/кг, а полная энергия, которую можно получить из растительных остатков, на примере США, может составлять до 1016 кДж/год.

Сезонность образования растительных остатков является отрицательным фактором, так как чтобы обеспечить равномерное использование отходов, приходится сооружать для них специальные хранилища, обеспечивая в них надлежащие условия хранения. Очевидно, что экономическая выгода в первую очередь будет зависеть от возможности переработки растительных остатков вблизи их сосредоточения.

Промышленные отходы также могут быть источниками энергии только в случае, если они являются органическими веществами. Поэтому для получения энергии наибольший интерес представляют отходы пищевой промышленности. Однако наличие большого количества влаги в них существенно ограничивает возможность получения тепловой энергии путём прямого сжигания отходов. Поэтому наиболее целесообразно использовать их для получения метана.

223

В целом отходы пищевой промышленности не представляют большого интереса для производства энергии, поскольку существует сильная конкуренция со стороны сельского хозяйства из-за возможности использования эти отходы в качестве корма для животных.

Продукция леса являлась основным видом топлива до конца XIX в., пока на смену древесине не пришли сначала уголь, а затем нефть и газ. Появление новых видов топлива, истощение лесов и потребность в сырье для производства бумаги и строительных материалов привели к резкому сокращению использования продуктов леса в качестве топлива.

С точки зрения дополнительных источников энергии [2] серьёзное внимание уделяется только двум видам отходов, образующимся в процессе производства древесной массы и бумаги: коре и отходящему ему чёрному щёлочному раствору. Этот раствор представляет собой жидкость, которая накапливается в процессе подготовки древесины и содержит большое количество растворённых органических соединений. Например, твёрдые вещества раствора содержат более 40 % углерода. Однако в этих растворах содержится также много различных загрязняющих веществ, что требует дополнительных расходов при эксплуатации регенерационного оборудования. Поэтому в настоящее время только несколько процентов от полного расходования продуктов леса используется в качестве топлива.

8.5.Неблагоприятные воздействия биоэнергетики на окружающую среду

Уровень загрязнения окружающей среды при сжигании соответствующего вида топлива существенно зависит от содержания в нём азота и серы. В деревьях содержание азота не превосходит 1,5 % и серы 0,1 %; в различных видах сельскохозяйственных культур содержание азота колеблется от 0,4 до 4,5 %, а серы – не более 0,2 %, что значительно меньше, чем в традиционном топливе – угле.

Однако неблагоприятные воздействия на объекты природной среды при энергетическом использовании биомассы имеют место. Наблюдаются выбросы твёрдых частиц, канцерогенных и токсич-

224

ных веществ, а также тепла. Происходят истощение и эрозия почв и накопление большого количества отходов.

При переработке отходов сельскохозяйственного производства необходимо соблюдение требований защиты окружающей среды:

•устранение эмиссии неприятных запахов при получении и хранении отходов;

•предотвращение загрязнения продукции и заражения людей

иживотных возбудителями болезней;

•предотвращение перегрузки почвы, воды и растений вредными веществами.

Окультуривание обширных пространств ведёт к существенному снижению поглощающей способности флоры планеты. Например, превращение торфяников Индонезии в плантации для получения пальмового масла снизило такую способность примерно в 400 раз. Производство биотоплива на соевой основе в Бразилии также приведёт к снижению поглощения диоксида углерода более чем в 300 раз. Чрезмерная расчистка земель приводит к значительному увеличению выброса углерода в атмосферу. С точки зрения смягчения глобального потепления конверсия земель для производства биотоплива чаще всего вредна, а в лучшем случае бессмысленна.

Вызывает беспокойство использование зерновых культур для производства спирта в качестве заменителя моторного бензина, поскольку из-за сокращения площадей пищевых культур может возрасти численность голодающего населения. В табл. 8.6 приводятся данные по площадям, необходимым для выращивания зерна на продовольственные нужды и производства топлива (спирта). Часто цитируется, что количества зерна, использованного для производства полного бака этанола для большой машины, было бы достаточно, чтобы прокормить одного человека целый год.

Таблица 8.6

Сравнительные размеры площадей, необходимых для производства продуктов питания и топлива

Показатель	Площадь, га
Полуголодный рацион питания	0,08
Обильный рацион питания	0,36
Европейский автомобиль (11300 км/год при 160 км/л)	1,32
Автомобиль США (16000 км/год при 100 км/л)	3,12

225

Не стоит забывать, что производство биотоплива приводит и к крупным проблемам, одна из которых – серьёзное истощение посевных земель вследствие применения большого количества химикатов и несоблюдения севооборота. В результате уже через 5–6 лет земли для выращивания продукции пищевого цикла станут не пригодными для этих целей.

Глобальное сельское хозяйство на сегодняшний день уже даёт пищу более 6 млрд человек, а дополнительная нагрузка будет способствовать разрушению экологической среды.

В табл. 8.7 показана степень риска, связанная с осуществлением лишь одного процесса – получения метанола из древесины. Метанол считается достаточно чистым топливом, однако риск, связанный с его производством, велик. В лесном и сельском хозяйствах число несчастных случаев выше, чем при добыче ископаемых видов топлива. Кроме того, работа с большими партиями древесины также характеризуется высокой степенью риска для рабочих, занятых в этих отраслях.

Другая проблема, связанная с выращиванием лесов для целей производства топлива, – уплотнение почвы колёсами тяжёлых машин, используемых для вывозки лесной биомассы. Уплотнение повышает сток, способствует эрозии и ухудшает условия роста корней. Кроме того, рассматриваются и социальные последствия: организация энергетических плантаций не может не изменить характера фауны, внешнего вида ландшафта.

		Таблица 8.7
Степень риска при производстве и использовании различных
	видов топлива [3]
Источник	Потери на произведённой энергии,
энергии	чел.-дн/100 ГДж
	производство	использование
Уголь	232	6381
Нефть	57	6095
Ядерная энергия	28	4,4
Природный газ	19	–
Метанол из древесины	4032	1,3

226

Несмотря на то, что некоторые биоэнергетические процессы представляют собой также методы удаления отходов, они неизбежно ведут к появлению других остатков, которые должны быть удалены. Производство биотоплива предполагает обработку большого количества органического вещества, вызывая образование новых твёрдых, жидких и газообразных отходов.

Европейская комиссия поставила задачу использовать к 2020 г. альтернативные источники энергии как минимум в 10 %, поддерживая использование биотоплива и других возобновляемых источников энергии в транспортном секторе. Однако жизнь внесла свои коррективы.

На волне удорожания нефти биотопливо рассматривалось как постепенно замещающий аналог бензина. Сырьевой ресурс производства биотоплива выглядел безграничным. В расчёт не принималось, что для производства одного литра биотоплива требуется более одного литра бензина, а расход двигателем топлива на основе этанола на 25 % превосходил расход бензина. Но в это время разразился глобальный экономический кризис.

Было предложено снижение динамики внедрения биотоплива до 0,5 % в год, а цель – 5 % – должна быть достигнута не ранее 2014 г., что на три года позже намеченного. Более того, дальнейшее внедрение обязано быть сопряжено с выполнением требования к компаниям применять продвинутые технологии, которые поддерживали бы использование топлива второго поколения.

Биотопливо второго поколения – это синтетическое топливо, получаемое из биомассы и имитирующее химические характеристики ископаемого топлива, что позволяет лучше интегрировать его в существующие топливные системы. Такое топливо можно производить с большей долей «деревянной» биомассы, например из соломы, а не самой кукурузы.

Лучшие виды биотоплива могут выделять в 10 раз больше энергии, чем израсходовано на производство, и при использовании таких видов биотоплива выделяется лишь четверть того количества парниковых газов, которое выделилось бы при использовании их ископаемых эквивалентов.

В отличие от лучших образцов биотоплива худшие требуют гораздо больше затрат энергии при производстве и выделяют много парниковых газов. Увеличение выбросов парниковых газов может

227

быть и не напрямую связано с самим топливом, увеличение выброса, например, происходит за счёт газов, выделившихся во время лесных пожаров, организованных для расчистки сельскохозяйственных площадей.

Пищевые ресурсы, используемые при производстве биотоплива первого поколения, могут успешно пойти на производство продуктов питания.

Необходимо учитывать непрямое влияние биотоплива на производство пищевых продуктов, разнообразие выращиваемых культур, цены на питание и площадь сельскохозяйственных земель. И хотя биотопливо гораздо более выгодно для окружающей среды, его использование имеет свои социальные и экономические последствия. В краткосрочной перспективе основные последствия будут включать более высокую потребность в зерновых культурах – соответственно можно ожидать и роста цен на продовольствие.

В большинстве стран биомасса используется в основном в виде дров и отходов растениеводства для отопления домов и общественных зданий, процессов сушки, получения пара и горячей воды. Поэтому важной задачей являются повышение эффективности используемого печного и котельного оборудования и его автоматизация. Энергоносители в сельской местности развивающихся стран используются преимущественно для приготовления пищи и нагрева воды. Сжигание биомассы, характерное для сельских районов, наносит значительный ущерб окружающей среде. В Индии от сжигания биомассы ежегодно поступает в атмосферу более 68 млн т диоксида углерода. Традиционные очаги для приготовления пищи имеют термическую эффективность 10 %. Оснащение усовершенствованными печами (термическая эффективность 30–35 %) обеспечивает экономию дров в три раза, тем самым замедляя процесс сведения лесов. В странах Азии и Африки существуют перспективные программы полной замены печей старой конструкции новыми, модернизированными, поскольку там остро стоят вопросы тяжелой интоксикации женщин и детей при приготовлении пищи, экономного расходования дефицитного в засушливых районах древесного топлива, уменьшения дымовых поступлений в атмосферу. Повсеместно установлены такие печи в Китае (180 млн печей, в среднем одна печь на 6–8 человек). Улучшенные печи пригодны как для приготовления пищи, так и обогрева помещений. В Индии

228

правительство на федеральном и региональном уровнях выделяет значительные субсидии для реализации программ по установке усовершенствованных печей. К концу 2000 г. в стране работало 33 млн таких печей. Использование улучшенных печей спасло от уничтожения более 13 млн т древесины в год.

В работе [4] мусоросжигательные заводы названы «производством по изготовлению отходов». Повсеместно существует заблуждение, что сжигаемый мусор просто исчезает. На самом деле он всего лишь видоизменяется. По большому счету, мусоросжигательные заводы (МСЗ) представляют собой производства по «изготовлению» токсичных отходов из сравнительно безопасных материалов. На МСЗ поступают твердые бытовые отходы (ТБО), содержащие тяжелые металлы, хлорорганические соединения и другие вредные вещества. Те же тяжелые металлы присутствуют в отходящих газах, золе, шлаках и других выбросах производства. Сжигание веществ, содержащих хлор, например поливинилхлорид (ПВХ), приводит к образованию новых хлорсодержащих веществ, таких как высокотоксичных диоксинов, которые также выбрасываются в атмосферу. Сжигание не решает проблему устранения токсичных веществ. Они трансформируются и часто становятся еще более токсичными, чем до сжигания.

К загрязняющим веществам в выбросах МСЗ относятся: диоксины, полихлорированные бифенилы (ПХБ), нафталины, хлорбензолы, ароматические углеводороды, летучие органические соединения, тяжелые металлы, в том числе ртуть, кадмий, свинец. Многие из этих веществ токсичны, не разлагаются и способны к накоплению в живых организмах. Эти свойства делают их наиболее опасными для окружающей среды. Некоторые из них вызывают онкологические заболевания и разрушают гормональную систему человека. Другие вещества, такие как диоксид серы (SO2) и диоксид азота (NO2), вместе с мелкими дисперсными частицами вызывают респираторные заболевания. Так, диоксины — это глобальные экотоксиканты, обладающие мощным мутагенным, иммунодепрессантным, канцерогенным, тератогенным и эмбриотоксическим действием. Они слабо расщепляются и накапливаются как в организме человека, так и в биосфере планеты, включая воздух, воду, пищу. Величина летальной дозы для этих веществ достигает 10−6 г на 1 кг живого веса, что существенно меньше аналогичной величи-

229

ны для некоторых боевых отравляющих веществ, например, для зомана, зарина и табуна (порядка 10−3 г/кг).

Повышенное содержание диоксинов было обнаружено в тканях одежды людей, проживающих в непосредственной близости от МСЗ, в Великобритании, Испании, Японии, Германии и некоторых других странах. Широкий спектр заболеваний был обнаружен у людей как работающих на мусоросжигательном производстве, так и живущих неподалеку. Это – рак (у взрослых и детей), заболевания дыхательной и сердечно-сосудистой систем, нарушение иммунитета, рост количества аллергических реакций и врожденных аномалий. Выводы многих исследований, и в первую очередь по онкологическим заболеваниям, касаются в основном старых технологий сжигания отходов. Однако даже самые современные технологии, введенные в действие в последние несколько лет, продолжают ассоциироваться с вредом, наносимым здоровью человека.

Поэтому во многих странах, в том числе в Европе, где количество отходов постоянно увеличивается, вводятся всё новые, более жесткие ограничения на их сжигание.

Контрольные вопросы и задания

1.Классификация биотоплива и его энергетические характеристики. Биотопливо 1-го и 2-го поколений.

2.Производство биомассы для энергетических целей.

3.Экологические показатели процессов переработки биомассы.

4.Чем отличается пиролиз от процесса обычного сгорания?

5.Определить объём биогазогенератора V и суточный выход

биогаза в установке Vсут, утилизирующей навоз от n = 18 коров, а также обеспечиваемую ею тепловую мощность N (Вт). Время цикла сбраживания T = 14 сут при температуре t = 25 °С; подача сухого сбраживаемого материала от одного животного идёт со скоростью

υ= 2 кг/сут; выход биогаза из сухой массы m = 0,24 м3/кг. Содержание метана в биогазе составляет 70 %. КПД горелочного устрой-

ства η = 0,68. Плотность сухого материала, распределённого в массе биогазогенератора, ρ = 50 кг/м3. Теплота сгорания метана при нормальных условиях Q = 28 МДж/м3.

230