Қалдықтарды энергияға айналдыру

Қалдықтарды энергияға айналдыру (ағылш. waste-to-energy, WtE) немесе Энергияны қалдықтардан өндіру (ағылш. energy-from-waste, Efw) — қалдықтардың бастапқы өңдеуінен электр және/немесе жылу түрінде энергия өндіру процесі болып табылады. Қалдықтарды энергияға айналдыру энергияны қалпына келтіру нысаны болып табылады. Қалдықтарды энергияға айналдыру процестерінің көбісі электр қуатын және / немесе жылуды қоқысты жағу арқылы тікелей шығарады, немесе метан, метанол, этанол секілді немесе синтетикалық отын секілді жанғыш отын тауарларын шығарады.

Тарихы

Алғашқы өртейтін зауыт немесе «деструктор» Альберт Фрайердің жобасы бойынша Manlove, Alliott & Co., Ltd. компаниясымен 1874-ші жылы Ұлыбританияда Ноттингем қаласында салынды. АҚШ-та алғашқы қалдықтарды өртейтін зауыт Нью-Йоркте, Говернорс аралында 1885-ші жылы салынған. Данияда бірінші қалдықтарды өртейтін зауыт Фредериксберг қаласында 1903 жылы салынды. Чехияда алғашқы нысан Брно қаласында 1905-ші жылы салынған болатын.

Қоқысты жағу

Қоқысты жағу, яғни қалдықтар секілді органикалық материалды жағу арқылы энергияны қалпына келтіру, қалдықтарды энергияға айналдыруды жүзеге асырудың ең көп таралған түрі. Қалдықтарды (қатты тұрмыстық қалдықтар, коммерциялық, өнеркәсіптік немесе қатты затты қалпына келтіруден алынған отын) жағатын ЭЫДҰ елдерінде барлық жаңа қалдықтарды энергияға айналдыратын зауыттар қатаң эмиссиялар нормативтерiне сай болуы керек, соның ішінде азот оксиді (NO₂), күкірт диоксиді (SO₂), ауыр металдар мен диоксиндер. Демек, қазіргі заманғы қоқысты жағу зауыттары осындай зауыттардың кейбірі энергия мен материалдардың ешқайсысын қалпына келтіре алмаған ескі түрлерінен әлдеқайда өзгеше. Қазіргі заманғы жағу зауыттары бастапқы қалдықтардың көлемін қоқыс құрамы және материалдарды қалпына келтіру дәрежесіне байланысты, мысалы, күлден металдарды қайта өңдеу, 95-96 пайызға азайтады.

Қазіргі заманғы ұсақ бөлшектер, ауыр металдар, диоксиндер мен қышқыл газ шығарындылары ескі зауыттарға салыстырмалы түрде төмен болса да, жағуға арналған қондырғылар осы шығарындыларды әлі де өндіруі мүмкін. Басқа алаңдаушылық танытатын мәселе қалдықтардың дұрыс басқарылуын қамтиды: қауіпті қалдықтарды жою қондырғысында қаралуы тиіс улы күлде, сондай-ақ, дұрыстап қайта өндірілуге тиіс өртейтін төменгі күл.

Сыншылар қалдықтарды жағуға арналған қондырғылардың бағалы ресурстарды жойып, қайта өңдеу ынтасын азайтуы мүмкін деп мәлімдейді. Бұл мәселе, алайда, шешімі табылмаған мәселенің бірі болып табылады, себебі Еуропада үлкен көлемде (70% дейін) қайта өңдейтін елдер, сонымен қатар қалдықтың көмілуіне жол бермеу үшін қалдықтарды өртейді.

Қалдықтарды жағуға арналған қондырғылардың электр тиімділігі 14-28% болып табылады. Энергияның қалған бөлігінің жоғалуына жол бермеу үшін, оны, мысалы, аудандық жылыту (когенерация) үшін пайдалануға болады. Когенерациялық қалдықтарды жағуға арналған қондырғылардың жалпы тиімділігі әдетте 80% -дан жоғары (қалдықтардың төменгі жылу беру құнының негізінде).

Тұрмыстық қатты қалдықтарды (ҚТҚ) энергияға түрлендіру үшін қалдықтарды жағуды пайдалану әдісі қалдықтарды энергияға айналдыру өндірісінің салыстырмалы түрде ескі әдісі болып табылады.

Жағу, әдетте, электр қуатын және үйлерде, бизнестерде, мекемелер мен салаларда қолданылатын жылуды жасайтын бу генераторларға қуат беретін суды қайнату үшін қалдықтарды (ҚТҚ, коммерциялық, өнеркәсіптік немесе қатты затты қалпына келтіруден алынған отын) жағу тәжірибесін меңзейді. Электр энергиясын жасауға ҚТҚ-ны жағумен байланысты бір мәселе – ластаушы заттардың қазандықтан шығатын түтін газдармен бірге атмосфераға ену мүмкіндігі. Бұл ластаушы заттар қышқыл болуы мүмкін және 1980 жылдары жаңбырды қышқылды жаңбырға айналдыру арқылы қоршаған ортаға залал келтіргендігімен сипатталады. Содан бері өнеркәсіп түтін мұржаларына әк скрубберлері мен электр-статикалық сүзгілерді пайдалану арқылы бұл мәселені шешті. Негізгі әк скрубберлер арқылы түтінді өткізу арқылы, түтінде болуы мүмкін кез келген қышқылдар бейтараптандырылады, бұл қышқылдың атмосфераға жетуін және қоршаған ортаға зақым келтіруінің алдын алады. Тағы басқа көптеген құралдар түрі де, мата сүзгілері, реакторлар және катализаторлар, басқа реттелетін ластаушыларды жоюға немесе қамауға қабілетті. New York Times келтірген деректерге сүйенсек, қазіргі заманғы жағу зауыттарының экологиялық тазалығы соншалықты, тіпті «қалдықты өртеуге қарағанда, қазіргі үй каминдері және аула барбекюларынан шығатын диоксиндер көптеген есе артық». Германия қоршаған ортаны қорғау министрлігінің ақпаратына сәйкес, «эмиссияға байланысты қатаң регламенттердің салдарынан, қалдықтарды жағу зауыттары диоксиндер, шаң және ауыр металдар шығарындылар тұрғысынан бұдан бұлай айтарлықтай қауіпті емес.

Өртеуден басқа қалдықтарды энергияға айналдыру технологиялары

Тікелей жағуды қолданусыз қалдықтар мен басқа да отындардан энергия өндіруге қабілетті болып табылатын өзге де жаңа және дамып келе жатқан технологиялардың бірқатары бар. Осы технологиялардың көбісінің бірдей отын көлемінен тікелей жағу әдісіне қарағанда көбірек электр қуатын өндіру әлеуеті бар. Бұның себебі, негізінен, түрлендірілген отыннан коррозиялық компоненттерді (күл) айырумен және сонымен жоғарырақ жағу температурасын қамтамасыз етумен байланысты, мысалы қазандықтарда, газ турбиналарында, іштен жағылатын қозғалтқыштарда, отын жасушаларында. Кейбіреулері энергияны сұйық немесе газ тәріздес отынға тиімді өзгертуге бейім:

Термалды технологиялар

• Газдандыру (жанғыш газ, сутегі, синтетикалық отын өндіреді)
• Термалды деполимеризация (әрі қарай тазартылуы мүмкін синтетикалық шикі мұнайды өндіреді)
• Пиролиз (жанғыш шайыр / биомай және ағаш көмірін өндіреді), қалдықтарды түрлендіру пиролизі
• Плазмалық доғалы газдандыру немесе плазма газдандыру процесі (ПГП) (отын жасушаларына немесе плазмалық доғаны, пайдалануға жарамды шыныланған силикат және металл құймаларын, тұз және күкірт жүргізу үшін электр энергиясын өндіруге пайдаланылатын сутегі және көміртек тотығын байытылған сингаз өндіріледі).

Термалды емес технологиялар

• Анаэробты ашыту (метанға бай биогаз)
• Ферменттеу өндірісі (оған этанол, сүт қышқылы, сутегіжатады)
• Механикалық-биологиялық тазарту (МБТ)
  • MBT + анаэробты ашыту
  • MBT + қатты затты қалпына келтіруден алынған отын

Әлемдік қалдықтарды энергияға айналдыру оқиғалары

2001–2007-ші жылдар аралығында қалдықтарды энергияға айналдыру қуаттылығы жылына шамамен төрт миллион метрикалық тоннаға артты. Жапония мен Қытай тікелей балқытуға немесе қатты қалдықтарды қайнату қабатында жағуға негізделген бірнеше зауыттар салды. Қытайда шамамен 50 қалдықты энергияға айналдыру зауыты бар. Жапония 40 миллион тоннамен әлемдегі ҚТҚ-ны термалдық өңдеудің ірі пайдаланушысы болып табылады. Жаңа зауыттар кейбірі стокер технологиясын пайдаланады, басқалары озық оттегі байыту технологиясын пайдаланады. Сонымен қоса, тікелей балқыту, Эбара флюидизация процесі және Термиялық таңдау JFE газдандыру және балқыту технология процесі сияқты біршама жаңа процестерді пайдаланатын жүзден астам термиялық тазарту зауыты бар. Грецияның Патрах қаласында, Грек компаниясы жай әлеует көрсететін жүйесін сынақтан өткізуді жақында ғана аяқтады. Ол жүйе ағынды судан 25кВатт электр қуатын және 25 кВатт жылу энергиясын өндіреді. Үндістанда елдің парниктік газдары мен қазба отынға тәуелділігін азайту мақсатында өзінің алғашқы энергия био-ғылым орталығы салынған. 2014-ші жылдың маусымына, Индонезияда жалпы 93.5 MВатт қуатты энергияны қалдықтардан өндіру зауытары және барлығы бірге 373 MВАтт қуатты мөлшерінде түрлі дайындық кезеңдеріндегі жобалар құбыры орналыстырылған еді.

Денвер Биоотын Энергетикалық Корпорациясы, CO 2008-ші жылдың шілдесінде Вуд Рива және Файрмонт қалаларында екі жаңа биоотын зауытын ашты. Бұл зауыттар механикалық көлік құралдарында және басқа да қозғалтқыштарда пайдаланылатын этанол жасауға дистиллят пайдалануға дистилляция процесін пайдаланады. Екі зауыт қазіргі уақытта 90% астам қуатымен жұмыс істеп жатқандығы туралы айтылады. Pleasanton, CA орналасқан Fulcrum BioEnergy incorporated қазіргі уақытта Рино, NV жанында қалдықтарды энергияға айналдыру зауыт құрылысын өткізіп жатыр. Зауыт Сьерра Биоотын Зауыты атаумен 2017-ші жылдың аяғында ашу жоспарланып отыр.

BioEnergy incorporated зауыты жылына шамамен 90 000 тонна ҚТҚ-дан 10,5 млн галлон этанол өндіреді деп болжап отыр. (Biofuels News)

Қалдықтарды энергияға айналдыру технологияларына целлюлоза қалдығын немесе органикалық материалдарды пайдалана отырып, биомассадан этанол жасауға қабілетті ферменттеу технологиясы жатады. Ферменттеу процесінде, шарап жасау үшін қолданылатын жалпы процесіндегідей, қалдықтар көміртек диоксиді мен спиртке айналдырылады. Әдетте ферменттеу ауа жетіспеушілігінде орын алады.

Этерификацияны, сондай-ақ, қалдықтардан энергия жасау технологияларын пайдалану арқылы жасауға болады және осы процестің нәтижесінде биодизель шығарылады. Этерификацияның құндылық тиімділігі пайдаланылатын шикізатқа және соған ұқсас тасымалдау қашықтығы, шикізаттағы мұнай көлемі секілді басқа да барлық тиісті факторларға байланысты. Газдандыру және пиролиз қазір жалпы 75%-ға дейін жылу түрлендіру тиімділігіне жетуі мүмкін (отын газға), алайда толықтай жағу отын айырбастау тиімділігі жағынан ең жоғары болып табылады. Кейбір пиролиз процестері газдандыру процесімен қамтамасыз етілетін сыртқы жылу көзін қажет етеді, сондай-ақ, аралас процесін өзін-өзі қолдайтын процесске айналдырады.

Көмірқышқыл газ шығарындылары [өңдеу]

Термалдық қалдықтарды энергияға айналдыру технологияларында, шамамен барлық қалдық құрамындағы көміртегі көлемі атмосфераға (СО2) ретінде шығады (пиролиз және газдандыру өнімдерін ақтық жағуын санағанда; тыңайтқышқа пайдаланатын био-көмір өндіруін қоспағанда). Қатты тұрмыстық қалдықтарды (ҚТҚ) шамамен көміртегі диоксидімен бірдей (27%) жаппай көміртегі фракциясын қамтуы мүмкін, сондықтан ҚТҚ-ның 1 метрикалық тоннасын өндеу (1,1 қысқа тонна) CO2-нің шамамен 1 метрикалық тоннасын (1,1 қысқа тонна) өндіреді.

Қалдықтарды қоқыс полигонына жіберген жағдайда, ҚТҚ-ның 1 метрикалық тоннасы (1,1 қысқа тонна) қалдықтардың биологиялық ыдырауға қабілетті бөлігінің анаэробты ыдырауы арқылы шамамен 62 кубтық метр (2200 кубтық фут) метан өндіреді. Метанның бұл көлемі қоқысты жағу арқылы өндірілетін CO2-нің 1 метрикалық тоннасынан (1,1 қысқа тонна) екі есе артық жаһандық жылынуға әкелу әлеуеті бар.

Кейбір елдерде, полигондағы қоқыс газының үлкен көлемі жиналады, бірақ, әлі де, мысалы, 1999 жылы АҚШ-тың атмосфераға шығарған қоқыс газының жаһандық жылынуға әкелу әлеуеті қалдықты жағу арқылы шығаратын CO2 мөлшерінен шамамен 32% -ға жоғары болды. Сонымен қатар, шамамен барлық биологиялық ыдырауға қабілетті қалдықтар биомасса болып табылады. Яғни, олардың негізі биологиялық болып табылады. Бұл материал әдетте соңғы вегетациялық маусым ішінде атмосфералық CO2-ні пайдалана отырып, өсімдіктер арқылы құрылды. Бұл өсімдіктер қайта өсірілген жағдайда, олардың жағуы арқылы шығарылатын СО2 көлемі тағы бір рет атмосферадан шығарып алынады.

Осындай шарттар бірнеше елдердің қалдықтардың биомасса бөлігін энергияға айналдыруды жаңартылатын энергия ретінде әкімшілендіруінің басты себебі. Қалдықтың қалғаны - негізінен пластмасса және тағы да басқа да мұнай мен газдан алынған өнімдер, әдетте, қайта жаңартылмайтын энергия көздері ретінде қарастырылады.

Үлкен дәрежеде ҚТҚ-ның негізі биологиялық болып табылады (биогенді), мысалы, қағаз, картон, ағаш, мата, азық-түлік қалдықтары. Әдетте ҚТҚ-ның энергетикалық құрамының жартысы биогенді материалдан болып табылады. Соның салдарынан, бұл энергия жиі қалдықтарды енгізу бойынша жаңартылатын энергия көзі ретінде танылады.

Еуропалық CEN 343 жұмыс тобымен Бас тартылған Туынды Отын / Қатты Қалпына келтірілген отын (Refuse Derived Fuel/Solid Recovered Fuel) секілді қалдықтар отын түрлерінің биомасса үлесін анықтау үшін бірнеше әдістер қалыптастырған. Дамытылған бастапқы екі әдісі (CEN / TS 15440) қолмен сұрыптау әдісі және селективті еріту әдісі болды. Осы екі әдістің толық жүйелі салыстыруы 2010 жылы жарияланды. Екі әдістің әрқайсысы да биомасса фракциясын дұрыс сипаттауда шектеулерден зардап шеккен соң, екі альтернативті балама әзірленді.

Бірінші әдіс радиокөміртегілік анализ принциптерін қолданады. Көміртегі 14 тәсілімен таныстырған техникалық шолу (CEN / TR 15591: 2007) 2007 жылы жарияланды. Көміртегілік анализ әдісінің техникалық стандарты (2008 CEN / TS 15747) АҚШ-та 2008 жылы жарияланады, қазірдің өзінде ASTM D6866 стандарты бойынша көміртегі 14 тәсіліне эквивалентті балама бар.

Екінші әдіс (баланс әдісі деп аталатын әдіс) қалдықтарды энергияға айналдыру зауытының материалдар құрамы мен жұмыс істей жағдайлары туралы бар деректерді пайдаланып, математикалық-статистикалық моделіне негізделген ең ықтимал нәтижені есептейді. Қазіргі уақытта баланс әдісі Австрияның қалдықтарды энергияға айналдыратын үш қондырғысында және Данияның сегіз сондай қондырғысында орнатылған.

Швейцарияның үш толық ауқымды қалдықтарды жағуға арналған пештерінде жүзеге асырылған осы екі әдісті салыстыру екі әдістің те бірдей нәтиже беретінін көрсетті.

Көміртегі 14 анализі дәлдікпен қалдықтың биомасса үлесін анықтай алады, сондай-ақ биомасса жылу мәнін анықтай алады. Қалдықтың жылу құндылығын анықтау Ұлыбританияның Жаңарту Міндеттеме Сертификаты бағдарламасы секілді жасыл сертификат бағдарламалары үшін маңызды болып табылады. Бұл бағдарламалар биомассадан алынған энергияға негізделіп, сертификаттармен марапаттайды. Көміртек 14 нәтижесін биомасса жылу құндылығын есептеуге қалай пайдалануға болатынын көрсететін бірнеше ғылыми мақалалар жарияланды, соның ішінде біреуі Ұлыбританияның Жаңартылатын Энергия Қауымдастығының тапсырысы бойынша іске асырылған.

Ұлыбритания газ және электр нарықтарының органы, Ofgem, 2011 жылы өзінің басқарудағы Жаңарту Міндеті бойынша, Көміртек 14-ті шикізат қалдықтардың биомасса энергетикалық құрамын анықтау тәсілі ретінде пайдалану туралы мәлімдеме таратты. Олардың Отын өлшеу және Іріктеу (ОӨІ) сауалнамасы, олардың осындай ұсыныстарды қарастыру кезінде іздейтін ақпаратты сипаттайды.

Қалдықтарды энергияға айналдыратын зауыттар

ISWA айтуынша Еуропада 431 (2005) және Америка Құрама Штаттарында (2004) Қалдықтарды энергияға айналдыратын 89 зауыты бар. Алдағы Қалдықтарды энергияға айналдыру зауыттарының кейбір мысалдары болып табылады. Қалдықтарды өртеу арқылы қалдықтарды энергияға айналдыратын зауыттар:

• Essex County Resource Recovery қондырғысы, Newark, New Jersey
• Ли County Қатты қалдықтарды Resource Recovery қоры, Форт Майерс, Флорида, АҚШ (1994)
• Dickerson, Мэриленд, АҚШ (1995) Montgomery County Resource Recovery қондырғысы
• Spittelau (1971), сондай-ақ Flötzersteig (1963), Вена, Австрия (Wien Energie)
• SYSAV, Мальма (2003 және 2008), Швеция
• Algonquin Power, Brampton, Онтарио, Канада
• Stoke жағу пеші, Stoke-на-Трент, Ұлыбритания (1989)
• Middlesbrough, Солтүстік-Шығыс Англия (1998) жақын Teesside EfW зауыты
• Эдмонтон жағу зауыты, Лондон, Англия (1974)
• Бурнаби Қалдықтарды энергияға айналдыру қондырғысы, Метро Ванкувер, Канада (1988)
• Тимарпер-Охла Қалдықтарды энергияға айналдыру зауыты, Нью-Дели, Үндістан

Сұйық отын өндіретін зауыттар (жоспарланып отырған немесе салынып жатқан) Cynar PLC: технология пластиктің пиролизіне қоса пиролиздан шыққан мұнайдың бірнеше сұйық отын түріне дистилляция болып табылады. Cynar-дың Portlaoise, Ирландияда бір жұмыс істеп жатқан демонстрациялық зауыт бар. Бристоль, Ұлыбританияда пластмассаның жылдық қуаты 6.000 тонна құрайтын алғашқы коммерциялық зауыты 2013 жылдың қазанында пайдаланып басталды. Екінші коммерциялық зауыт Альмерия, Испанияда салынып жатыр. Cynar-дың деректеріне сүйенсек, шамамен 1000 литр пайдалануға жарамды сұйық отын көлемі пластиктің әрбір тоннасынан өндіруге болады.

Эдмонтонның қатты затты қалпына келтіруден алынған отынмен (RDF) отындалған қалдықтарды этанолға айналдыру зауытының (Enerkem-процесс) аяқтау мерзімі бастапқыда 2010 жылға жоспарланған. Фронтальді жүйелерді пайдалану 2013 жылдың желтоқсанында басталды, және Enerkem содан кейін бастапқы метанол өндірісін 2014 жыл ішінде күтті. Зауыт Эдмонтон, Альберта, Канадада орналасқан.

Миссисипи қалдықтарды этанолға айналдыру зауытының (Enerkem-процесс) бастапқыда 2013 жылы аяқталуы жоспарланған. Зауыт Pontotoc, Миссисипи, АҚШ-та салынады. 2014 жылдың ақпан айында әлі даму үстінде болды.

Плазмалық газдандыру қалдықтарды энергияға айналдыру зауыттары АҚШ-тың Әуе Күштерін Тасымалдау Плазмалы Қалдықтарды энергияға айналдыру Жүйесі (TPWES) объекті (PyroGenesis технологиясы) Hurlburt Field, Флоридада орналасқан.

Пиролиз жабдықтарының өндірушілері:

Green Light энергетикалық шешімдер корпорациясы

Үлкен зауыттармен қатар, тұрмыстық қалдықтарды энергияға айналдыру пештері де бар. Мысалы, refuge de Sarenne-нің тұрмыстық қалдықтарды энергияға айналдыру зауыты бар. Ол Stirling моторды ағаш отынмен жұмыс істейтін газдандыру қазанын біріктіру арқылы жүзеге асырылады.

Тағы қараңыз

1. Биомасса
2. Өнеркәсіп қалдықтарын пайда асыру

Қолданылған әдебиет

• Field, Christopher B. "Emissions pathways, climate change, and impacts." PNAS 101.34 (2004): 12422–12427.
• Sudarsan, K. G., and Mary P. Anupama. "The Relevance of Biofuels." Current Science 90.6 (2006): 748. 18 Oct. 2009 <http://www.iisc.ernet.in/currsci/mar252006/748a.pdf Мұрағатталған 24 қыркүйектің 2015 жылы.>.
• Tilman, David. "Environmental, economic, and energetic costs." PNAS 103.30 (2006): 11206–11210.
• "Biofuels News". Chemical Engineering Progress. . FindArticles.com. 18 Oct. 2009. <http://findarticles.com/p/articles/mi_qa5350/is_200808/ai_n28083407>
• "Waste to Ethanol." Centurymarc. 2007. 10

Сыртқы сілтемелер

• http://emergingfuels.com/wp-content/uploads/2013/06/biofuelsdigest.com-Fulcrums-200-million-pick-Abengoa-for-EPC-contractor-of-first-MSW-to-jet-fuel-project-in-the-US.pdf Мұрағатталған 21 қарашаның 2015 жылы.