Waste-to-energy (WtE) или energy-from-waste (EfW) относится к серии процессов, предназначенных для преобразования отходов в пригодные для использования формы энергии, как правило, электричество или тепло. Как форма восстановления энергии, WtE играет решающую роль как в управлении отходами, так и в устойчивом производстве энергии, сокращая объем отходов на свалках и предоставляя альтернативный источник энергии.
Наиболее распространенным методом WtE является прямое сжигание отходов для получения тепла, которое затем может быть использовано для выработки электроэнергии с помощью паровых турбин. Этот метод широко применяется во многих странах и предлагает двойную выгоду: он утилизирует отходы, одновременно вырабатывая энергию, что делает его эффективным процессом как для сокращения отходов, так и для производства энергии.
Помимо сжигания, другие технологии WtE фокусируются на преобразовании отходов в источники топлива. Например, газификация и пиролиз — это процессы, которые термохимически разлагают органические материалы в отсутствие кислорода для получения синтез-газа, синтетического газа, в основном состоящего из водорода, оксида углерода и небольшого количества диоксида углерода. Этот синтез-газ может быть преобразован в метан , метанол , этанол или даже синтетическое топливо , которое может использоваться в различных промышленных процессах или в качестве альтернативного топлива на транспорте.
Кроме того, анаэробное сбраживание , биологический процесс, преобразует органические отходы в биогаз (в основном метан и углекислый газ) посредством микробного действия. Этот биогаз может быть использован для производства энергии или переработан в биометан, который может служить заменой природному газу.
Процесс WtE способствует принципам экономики замкнутого цикла , преобразуя отходы в ценные ресурсы, снижая зависимость от ископаемого топлива и сокращая выбросы парниковых газов. Однако проблемы остаются, особенно в обеспечении того, чтобы выбросы от установок WtE, такие как диоксины и фураны , надлежащим образом управлялись для минимизации воздействия на окружающую среду. Передовые технологии контроля загрязнения имеют важное значение для решения этих проблем и обеспечения того, чтобы WtE оставалась жизнеспособным, экологически безопасным решением.
Технологии WtE представляют собой значительную возможность для устойчивого управления отходами, способствуя при этом удовлетворению глобальных потребностей в энергии. Они представляют собой существенный компонент комплексных стратегий управления отходами и перехода к системам возобновляемой энергии. По мере развития технологий WtE может играть все более важную роль как в сокращении использования свалок, так и в повышении энергетической безопасности.
Процессы газификации и пиролиза известны и используются уже на протяжении столетий, а для угля — еще с 18 века... Развитие технологий переработки [остаточных твердых смешанных отходов] стало объектом внимания только в последние годы, что было обусловлено поиском более эффективного восстановления энергии. (2004) [5]
Сжигание, сжигание органических материалов, таких как отходы, с получением энергии, является наиболее распространенной реализацией WtE. Все новые заводы WtE в странах ОЭСР , сжигающие отходы (остаточные ТБО , коммерческие, промышленные или RDF ), должны соответствовать строгим стандартам выбросов, включая стандарты по оксидам азота (NO x ), диоксиду серы (SO 2 ), тяжелым металлам и диоксинам . [6] [7] Таким образом, современные мусоросжигательные заводы сильно отличаются от старых типов, некоторые из которых не восстанавливают ни энергию, ни материалы. Современные мусоросжигательные заводы уменьшают объем исходных отходов на 95-96 процентов, в зависимости от состава и степени восстановления материалов, таких как металлы, из золы для переработки. [3]
Мусоросжигательные заводы могут выбрасывать мелкие частицы , тяжелые металлы, следы диоксина и кислотный газ , хотя эти выбросы относительно низки [8] для современных мусоросжигательных заводов. Другие проблемы включают надлежащее управление остатками: токсичной летучей золой , которая должна быть обработана в установке по утилизации опасных отходов, а также зольным остатком мусоросжигательного завода (IBA), который должен быть повторно использован надлежащим образом. [9]
Критики утверждают, что мусоросжигательные заводы уничтожают ценные ресурсы и могут снизить стимулы к переработке. [9] Однако этот вопрос остается открытым, поскольку европейские страны, которые перерабатывают больше всего (до 70%), также сжигают отходы, чтобы избежать захоронения на свалках . [10]
Мусоросжигательные заводы имеют электрический КПД 14-28%. [9] Чтобы избежать потери остальной энергии, ее можно использовать, например, для централизованного теплоснабжения ( когенерация ). Общая эффективность мусоросжигательных заводов с когенерацией обычно превышает 80% (на основе низшей теплотворной способности отходов).
Метод сжигания для преобразования твердых бытовых отходов (ТБО) является относительно старым методом генерации WtE. Сжигание обычно подразумевает сжигание отходов (остаточных ТБО, коммерческих, промышленных и RDF) для кипячения воды, которая питает парогенераторы , вырабатывающие электроэнергию и тепло для использования в домах, на предприятиях, в учреждениях и на промышленных предприятиях. Одной из связанных с этим проблем является возможность попадания загрязняющих веществ в атмосферу с дымовыми газами из котла. Эти загрязняющие вещества могут быть кислотными, и в 1980-х годах сообщалось о том, что они вызывают ухудшение состояния окружающей среды, превращая дождь в кислотный дождь . Современные мусоросжигательные заводы включают тщательно спроектированные первичные и вторичные камеры сгорания и контролируемые горелки, предназначенные для полного сгорания с минимальными возможными выбросами, что в некоторых случаях устраняет необходимость в известковых скрубберах и электростатических осадителях на дымовых трубах.
Пропуская дым через основные известковые скрубберы, любые кислоты, которые могут быть в дыме, нейтрализуются, что предотвращает попадание кислоты в атмосферу и нанесение вреда окружающей среде. Многие другие устройства, такие как тканевые фильтры, реакторы и катализаторы, уничтожают или улавливают другие регулируемые загрязняющие вещества. [11] По данным New York Times, современные мусоросжигательные заводы настолько чисты, что «из домашних каминов и барбекю на заднем дворе теперь выбрасывается во много раз больше диоксина, чем при сжигании». [12] По данным Министерства окружающей среды Германии, «из-за строгих правил мусоросжигательные заводы больше не являются значительными с точки зрения выбросов диоксинов, пыли и тяжелых металлов». [13]
По сравнению с другими технологиями переработки отходов в энергию, сжигание кажется наиболее привлекательным из-за более высокой эффективности производства энергии, более низких инвестиционных затрат и более низких показателей выбросов. Кроме того, сжигание дает наибольшее количество электроэнергии с самой высокой способностью уменьшать количество отходов на свалках за счет прямого сжигания. [14]
Одним из процессов, используемых для преобразования пластика в топливо, является пиролиз , термическое разложение материалов при высоких температурах в инертной атмосфере. Он включает изменение химического состава и в основном используется для обработки органических материалов. В крупномасштабном производстве пластиковые отходы измельчаются и плавятся, а затем пиролизуются. Каталитические нейтрализаторы помогают в этом процессе. Пары конденсируются с маслом или топливом и накапливаются в отстойниках и фильтруются. Топливо получается после гомогенизации и может использоваться для автомобилей и техники. Его обычно называют термотопливом или энергией из пластика. [15]
Новый процесс использует двухкомпонентный катализатор, кобальт и цеолит, для преобразования пластика в пропан . Он работает с полиэтиленом и полипропиленом, а выход пропана составляет приблизительно 80%. [16]
Существует ряд других новых и развивающихся технологий, которые способны производить энергию из отходов и других видов топлива без прямого сжигания. Многие из этих технологий обладают потенциалом производить больше электроэнергии из того же количества топлива, чем это было бы возможно при прямом сжигании. Это происходит в основном из-за отделения коррозионных компонентов (золы) от преобразованного топлива, что позволяет достичь более высоких температур сгорания, например, в котлах , газовых турбинах , двигателях внутреннего сгорания , топливных элементах . Некоторые передовые технологии способны эффективно преобразовывать энергию в исходном сырье в жидкое или газообразное топливо, используя тепло, но в отсутствие кислорода, без фактического сгорания, используя комбинацию термических технологий. Как правило, они чище, поскольку исходное сырье отделяется перед обработкой для удаления нежелательных компонентов:
Технологии термической обработки включают в себя:
Нетермические технологии:
В период с 2001 по 2007 год мощности по переработке отходов в энергию увеличились примерно на четыре миллиона тонн в год.
Япония и Китай построили по несколько заводов, работающих на основе прямой плавки или сжигания твердых отходов в кипящем слое . В Китае в начале 2016 года насчитывалось около 434 заводов по переработке отходов в энергию. Япония является крупнейшим потребителем термической обработки твердых бытовых отходов в мире с объемом 40 миллионов тонн.
Некоторые из новейших заводов используют технологию топки, а другие используют передовую технологию обогащения кислородом. Несколько заводов по переработке существуют во всем мире, используя относительно новые процессы, такие как прямая плавка, процесс флюидизации Ebara и процесс газификации и плавления Thermoselect JFE. [18]
По состоянию на июнь 2014 года в Индонезии общая установленная мощность установок по переработке отходов в энергию составляла 93,5 МВт, а ряд проектов, находящихся на разных стадиях подготовки, в совокупности составляли еще 373 МВт мощности. [19]
Корпорация Biofuel Energy из Денвера, штат Колорадо, открыла два новых биотопливных завода в Вуд-Ривер, штат Небраска , и Фэрмонте, штат Миннесота , в июле 2008 года. Эти заводы используют дистилляцию для производства этанола для использования в автомобилях и других двигателях. В настоящее время сообщается, что оба завода работают на более чем 90% мощности. Fulcrum BioEnergy, расположенная в Плезантоне, штат Калифорния , строит завод WtE недалеко от Рино, штат Невада . Завод планируется открыть в 2019 году под названием Sierra BioFuels plant. BioEnergy incorporated прогнозирует, что завод будет производить около 10,5 миллионов галлонов этанола в год из почти 200 000 тонн ТБО в год. [20]
Технология переработки отходов в энергию включает ферментацию , которая может брать биомассу и создавать этанол , используя отходы целлюлозного или органического материала. [17] В процессе ферментации сахар в отходах преобразуется в углекислый газ и спирт, в том же общем процессе, который используется для производства вина. Обычно ферментация происходит без присутствия воздуха.
Этерификация также может быть выполнена с использованием технологий переработки отходов в энергию, и результатом этого процесса является биодизель . Экономическая эффективность этерификации будет зависеть от используемого сырья и всех других соответствующих факторов, таких как расстояние транспортировки, количество масла, присутствующего в сырье, и другие. [21] Газификация и пиролиз к настоящему времени могут достигать валовой эффективности термического преобразования (топлива в газ) до 75%, однако полное сгорание превосходит эффективность преобразования топлива. [5] Некоторые процессы пиролиза требуют внешнего источника тепла, который может поставляться процессом газификации, что делает комбинированный процесс самоподдерживающимся.
В термических технологиях WtE почти весь углерод, содержащийся в отходах, выбрасывается в атмосферу в виде диоксида углерода (CO2 ) (включая окончательное сжигание продуктов пиролиза и газификации; за исключением производства биоугля для удобрения). Твердые бытовые отходы (ТБО) содержат примерно такую же массовую долю углерода, как и сам CO2 ( 27%), поэтому при переработке 1 метрической тонны (1,1 короткой тонны) ТБО образуется примерно 1 метрическая тонна (1,1 короткой тонны) CO2 .
В случае, если отходы были захоронены , 1 метрическая тонна (1,1 короткая тонна) ТБО произведет приблизительно 62 кубических метра (2200 кубических футов) метана посредством анаэробного разложения биоразлагаемой части отходов. Это количество метана имеет более чем в два раза больший потенциал глобального потепления , чем 1 метрическая тонна (1,1 короткая тонна) CO 2 , который был бы произведен при сжигании. В некоторых странах собираются большие объемы свалочного газа . Однако все еще существует потенциал глобального потепления от свалочного газа, выбрасываемого в атмосферу. Например, в США в 1999 году выбросы свалочного газа были приблизительно на 32% выше, чем количество CO 2 , которое было бы выброшено при сжигании. [22]
Кроме того, почти все биоразлагаемые отходы являются биомассой . То есть они имеют биологическое происхождение. Этот материал был образован растениями, использующими атмосферный CO2 , как правило, в течение последнего вегетационного периода. Если эти растения вырастить заново, то CO2 , выделяемый при их сгорании, будет снова изъят из атмосферы.
Такие соображения являются основной причиной, по которой несколько стран рассматривают утилизацию отходов биомассы как возобновляемую энергию . [23] Остальное — в основном пластик и другие продукты, полученные из нефти и газа — обычно рассматривается как невозобновляемые источники энергии .
Выбросы CO2 от систем переработки пластиковых отходов в энергию выше, чем от современных энергетических систем на основе ископаемого топлива на единицу вырабатываемой энергии, даже с учетом вклада улавливания и хранения углерода . Производство электроэнергии с использованием пластиковых отходов значительно возрастет к 2050 году. Углерод должен быть отделен в процессе восстановления энергии. В противном случае борьба с глобальным потеплением потерпит неудачу из-за пластиковых отходов. [24]
ТБО в значительной степени имеют биологическое происхождение (биогенные), например, бумага, картон, дерево, ткань, пищевые отходы. Обычно половина энергии в ТБО поступает из биогенного материала. [25] Следовательно, эта энергия часто признается возобновляемой энергией в соответствии с входящими отходами. [26]
Европейская рабочая группа CEN 343 разработала несколько методов для определения доли биомассы отходного топлива, например Refuse Derived Fuel /Solid Recovered Fuel. Первыми двумя разработанными методами (CEN/TS 15440) были метод ручной сортировки и метод селективного растворения . Подробное систематическое сравнение этих двух методов было опубликовано в 2010 году. [27] Поскольку каждый метод страдал от ограничений в правильной характеристике доли биомассы, были разработаны два альтернативных метода.
Первый метод использует принципы радиоуглеродного датирования . Технический обзор (CEN/TR 15591:2007), описывающий метод углерода-14, был опубликован в 2007 году. Технический стандарт метода радиоуглеродного датирования (CEN/TS 15747:2008) опубликован в 2008 году. [ требуется обновление ] В Соединенных Штатах уже существует эквивалентный метод углерода-14 в рамках стандартного метода ASTM D6866.
Второй метод (так называемый балансовый метод ) использует существующие данные о составе материалов и условиях эксплуатации завода WtE и рассчитывает наиболее вероятный результат на основе математико-статистической модели. [28] В настоящее время балансовый метод установлен на трех австрийских и восьми датских мусоросжигательных заводах.
Сравнение обоих методов, проведенное на трех полномасштабных мусоросжигательных заводах в Швейцарии, показало, что оба метода дали одинаковые результаты. [29]
Датирование по углероду 14 может с точностью определить долю биомассы отходов, а также определить теплотворную способность биомассы . Определение теплотворной способности важно для программ зеленых сертификатов, таких как программа Сертификата по возобновляемым источникам энергии в Соединенном Королевстве. Эти программы выдают сертификаты на основе энергии, произведенной из биомассы. Было опубликовано несколько исследовательских работ, включая ту, которая была заказана Ассоциацией возобновляемых источников энергии в Великобритании, которые демонстрируют, как результат по углероду 14 может быть использован для расчета теплотворной способности биомассы. Управление по рынку газа и электроэнергии Великобритании, Ofgem , опубликовало заявление в 2011 году, принимая использование углерода 14 в качестве способа определения содержания энергии в биомассе отходов в рамках их администрирования Обязательства по возобновляемым источникам энергии. [30] Их анкета по измерению и отбору проб топлива (FMS) описывает информацию, которую они ищут при рассмотрении таких предложений. [31]
Отчет 2019 года, заказанный Глобальным альянсом за альтернативы сжиганию отходов (GAIA), подготовленный Центром окружающей среды и дизайна Тишмана в Новой школе , показал, что 79% из 73 действующих на тот момент предприятий по переработке отходов в энергию в США расположены в малообеспеченных общинах и/или «цветных общинах» из-за «исторической жилой, расовой сегрегации и законов о выселении , которые позволяли более белым, более богатым общинам исключать промышленные использования и цветных людей из своих границ». [32] В Честере, штат Пенсильвания , где общественная группа активно выступает против их местного предприятия по переработке отходов в энергию, Синтана Вергара, доцент кафедры инженерии экологических ресурсов в Университете штата Гумбольдт в Калифорнии, прокомментировала, что сопротивление сообщества основано как на загрязнении, так и на том факте, что многие из этих предприятий были размещены в общинах без какого-либо участия сообщества и без какой-либо выгоды для сообщества. [33]
Согласно отчету Программы ООН по окружающей среде за 2019 год , в Европе насчитывается 589 заводов по переработке отходов, а в Соединенных Штатах — 82. [34]
Ниже приведены некоторые примеры установок WtE.
В настоящее время ведется строительство одного завода:
Военно-воздушные силы США когда-то провели испытания установки по переработке отходов в плазме (TPWES) на аэродроме Херлберт-Филд, штат Флорида. [39] Установка, строительство которой обошлось в 7,4 млн долларов, [40] была закрыта и продана на правительственном аукционе по ликвидации в мае 2013 года, менее чем через три года после ввода в эксплуатацию. [41] [42] Начальная цена торгов составляла 25 долларов. Победившая ставка была объявлена.
Помимо крупных заводов, существуют также бытовые мусоросжигательные заводы, работающие на отходах. Например, в Refuge de Sarenne есть бытовая мусоросжигательная установка, работающая на отходах. Она сделана путем объединения дровяного газификационного котла с двигателем Стирлинга . [43] [44]
Renergi расширит масштаб своей системы преобразования отходов органических материалов в жидкое топливо с использованием процесса термической обработки в Колли, Западная Австралия. Система будет перерабатывать 1,5 тонны органических веществ в час. Ежегодно объект будет перерабатывать 4000 тонн муниципальных отходов со свалки и получать дополнительно 8000 тонн органических отходов от сельскохозяйственных и лесных операций. Запатентованный процесс «пиролиза измельчения» Renergi направлен на преобразование органических материалов в биоуголь, биогазы и биомасло путем применения тепла в среде с ограниченным содержанием кислорода. [45]
Другой проект в промышленной зоне Рокингема, примерно в 45 километрах к югу от Перта, будет включать строительство завода мощностью 29 МВт, способного обеспечить электроэнергией 40 000 домов из ежегодного сырья в размере 300 000 тонн муниципального, промышленного и коммерческого мусора. Помимо поставок электроэнергии в Юго-Западную объединенную систему, 25 МВт мощности завода уже были выделены в рамках соглашения о покупке электроэнергии. [46]
Я думаю, что здесь есть две проблемы. Итак, одна из них заключается в том, что, конечно, сжигание приведет к некоторому загрязнению воздуха, даже при использовании самых высоких технологий контроля некоторое загрязнение будет произведено», — сказала Вергара. «Но я думаю, что вторая проблема… это общественное восприятие и принятие такой технологии. Так что в Соединенных Штатах у нас очень долгая история размещения грязных электростанций и мусороперерабатывающих предприятий в цветных общинах, в общинах с низким доходом, которые несут риски этих предприятий, не обязательно разделяя какие-либо выгоды.