Преобразование отходов в энергию ( WtE ) или энергия из отходов ( EfW ) — это процесс производства энергии в форме электричества и/или тепла в результате первичной обработки отходов или переработки отходов в источник топлива. WtE – это форма рекуперации энергии . Большинство процессов ПОЭ вырабатывают электроэнергию и/или тепло непосредственно в результате сгорания или производят горючее топливо, такое как метан , метанол , этанол или синтетическое топливо , часто получаемое из синтез-газа. [1]
Процессы газификации и пиролиза были известны и использовались на протяжении веков, а для угля еще в 18 веке... Разработка технологий переработки [остаточных твердых смешанных отходов] стала в центре внимания только в последние годы, что стимулировалось поиском более эффективная рекуперация энергии. (2004) [6]
Сжигание, сжигание органических материалов, таких как отходы, с рекуперацией энергии, является наиболее распространенным методом ПОЭ. Все новые установки ПОЭ в странах ОЭСР , сжигающие отходы (остаточные ТБО , коммерческие, промышленные или RDF ), должны соответствовать строгим стандартам выбросов, в том числе по оксидам азота (NO x ), диоксиду серы (SO 2 ), тяжелым металлам и диоксинам . [7] [8] Следовательно, современные мусоросжигательные заводы сильно отличаются от старых типов, некоторые из которых не восстанавливают ни энергию, ни материалы. Современные мусоросжигательные заводы сокращают объем исходных отходов на 95-96 процентов, в зависимости от состава и степени извлечения таких материалов, как металлы, из золы для переработки. [4]
Мусоросжигательные печи могут выделять мелкие частицы , тяжелые металлы, следы диоксина и кислые газы , хотя эти выбросы от современных мусоросжигательных заводов относительно невелики [9] . Другие проблемы включают в себя правильное обращение с остатками: токсичной летучей золой , с которой необходимо обращаться на установках по утилизации опасных отходов, а также золой остатка мусоросжигательных заводов (IBA), которую необходимо правильно использовать повторно. [10]
Критики утверждают, что мусоросжигательные заводы уничтожают ценные ресурсы и могут снизить стимулы к переработке отходов. [10] Однако этот вопрос остается открытым, поскольку европейские страны, которые перерабатывают больше всего (до 70%), также сжигают мусор, чтобы избежать захоронения мусора . [11]
У мусоросжигательных заводов электрический КПД составляет 14-28%. [10] Чтобы избежать потери остальной энергии, ее можно использовать, например, для централизованного теплоснабжения ( когенерация ). Общий КПД когенерационных мусоросжигательных заводов обычно превышает 80% (исходя из более низкой теплотворной способности отходов).
Метод сжигания для переработки твердых бытовых отходов (ТБО) является относительно старым методом получения ПОЭ. Сжигание обычно предполагает сжигание отходов (остаточных ТБО, коммерческих, промышленных и топливных отходов) для кипячения воды, которая приводит в действие парогенераторы , генерирующие электроэнергию и тепло для использования в домах, на предприятиях, в учреждениях и на производствах. Одной из связанных с этим проблем является возможность попадания загрязняющих веществ в атмосферу с дымовыми газами котла. Эти загрязнители могут быть кислотными, и в 1980-х годах сообщалось, что они вызывают деградацию окружающей среды , превращая дожди в кислотные . Современные мусоросжигательные заводы включают в себя тщательно спроектированные первичные и вторичные камеры сгорания, а также управляемые горелки, предназначенные для полного сгорания с минимально возможными выбросами, что в некоторых случаях устраняет необходимость в очистителях извести и электростатических осадителях на дымовых трубах.
Пропуская дым через обычные известковые скрубберы, любые кислоты, которые могут находиться 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 загрязнители. [12] По данным New York Times, современные мусоросжигательные заводы настолько чисты, что «теперь из домашних каминов и барбекю на заднем дворе выделяется во много раз больше диоксина, чем при сжигании». [13] 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». [14]
По сравнению с другими технологиями получения энергии из отходов, сжигание представляется наиболее привлекательным из-за более высокой эффективности производства электроэнергии, меньших инвестиционных затрат и более низких уровней выбросов. Кроме того, сжигание дает наибольшее количество электроэнергии и позволяет уменьшить количество отходов на свалках за счет прямого сжигания. [15]
Одним из процессов, который используется для преобразования пластика в топливо, является пиролиз , термическое разложение материалов при высоких температурах в инертной атмосфере. Он предполагает изменение химического состава и в основном используется для обработки органических материалов. При крупномасштабном производстве пластиковые отходы измельчаются, плавятся, а затем пиролизуются. Каталитические нейтрализаторы помогают в этом процессе. Пары конденсируются с маслом или топливом, накапливаются в отстойниках и фильтруются. Топливо получается после гомогенизации и может использоваться для автомобилей и техники. Его обычно называют термотопливом или энергией из пластика. [16]
В новом процессе для преобразования пластмасс в пропан используется двухкомпонентный катализатор — кобальт и цеолит . Он работает на полиэтилене и полипропилене, выход пропана составляет около 80%. [17]
Существует ряд других новых и развивающихся технологий, которые способны производить энергию из отходов и других видов топлива без прямого сжигания. Многие из этих технологий потенциально способны производить больше электроэнергии из того же количества топлива, чем это было бы возможно при прямом сжигании. Это происходит главным образом за счет отделения коррозионно-активных компонентов (золы) от конвертированного топлива, что обеспечивает более высокие температуры сгорания, например, в котлах , газовых турбинах , двигателях внутреннего сгорания , топливных элементах . Некоторые передовые технологии способны эффективно преобразовывать энергию сырья в жидкое или газообразное топливо, используя тепло, но в отсутствие кислорода, без фактического сгорания, используя комбинацию термических технологий. Как правило, они чище, так как перед обработкой сырье отделяется для удаления нежелательных компонентов:
Технологии термической обработки включают в себя:
Нетермические технологии:
В период 2001–2007 годов мощность переработки отходов в энергию увеличивалась примерно на четыре миллиона метрических тонн в год.
Япония и Китай построили по несколько заводов, основанных на прямой плавке или сжигании твердых отходов в кипящем слое . В начале 2016 года в Китае насчитывалось около 434 заводов по переработке отходов в энергию. Япония является крупнейшим в мире пользователем термической переработки твердых бытовых отходов с объемом 40 миллионов тонн.
Некоторые из новейших заводов используют топочную технологию, а другие — передовую технологию обогащения кислородом. Во всем мире существует несколько очистных сооружений, использующих относительно новые процессы, такие как прямая плавка, процесс псевдоожижения Ebara и технологический процесс газификации и плавления Thermoselect JFE. [18]
По состоянию на июнь 2014 года общая установленная мощность по переработке отходов в энергию в Индонезии составляла 93,5 МВт, а портфель проектов на разных этапах подготовки вместе составлял еще 373 МВт мощности. [19]
Корпорация Biofuel Energy Corporation из Денвера, штат Колорадо, в июле 2008 года открыла два новых завода по производству биотоплива в Вуд-Ривер, штат Небраска , и Фэрмонте, штат Миннесота . Эти заводы используют дистилляцию для производства этанола для использования в автомобилях и других двигателях. Сообщается, что оба завода в настоящее время работают на более чем 90% мощности. Компания 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. BioEnergy Incorporated прогнозирует, что завод будет производить около 10,5 миллионов галлонов этанола в год из почти 200 000 тонн в год ТБО. [20]
Технология переработки отходов в энергию включает ферментацию , при которой биомасса может быть использована для создания этанола с использованием отходов целлюлозы или органических материалов. [1] В процессе ферментации сахар в отходах превращается в углекислый газ и спирт, в том же общем процессе, который используется при производстве вина. Обычно брожение происходит без присутствия воздуха.
Этерификацию также можно производить с использованием технологий получения энергии из отходов, и результатом этого процесса является биодизельное топливо . Экономическая эффективность этерификации будет зависеть от используемого сырья и всех других соответствующих факторов, таких как расстояние транспортировки, количество масла, присутствующего в сырье, и других. [21] Газификация и пиролиз к настоящему времени могут достигать общей эффективности термического преобразования (топлива в газ) до 75%, однако полное сгорание превосходит его с точки зрения эффективности преобразования топлива. [6] Для некоторых процессов пиролиза требуется внешний источник тепла, который может быть получен в процессе газификации, что делает комбинированный процесс самоподдерживающимся.
В термических технологиях ПОЭ почти весь углерод, содержащийся в отходах, выбрасывается в атмосферу в виде диоксида углерода (CO 2 ) (с учетом окончательного сжигания продуктов пиролиза и газификации; за исключением производства биоугля для удобрения). Твердые бытовые отходы (ТБО) содержат примерно ту же массовую долю углерода, что и сам CO 2 (27%), поэтому обработка 1 метрической тонны (1,1 коротких тонн) ТБО приводит к образованию примерно 1 метрической тонны (1,1 коротких тонн) CO 2 .
В случае захоронения отходов 1 метрическая тонна (1,1 коротких тонны) ТБО приведет к образованию примерно 62 кубических метров (2200 куб футов) метана за счет анаэробного разложения биоразлагаемой части отходов. Это количество метана более чем в два раза превышает потенциал глобального потепления , чем 1 метрическая тонна (1,1 коротких тонны) CO 2 , которая была бы произведена при сжигании. В некоторых странах собираются большие объемы свалочного газа . Тем не менее, все еще существует потенциал глобального потепления, связанный с выбросами свалочного газа в атмосферу. Например, в США в 1999 году выбросы свалочного газа были примерно на 32% выше, чем количество CO 2 , которое могло бы быть выброшено при сжигании. [22]
Кроме того, почти все биоразлагаемые отходы представляют собой биомассу . То есть имеет биологическое происхождение. Этот материал образуется растениями, использующими атмосферный CO 2 , как правило, в течение последнего вегетационного периода. Если эти растения вырастить заново, CO 2 , выделяющийся при их сжигании, снова будет выброшен из атмосферы.
Подобные соображения являются основной причиной того, почему некоторые страны управляют ПОЭ, используя часть отходов, состоящую из биомассы, в качестве возобновляемой энергии . [23] Остальное — в основном пластмассы и другие продукты переработки нефти и газа — обычно считается невозобновляемыми ресурсами .
Выбросы CO 2 от систем переработки пластиковых отходов в энергию выше, чем от нынешних энергетических систем, работающих на ископаемом топливе, на единицу произведенной энергии, даже с учетом вклада улавливания и хранения углерода . Производство электроэнергии с использованием пластиковых отходов значительно увеличится к 2050 году. Углерод необходимо отделять в процессах рекуперации энергии. В противном случае борьба с глобальным потеплением потерпит неудачу из-за пластиковых отходов. [24]
ТБО в значительной степени имеют биологическое происхождение (биогенное), например, бумага, картон, дерево, ткань, пищевые отходы. Обычно половина энергии в ТБО приходится на биогенный материал. [25] Следовательно, эта энергия часто признается возобновляемой энергией в зависимости от количества отходов. [26]
Европейская рабочая группа CEN 343 разработала несколько методов для определения доли биомассы в топливных отходах, таких как топливо, полученное из отходов /твердое вторичное топливо. Первыми двумя разработанными методами (CEN/TS 15440) были метод ручной сортировки и метод выборочного растворения . Подробное систематическое сравнение этих двух методов было опубликовано в 2010 году. [27] Поскольку каждый метод имел ограничения в правильной характеристике фракции 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 углеродного 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 установки ПОЭ 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 позволяет точно определить долю биомассы в отходах, а также определить теплотворную способность биомассы . Определение теплотворной способности важно для программ зеленых сертификатов, таких как программа сертификации обязательств по возобновляемым источникам энергии в Соединенном Королевстве. Эти программы выдают сертификаты на основе энергии, произведенной из биомассы. Было опубликовано несколько исследовательских работ, в том числе по заказу Ассоциации возобновляемых источников энергии Великобритании, которые демонстрируют, как результат по углероду-14 может быть использован для расчета теплотворной способности биомассы. Управление рынков газа и электроэнергии Великобритании Ofgem в 2011 году опубликовало заявление, согласившееся с использованием углерода 14 в качестве способа определения содержания энергии биомассы в отходах сырья в рамках их обязательств по возобновляемым источникам энергии. [30] Их анкета по измерению и отбору проб топлива (FMS) описывает информацию, которую они ищут при рассмотрении таких предложений. [31]
В отчете за 2019 год, подготовленном Центром окружающей среды и дизайна Тишмана при Новой школе по заказу Глобального альянса за альтернативы мусоросжигательным заводам (GAIA) , было обнаружено, что 79% из 73 действующих на тот момент объектов по переработке отходов в энергию в США расположены в -сообщества с доходом и/или «цветные сообщества» из-за «исторического проживания, расовой сегрегации и законов об изгнании зонирования , которые позволяли более белым и богатым сообществам исключать промышленное использование и цветных людей из своих границ». [32] В Честере, штат Пенсильвания , где группа сообщества активно выступает против местного предприятия по переработке отходов в энергию, Синтана Вергара, доцент кафедры инженерии экологических ресурсов в Университете штата Гумбольдт в Калифорнии, отметила, что сопротивление сообщества основано на как на загрязнение, так и на тот факт, что многие из этих объектов были расположены в сообществах 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 предприятий ПОЭ, а в США — 82. [34]
Ниже приведены некоторые примеры растений WtE.
В настоящее время строится один завод:
The US Air Force once tested a Transportable Plasma Waste to Energy System (TPWES) facility (PyroGenesis technology) at Hurlburt Field, Florida.[39] The plant, which cost $7.4 million to construct,[40] was closed and sold at a government liquidation auction in May 2013, less than three years after its commissioning.[41][42] The opening bid was $25. The winning bid was sealed.
Besides large plants, domestic waste-to-energy incinerators also exist. For example, the Refuge de Sarenne has a domestic waste-to-energy plant. It is made by combining a wood-fired gasification boiler with a Stirling motor.[43][44]
Renergi will scale up their system of converting waste organic materials into liquid fuels using a thermal treatment process in Collie, Western Australia. The system will process 1.5 tonnes of organic matter per hour. Annually the facility will divert 4000 tonnes of municipal waste from landfill and source an additional 8000 tonnes of organic waste from agricultural and forestry operations. Renergi’s patented “grinding pyrolysis” process aims to converts organic materials into biochar, bio-gases and bio-oil by applying heat in an environment with limited oxygen.[45]
Another project in the Rockingham Industrial Zone, roughly 45 kilometres south of Perth will see a 29 MW plant built with capacity to power 40,000 homes from an annual feedstock of 300,000 tonnes of municipal, industrial and commercial rubbish. As well as supplying electricity to the South West Interconnected System, 25 MW of the plant’s output has already been committed under a power purchase agreement.[46]
Однако я думаю, что здесь есть две проблемы.
Итак, во-первых, конечно, сжигание приведет к некоторому загрязнению воздуха, даже при использовании самых высоких технологий контроля, некоторое загрязнение будет производиться», - сказал Вергара. «Но я думаю, что вторая проблема… это общественное восприятие и принятие такой технологии.
Итак, в Соединенных Штатах мы имеем очень долгую историю размещения грязных электростанций и объектов по утилизации отходов в цветных сообществах, в сообществах с низкими доходами, которые несут на себе риски, связанные с этими объектами, не обязательно получая при этом какие-либо выгоды.