[Примечание: При необходимости модель может быть легко перенастроена на включение пластика в процесс переработки.]
1.5 Организация сбора и удаления отходов
См. рис. 5 “Концепция переработки энергии и отходов”, включая концепцию отходы-в-энергию, используемую в этой модели.
См. листы “Система газификации”, “Плазменная плавильная печь”, “Водоочистная установка”, “Система утилизации (реактор)”, и “Обзор материалов и утилизации”.
Высокоорганичные отработанные пары (канализация, компост и т.д.) перерабатываются в системе утилизации (установка биогаза) для производства метана. Система газификации (основанная на плазменном преобразовании) выбрана для конвертации горючих отходов (биомасса, органические отходы, трупы животных и т.д.) в синтетический горючий газ (синтетический газ), такой как водород (H2) и угарный газ (CO). Плазменная система переплавки была выбрана для конвертации негорючих отходов (отходы производства, неперерабатываемые отходы, неорганические материалы и т.д.) в шлаковые материалы. Горючий газ из плавильной системы поступает систему газификации.
Вся биомасса конвертируется целиком в метан или синтетический газ. Конвертация отдельных потоков биомассы в грунт или удобрения в данной модели не рассматривалась.
Источники: [3], [4], [5], [9], [40], [41], [42], [43], [44]
1.5.1 Биогазовая установка / Реактор
Биогаз может производиться из высокоорганических загружаемых материалов, включая животный компост (от крупного рогатого скота, свиней и птицы), канализации, а также из некоторых органических отходов (например, от переработки рыбы и продуктов питания и от медицинской отрасли). Биогаз является продуктом гниения растворимых компонентов и взвешенных органических веществ с помощью естественно возникающих анаэробных бактерий в восстановленной кислородной среде. На этой стадии развития, модель рассматривает только компостные отходы как сырье для биогазовой установки; все другие органические материалы перерабатываются в газификационной системе.
Сухая смесь биогаза обычно состоит из примерно 60% метана (CH4), 38 до 40% углекислого газа (CO2) и, в зависимости от исходного сырья, до 0,2% сероводорода (H2S). Есть несколько путей использования биогаза, включая выработку тепла и энергии с помощью горения, а также производство промышленного газа (CH4 и CO2). Модель рассматривает биогаз как топливо для парогазовой турбины для выработки электричества и тепла. Обычно H2S удаляется из биогаза (перед сжиганием) с помощью так называемой металлической губки (деревянная стружка или щепа, пропитанные гидратным оксидом железа, Fe2O3), который после процесса переработки дает элементарную серу как побочный продукт.
Работа биогазовых установок (также называемых реакторами) определяется выбранной рабочей температурой: Мезофильный режим 35 до 38ºC и термофильный режим при 52 до 55ºC. Более теплый процесс обычно выбирается при более высокой интенсивности питания реактора с более коротким сроком обработки отходов благодаря более высокой активности бактерий при высоких температурах. Результатом также является небольшое увеличение выхода биогаза. Наибольший опыт работы с подобными установками накоплен в Германии и Дании. Термофильные реакторы используют закрытые баки с обрабатывающим раствором в сравнении с открытыми или закрытыми отстойными бассейнами для мезофильных реакторов, которые требуют отстаивания отходов в течение от 20 до 25 дней. Мезофильный реактор требует больших площадей, но менее дорогой и более терпимый к изменениям параметров процесса (например, зависимость от температуры).
Наличие биогазовых установок вызвано рядом условий: Сырой компост может иметь сильный неприятный запах, и может послужить причиной переудобрения полей, что ведет к заражению озер и рек нитратами и фосфатами. Необработанный, сырой компост выделяет большое количество метана, у которого огромный парниковый эффект (в 21 больше, чем у CO2). Это является эквивалентом выброса CO2 свыше 7 тонн/год на каждую корову, и свыше 95% ослабления запаха может быть достигнуто в сравнении с необработанным компостом. Следует заметить, что расстояние от мест сбора компоста до мест переработки должно быть по возможности наименьшим (оптимально менее 5 миль) во избежание потерь выгоды от производства биоэнергии из-за расхода энергии на транспортировку.
Второе преимущество биогазовой установки – производство натуральных удобрений, которое улучшает утилизацию растительных питательных веществ и уменьшает потребление минеральных (химических) удобрений. В большинстве случаев, натуральные удобрения уменьшают загрязнение воды в сравнении с минеральными удобрениями.
Источники: [3], [40], [41], [42], [43], [44]
Преобразовательный процесс индуцируемой плазмы (ICP) выбран для плазменной системы газификации органических отходов в сообществе. Потоки органических отходов от сельского хозяйства (за исключением компоста, который перерабатывается в биогазовой установке), лесного хозяйства, промышленности, домашних хозяйств и предприятий конвертируется в полностью сгорающий синтетический газ, смесь водорода и угарного газа. Чистый синтетический газ используется как горючий газ для газотурбинной установки комбинированного цикла (CCGT), и заменяет и/или дополняет природный газ как топливо. Синтетический газ используется в высокотемпературных топливных камерах с высоким КПД, которые находятся еще на стадии разработки, но могут обеспечить более эффективное производство электроэнергии в недалеком будущем. Поэтому для производства электроэнергии в модели выбрана система CCGT.
"Плазма" – это так называемое четвертое состояние вещества (другие состояния: твердое, жидкое и газообразное). Плазма – это перегретый газ, подобный находящемуся поверхности солнца. В случае паровой плазмы, перегретые газы состоят из атомарного водорода (H+), атомарного кислорода (O-) и гидроксильной группы (OH-). Это очень активные химические частицы, которые полезны в преобразовательной реакции (или конверсии) органических исходных материалов (например, биомассы и т.д.) в водород и угарный газ. Интересно, что если плазма не прореагирует с каким-либо материалом, она возвращается обратно в газообразное состояние. В случае паровой плазмы, она снова становится паром и с последующим охлаждением снова становится водой.
Факельная система индуцируемой плазмы (ICP) использует электроэнергию и работает постоянно при устойчивой температуре плазмы от 3000 до свыше 10000ºC, в зависимости от выбранного плазменного газа. Паровое преобразование или комбинация пара и сухого (CO2) преобразования лучше всего подходит для высокоорганического исходного сырья. В сравнении с типичной камерой сгорания установки для сжигания отходов, камера реакции плазменного преобразования в два раза меньше по размерам. Система сгорания использует воздух для сжигания органических материалов. Т.к. 79% воздуха – азот, вторичными реагентами сгорания являются окиси азота (NOx). Преобразовательный процесс индуцируемой плазмы (ICP) может обойтись без воздуха и поэтому вырабатывает очень чистые горючие газы, которые альтернативно могут быть использованы как исходное химическое сырье. Газификационные реакции технически могут быть также достигнуты в основанных на сгорании системах частичных окислительных процессов. Одна из причин выбора преобразовательного процесса индуцируемой плазмы (ICP) для системы переработки отходов и энергосистемы городской модели – минимизация использования и импорта ископаемого топлива. Предполагается, что преобразовательный процесс индуцируемой плазмы (ICP) будет более гибким инструментом переработки для различных органических отходов, которые вырабатываются в процессе жизнедеятельности города.
Технологическое тепло рекуперируется для отопительных целей.
Источники: [4]
1.5.3 Плазменная плавильная система
Плазменная плавильная или витрификационная система наилучшим образом подходит для неорганических и низкоорганических отходов. Процесс использует электроэнергию для электрического нагрева и электроды дуговой плазмы для плавления твердых отходов, что дает в результате шлаковые материалы, пригодные для строительства и дорожных работ. Предполагается, что система управления отходами и энергией, выбранная для модели, подает технологический газ из плазменной плавильной системы в установку плазменной газификации для полного преобразования углерода, характерного для плазменных плавильных систем, в синтетический газ, скорее образуя вторичный поток отходов.
Технологическое тепло рекуперируется для отопительных целей.
Источники: [5]
1.6 Энергетический менеджмент
См. рис. 5 “Концепция переработки энергии и отходов”.
См. лист “Система газотурбинной установки комбинированного цикла, CCGT”, “Спрос на электроэнергию”, “Использование ископаемого топлива”, и “Энергетический баланс”.