Новые источники энергии

В настоящей работе рассматриваются воп­росы реализации Энергетической стратегии Российской Федерации на пе­риод до 2020 г., которая предусматривает стимулирование и поддержку стратегичес­ких инициатив хозяйствующих субъектов в инвестиционной, инновационной и энергосберегающей сферах путем направленной работы в русле задач экологизации экономики страны.
Значение проекта
Существует глобальная экологическая проблема утилизации илов городских стоков, результаты решения которой программными методами путем их утилизации предусматривают производство тепла и энергии; освобождение земельных участков, используемых под полигоны хранения илов, и их рекультивация; производст­во альтернативного топлива, строительных материалов. Экопромышленная система по утилизации илов будет находиться в ведении регионального ЖКК и производить продукцию и энергию на собственные нужды по их себестоимости. Данный проект является высокорентабельным.
Инициативные исследования были поддержаны руководством РФ. Так, была разработана и получила дип­лом конкурса «Национальная экологическая премия – 2005» «Прог­рамма создания и эксплуатации экопромышленных систем социаль­ной направленности, обес­печивающих энерго- и ресурсосбережение и формируемых в процессе роста мегаполисных урбоэкосистем на фоне глобализации мирового хозяйства в контексте проблемных задач, определяемых термином «устойчивое развитие». Работы поддерживаются правительственными структурами РТ и адаптируются на территории республики через Министерство экологии и природных ресурсов РТ.
Инновационный проект «Эффективное применение строительных материалов, включающих в себя в качестве компонента переработанный активный ил коммунальных сточных вод, в городском строительном комплексе», который ранее представлялся на конкурсы в виде отдельного проекта и имеет дип­лом «Национальной экологической премии – 2005», вошел в вышеуказанные программы в качест­ве одного из основных этапов.
Результаты работ были представлены мировой общественности на конференциях саммита Большой восьмерки (G8) в 2006 и Гражданской восьмерки – 2006, проходивших в Москве; с ними ознакомлены представители политических кругов стран G8, руководство РФ, мировая научная и гражданская общественность в лице представителей неправительственных организаций.
В настоящее время все показанные выше прог­раммы приобретают весьма конкретные очертания, а инновационный проект в качестве их ядра и основной части включен в план работ до 2015 г. государст­венной корпорации «Российская корпорация нанотехнологий», что является несом­ненным успехом в деле развития подобных экопромышленных сис­тем на современном этапе экологизации экономики в русле концепций устойчивого развития.
В данной работе предусмотрено применять продукт после механичес­кой очистки, который представ­ляет собой частицы размером до 1-1,5 мм, а их масса в составе твердого мате­риала сточных вод составляет 30-40 %. Также, с точки зрения предлагае­мых технологий, ориентация идет на другую часть твердой фракции (илы), образующейся после фильтрации на фильтр-прессах, где влажность обез­воженного осадка составляет 75-85 % (влажность сырой земли). Далее твердый продукт направляется на полигоны (иловые площадки), где годами накапливается, а затем через толщу ила (сконцентрированного на открытых полигонах) дождевая и талая вода, фильтруясь, попадает в водоносные горизонты, живую природу.
По данным татарстанских ученых, существующие на сегодняшний день иловые поля «Казводоканала», находящиеся в промышленной зоне города, переполнены и создают угрозу заражения Волжскому речному бассейну. В частности, эти данные приводятся в публикациях «Дирекции федеральных целевых и региональных программ» (г. Казань).
В составе илов особое место занимает органическая часть (ее массовая доля достигает 65-85 %), которая может являться источником поддержания экзотермической реак­ции при сжигании обезвоженного ила и, в конечном счете, огромным источником тепловой энергии, затем легко трансформируемой в другие ее виды.
В одном из вариантов предлагаемых ниже технологических процессов переработки илов предусматривает­ся подвергнуть илы термообработке (нап­ример, в барабанных печах) в чис­том виде либо в смеси с глиной и другими отходами жизнедеятельности человека. При термической обработке без применения добавок ил спе­кается, образуя окатыши (иловый продукт), либо (при смешивании с глиной и другими добавками) после придания массе ила соответст­вующей формы – в илонит – материал, используемый впоследствии в качест­ве наполнителя (по типу керамзита), например, бетонов.

Технологии переработки илов
Предложенная схема внедрения отходов жизнедеятельности человека – ила городских коммунальных стоков – в строительные агломераты является в целом базовой и может быть представима в различных вариантах, как технологически, так и по составу оборудования, позволяющая получать тепловую энергию, легко трансформируемую в другие ее виды, например, в электрическую, полуфабрикаты для производства строительных материалов, например, наполнителей для легких бетонов, асфальтобетонов, техническую воду. Некоторые технологии переработки илов предусматривают также получение топлива.
Любая схема переработки илов опирается на факт высокого процента содержания в илах органики. С этой точки зрения можно подробнее рассмотреть технологию, в основе которой лежит реакция высокотемпературного термического крекинга в агрегате типа ПК-200 [**].
Базовым сырьем для высокотемпературного термического крекинга  являются любые органические отходы производства и жизнедеятельности. Высокотемпературный термический крекинг представляет собой процесс термического разложения органичес­ких соединений без доступа кислорода и происходит при относительно низких температурах (500-650 °С) по сравнению с процессами газификации (800-1300 °С) и горения (900-2000 °С). Синтез-газ при переработке органических отходов ничем не отличается от пиролиза древесины. Значительная часть отходов является мутагенной и канцерогенной, поэтому все продукты пиролиза проходят высокотемпературную окислительную зону (температура более 1200 °С). При достаточном времени контакта все смолы и высокомолекулярные компоненты коксуются и распадаются на простейшие неконденсируемые вещества – СО, СО2, Н2, СН4, – типичные для многих энергоагрегатов и печей.
Конечным продуктом переработки органических отходов является технический углерод. Сферы применения углерода следующие: 1) уголь для химической и металлургической промышленности; 2) активированный уголь; 3) сорбенты; 4) фильтры; 5) теп­лоизоляционные, строительные, мебельные материалы.

В качестве примера можно привес­ти некоторые данные по выходу полезного продукта при переработке смеси отходов с ТБО при использовании агрегата ПК-200 [***]: процентное соотношение выхода продукции: выход техуглерода – 25 %; синтез-газа – 15 %; стройматериалов – 15 %; дистиллированной воды – 30 %. Данная технология в комплексе позволяет одновременно и непрерывно производить утилизацию отходов, выработку тепловой энергии и углеродосодержащих мате­риалов. Также можно представить расширенную схему по переработке органической составляющей илов [****], которая предусматри­вает обобщенный комплекс различных вариантов технологического оформления переработки илов коммунальных сточных вод.
В одном из таких вариантов технологического процесса переработки илов предусматривает­ся подвергнуть илы высокотемпературному пиролизу (процессу разложения органических соединений) также под воздействием высоких температур и элект­ромагнитных полей с получением высокотемпературного пара, газа и расплавленных твердых остатков на атомарном уровне.
Преимущества применения новых установок пиролиза в составе компактных специализированных заводов перед аналогичным оборудованием пиролиза других производителей рассмотрим ниже.
Разработчики таких заводов отмечают, что в нас­тоящее время, как правило для поддержания температуры технологического процесса пиролиза, выпускаемые установки используют тепло сжигае­мого кокса, которое образуется при переработке твердого углеводородного вещества. Кокс по стоимости – самый дешевый из продуктов пиролиза. Аналогичные установки используют для поддержания технологического процесса газ или жидкое топ­ливо пиролиза. Фактически на установках пиролиза сжигают весь образовавшийся газ, при этом ни одно токсичное вещество не разрушается, а выбрасывается в атмосферу, загрязняя окружающую среду. Газ пиролиза обладает низкой калорийнос­тью, температура горения не превосходит 1100 0С. Распад отравляющих токсичных веществ начинает­ся при температуре пламени 1300 0С. При этом список высокотоксичных веществ пополняет­ся в процессе самого пиролиза. На установках пиролиза предлагаемых компактных заводов пиролизный газ не сжигается, а направляется на переработку в бензин и дизтопливо или после очистки – в элект­роэнергию.
Действующие установки пиролиза, которые наг­ревают свой технологический процесс жидким топ­ливом или пиролизной жидкостью фактичес­ки «сжигают деньги» [*****]. Что выгоднее? Сжечь 1000 кг кокса за 700 рублей или 800 кг жидкого топ­лива за 13 тыс. рублей, а ведь это жидкое топливо можно реализовать с большой выгодой.
Многими производителями пиролизных установок заявляется, что на выходе получается кокс. На практике этот кокс в промышленности не применяет­ся, спрос на него вымышленный, он отдает­ся за очень низкую цену. Так как этот кокс «сырой» и технологически не выдержан, не соответствует ни одному ГОСТу, его можно использовать только в бытовых целях (например, топить печь «частнику»).
Совсем по-другому обстоит дело с жидкими и газообразными нефтепродуктами, спрос и цена на которые из года в год повышаются.
Предлагаемые к применению прог­рессивные установки пиролиза обладают высоким быстродейст­вием и скоростью прогрева. Реактор пиролиза в установке диаметром 500 мм, обогрев вкруговую – это позволяет равномерно прогревать сырье по всей глубине. Все коксовые заводы во всех странах имеют печи толщиной ровно 480 мм. Так как любое сырье (уголь, торф, резина, дерево и другие) – это сильные теплоизоляторы. Мировой практикой пиролиза установлено, что эти продукты не прогреваются глубже 250 мм, поэтому на всех заводах во всем мире печи по приготовлению кокса такие узкие, с нагревом сырья с двух сторон. Конечно, делаются отдельные попытки создать печи толщиной сырья 600 мм, но на практике таких коксовых заводов нет, так как на них не достигается нужного качества кокса, о чем уже говорилось выше. На ретортные реак­торы диаметром 1 м и более уходит огромное количество тепловой энергии и времени. КПД таких установок не превышает 20 %.
На предлагаемых установках пиролиза, оснащенных плазмотронами, на выходе жидкого топлива по массе больше, чем твердого сырья на входе. Так как вода, присутствующая в технологическом процессе, распа­даясь на атомы водорода и кислорода, присоеди­няется к исходному твердому сырью, увеличивает его первоначальную массу до 110 %.
Температура процесса на плазмотроне выше 2000 °С (до 10 000 °С), все токсичные вещества распадаются на простые молекулы, что делает технологический процесс экологически чистым, и получаемые виды жидкого топлива обладают экологической чис­тотой.
Увеличение рабочей температуры в печи (2000-10000 °С) может быть достигнуто с помощью электродуговых плазмотронов, в которых рабочий газ нагревается электрической дугой. При использовании в качестве рабочего газа воздуха отходы в плазменной печи могут быть окислены полностью, при работе плазмотрона, например, на азоте отходы окисляются лишь час­тично тем кислородом, который содержится в самих отходах. При этом выходящий из печи газ содержит значительное количество синтез-газа (смесь оксида углерода и водорода). Синтез-газ может быть использован как эффективный энергоноситель.
В стране накоплен значительный опыт в разработке и эксплуатации плазмотронов различной мощности.
Мобильные установки, а также автономные стационарные установки для переработки отходов могут применяться повсеместно. Такие установки содержат дизель-генератор, воздушный компрессор, печь, фильтры и вспомогательное оборудование. Для работы такой установки требуется только дизельное топливо.
Разработанные технологии и оборудование ориен­тированы на серийное производство [*****].
На сегодня наш интерес может быть заострен на следующих документах: Федеральный закон от 23 ноября 2009 г. № 262-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» и Постановление Кабинета Министров Рес­публики Татарстан от 15 ноября 2007 г. № 638 «Об утверждении концепции «Утилизация, переработка отходов производства, потребления и вовлечение вторичных ресурсов в промышленное производство в Республике Татарстан».
Затрагивая вопросы макроэкономики с позиций, предусматривающих то, что пилотный проект по Республике Татарстан будет тиражироваться в других субъектах Российской Федерации, а материалоемкое и высокодоходное во всех отношениях оборудование заказываться на предприятиях республики, то мероприятия инновационного проек­та, в свою очередь, дадут ощутимый экономический эффект как в республиканских масштабах, так и в масштабах РФ вкупе с экономическими возможностями проектирования и тиражирования технологий, в том числе и на мировые рынки. Все это разработчики данного проекта подробно изложили в прог­раммных положениях для Минис­терства экологии и природных ресурсов РТ. 

* Концепция Федеральной целевой программы «Реформирование и модернизация жилищно-коммунального хозяйства на период 2010-2020 гг.».
** Автор ПК-200 – В.Я. Шарофоров.
*** По данным учреждения «Дирекция федеральных целевых и регио­нальных программ» г. Казань, ООО «НПП «Феникс», ООО «МБС».
**** По данным ФПК «Дормашинвест» и ООО «ГСС».
***** www.potram.ru