Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»

Разработка технических решений по обеспечению энергетической безопасности малых предприятий города Санкт-Петербурга и Ленинградской области

Санкт-Петербург 2015



ВВЕДЕНИЕ

В России ежегодно образуется около 130 млн м³ вторичных органических ресурсов. Из этого количества промышленной переработке подвергается не более 2 %, остальное вывозится на свалки и полигоны для захоронения отходов в пригородных зонах. Захораниваемые вторичные органические ресурсы представляют собой серьезный источник загрязнения окружающей среды, т. к. подавляющее большинство полигонов по своему обустройству не обеспечивают экологическую безопасность, не говоря уже о множестве локальных неконтролируемых (несанкционированных) свалках, число которых не уменьшается.

Решение проблемы утилизации органических отходов имеет большое народнохозяйственное значение. Применение ресурсосберегающих технологий является рациональным путем развития энергоэффективных производств. биомасса энергия тепловой органический

Внедрение технически перспективных, экономически рентабельных и экологически оправданных технологий по утилизации побочных, вредных и малоликвидных органических отходов является первоочередной задачей. Эффективная переработка обеспечивается созданием способа окускования искусственных структурированных комплексов - гранул для последующего сжигания в промышленных топочных устройствах и установках для получения тепловой энергии.

Развитие технологий переработки малоликвидных твердых органических отходов различных отраслей народного хозяйства за счет совершенствования технологических решений и применения новых подходов к облагораживанию материалов. Исследование составов и рецептур топливных элементов с целью повышения качественных характеристик топлива и универсализации технологического процесса. Подготовка технических и технологических решений по созданию комплекса по производству топливных элементов. Исследование качественных характеристик топлива с целью придания заданных свойств. Оценка рациональности использования топливных элементов для получения тепловой энергии в котельных установках.

ОБОСНОВАНИЕ ФИНАНСОВЫХ ЗАТРАТ НА ПРОЕКТ

Во исполнение плана реализации проекта, предусматривающего финансовые затраты на его выполнение и достижение цели и задач, зафиксированных в техническом задании, структурируем их в соответствии наименованием этапов:

1 этап. Анализ объёмов ежегодного накопления органических отходов Санкт-Петербурга и Ленинградской области (01.01.2015 - 28.02.2015).

Приобретено:

- Детектор Infiniter Inscan. Эффективен для работы лабораторных условиях для исключения попадания в формуемую смесь металлических и деревянных элементов ухудшающих качественные характеристики топливных гранул и повреждающих рабочие органы формователя.

- Респиратор Исток РУ-60 (2 шт) c дополнительными патронами. Использовался для защиты органов дыхания человека от вредных газо- и парообразных веществ и аэрозолей в виде пыли, при подготовке сырья к формованию.

- Наколенники. Использовались для работы неудобных позах тела и на грязных (мокрых) поверхностях в лаборатории и на складах хранения твердых органических отходов.

- Полуботинки рабочие. Использовались для работы в полевых условиях и в лаборатории для защиты ног от пачкающих материалов.

- Набор для экологического контроля. Приборы использовались для экспресс-анализа различных видов исходного сырья (опилки, куриный помет, торф и т.п.) для определения их качественных характеристик, влияющих на процесс их сжигании и качественные характеристики дымовых газов: содержания нитратов солей, радионуклидов, серы, калия, кальция и др.

- Флэшкарта (2 шт.). Использовались для хранения и передачи данных, полученных в процессе выполнения проекта.

- Карта памяти SD. Использовалась для хранения фотоснимков в цифровом фотоаппарате.

- Услуги высокоскоростной связи ”Интернет”. Использовались для сбора и анализа информации по теме проекта.

2 этап. Обоснование рационального состава, рецептуры приготовления топливных гранул на основе органических отходов и получение образцов готовой продукции (01.03.2015 - 30.04.2015).

Приобретено:

- Щиток защитный. Необходим для защиты лица и глаз при работе в лаборатории.

- Дрель-шуруповерт. Использовалась как мобильный миксер для смешивания компонентов смеси в ёмкостях малого объёма.

- Лабораторный стол. Выполнен по специальному заказу для удобной работы с ручным прессом, мобильным миксером (дрелью-шуруповертом) и другими приборами, а также для удобного хранения рабочих инструментов.

3 этап. Разработка описания технологического режима переработки органических отходов в топливные гранулы (01.05.2015 - 30.07.2015).

Приобретено:

- Источник бесперебойного питания (2 шт.). Использовался для обеспечения бесперебойного питания маломощных электрических приборов (ноутбук, микроскоп, лампа), а также как резервный источник питания.

- Сушильный шкаф. Использовался для температурной обработки гранул-сырцов (брикетов) для ускорения процесса набора окончательной массы.

- Вытяжка. Использовалась для удаления неприятных запахов при обработке и сушке сильнопахнущего сырья - куриного помета.

4 этап. Экономическое обоснование технологического режима получения топливных гранул (01.08.2015 - 30.09.2015).

Приобретено 2 картриджа для принтера. Использовались для распечатывания материалов по теме проекта и финального отчета по субсидии.



1. АНАЛИЗ ОБЪЁМОВ ЕЖЕГОДНОГО НАКОПЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ ГОРОДА САНКТ-ПЕТЕРБУРГА И ЛЕНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ

1.1 Вторичные органические ресурсы в РФ

Ежегодно в России на фермах, животноводческих и птицеводческих комплексах, в растениеводческой и зерновой отраслях скапливается более 640 млн. т. сельскохозяйственных отходов. Переработав их на специальных заводах, можно получить около 66 млрд. кубометров биогаза, которые эквивалентны 33 млрд. л бензина. Утилизируя этот газ в газогенераторах, можно выработать 110 млрд. кВт электрической энергии. Агропромышленный комплекс страны, используя эти отходы, способен полностью обеспечить себя электроэнергией и стать энергетически автономным и независимым от центрального электроснабжения. Фактически речь идет о том, чтобы организовать выработку на селе энергии из биологической массы, без ущерба для производства пищевых продуктов, никоем образом не нарушая баланс производства зерна, мяса, молока, яиц и других видов сельскохозяйственного продовольствия. Чтобы более зримо представить себе ситуацию с энергетикой в агропромышленном комплексе страны, можно привести еще несколько характерных цифр.

По данным Министерства сельского хозяйства только в прошлом году здесь было израсходовано на различные нужды 5 миллионов тонн топлива, около 2 миллионов тонн автобензина и 60 миллиардов кВт электроэнергии.

В то же время подсчитано, что только унификация навоза, имеющегося на фермах и животноводческих комплексах, способна дать ее 100 миллиардов кВт энергии. Дальнейшее развитие сельского хозяйства, естественно, влечет за собой и рост различных отходов. Вот той самой биологической массы, способной стать основой для организации биоэнергетической базы в стране. Вкупе с другими возобновляемыми источниками энергии она сможет заменить в будущем убывающее обилие традиционных топливных ресурсов.

В России, в отличие от европейских стран и США, абсолютное большинство свинокомплексов и птицефабрик находится рядом с большими городами. С одной стороны, это хорошо - упрощает снабжение населения необходимой пищевой продукцией. Но с другой они дают значительный объем отходов и, в частности, навоза. Нередко вместе со сточными водами попадают они в городские водопроводные системы, загрязняют почву, становятся причиной зловония. Справиться с этой проблемой пока нет возможности. Строительство промышленных предприятий по переработке сельскохозяйственных отходов и получение на этой основе биотоплива у нас в стране находится в начальной стадии. Начали заниматься этим делом в Иркутской, Кировской, Липецкой, Нижегородской областях. До сих пор большинство российских сельских предприятий свое будущее связывают с поставками бензина, солярки, керосина, угля и централизованного электроснабжения. Основная часть сельского населения России все еще топит домашние печи обычной биомассой, то есть дровами.

Одна из причин этого состоит в том, что вся отечественная сельхозтехника работает у нас на традиционных видах дальнепривозного топлива. Она просто не приспособлена к движению на биологическом топливе. Да и в планах машиностроителей нет никаких изменений по этому поводу. В примитивных условиях сельских мастерских механизаторам приходится самостоятельно заниматься модернизацией своих машин, приспосабливать двигатели работать на биологическом горючем.

1.2 Исследование процессов безотходного обогащения местных видов ископаемых топливно-энергетических ресурсов

На Россия обладает от 40 до 60% мировых запасов торфа и имеет будущее для решения проблем местной энергетики, повышения плодородия почв, экологических задач, экспорта торфа и торфяной продукции. Общие запасы торфа на территории Российской Федерации оцениваются в размере 162,7 млрд. тонн торфа 40% влажности.

Основной проблемой торфяного производства является его высокая зависимость от метеорологических условий в районе функционирования добывающего предприятия. В настоящее время существуют два направления научных исследований нацеленных на повышение надежности производства торфяного топлива и композитного торфяного топлива, представляющего собой смесь торфа с органическими отходами. Первое направление предполагает удаление влаги и неорганических включений из торфяного сырья, т.е. его обогащение, непосредственно, в цеховых условиях, второе - это разработка технологических решений направленных на повышение эффективности полевого обогащения торфа, расширение сезона добычи, но досушка и производство топлива осуществляются также в цеховых условиях.

На основании данных, полученных в результате анализа открытых литературных источников, было выявлено, что удаление влаги из торфяного сырья - это достаточно энергозатратный процесс. При реализации процессов цехового удаления влаги с 86% до 40% (40% - нижняя граница влажности для торфяного топлива) энергозатраты сравнимы по величине с количеством энергии, которое можно получить при сжигании полученного топлива. Таким образом, эффективная подсушка торфяного сырья в полевых условиях, в расширенном добычном сезоне, является необходимым условием обеспечения процесса энергоэффективного производства торфяного топлива и топливных композитов на основе торфа.

При переработке торфяного сырья в полевых условиях необходимо учитывать свойства конкретного вида торфяного сырья. При добыче торфяного сырья экскаватором из залежи, оно поступает на переработку в виде довольно крупных и прочных агрегатов с ненарушенной структурой. При подготовке сырья в процессе полевого обогащения эти агрегаты необходимо разрушить до требуемой крупности. Также получение требуемой крупности торфяной продукции возможно на этапе сепарации нетехнологических включений.

Степень разложения определяет фракционный состав и наличие волокнистых неразложившихся структур, которые создают дополнительные трудности при сепарации и измельчении.

Влажность сырья определяет характер связей отдельных частиц торфа между собой и их взаимодействие с поверхностями рабочего оборудования определяет. При относительной влажности до 48...53% сепарация торфяного сырья осуществляются с наименьшими энергозатратами. При более высокой влажности торфяной материал налипает на рабочие поверхности технологического оборудования, снижая эффективность сепарации.

Засоренность исходного торфяного сырья различными включениями усложняет его переработку. Поэтому в процессе сепарации требуется выделить, как можно, больший объем включений.

В общем случае, торфяное сырье, поступающее на переработку, можно представить как смесь, состоящую из торфа и включений. Нетехнологические включения подразделяются на древесные, минеральные и металлические. Основной объем нетехнологических включений составляют древесные остатки. Древесные включения различны по размерам и форме. Минеральные включения заносятся в торфяную залежь в процессе разработки: при распределении по поверхности залежи выкидки из каналов, содержащей минеральный грунт и при экскавации торфа до минерального грунта. Кроме этого каменные включения могут попадать в торфяное сырье во время транспортирования и перегрузок. Основные минеральные включения - камни, глина, песок. Металлические включения заносятся в торфяное сырье в процессе добычи и транспортировки. В основном это части обрабатывающих машин из черного металла. Торф, в свою очередь, является смесью различных по форме и размерам торфяных частиц или их агрегатов. Размеры, структура и форма частиц торфа зависят от способа добычи, вида торфа, степени разложения. В составе торфа присутствуют неразложившиеся растительные остатки, пушица, элементы очесного слоя залежи.

Торф в любом состоянии представлен частицами разных размеров. Следовательно, торф является полидисперсной системой. В общем случае торф представлен тремя фазами -- твердой, жидкой и газообразной. В зависимости от соотношения этих фаз торф как дисперсная система может рассматриваться в виде суспензии, пылевидной системы и пористого тела.

Установить дисперсность -- значит определить размеры частиц и их процентное содержание в дисперсной системе. Обычно выделяют несколько совокупностей частиц в узком интервале размеров, т.е. несколько фракций. Представление о некоторых фракциях торфа могут дать микрофотографии. Частицы в каждой фракции имеют преимущественно удлиненную форму, характеризующуюся коэффициентом удлинения (отношением размеров длинной и короткой осей частицы), равным 1,59--1,74. Коэффициент вариации размеров частиц в отдельных фракциях составляет 28--34 % Исследования химического состава отдельных фракция торфа, выполненные В. Е Раковским, и другими учеными, показали, что фракции разнородны по химическому составу. Таким образом, торф -- это сложная природная гетерогенная полидисперсная система [41].

Наибольшее значение для технологии торфяного производства имеет установление первичной, или исходной, дисперсности торфа-сырца. При детальном дисперсионном анализе в торфе выделяют следующие фракции: более 3 мм; 3--1 мм; 1--0,5 мм; 0,5--0,25 мм; 0,25--0,10 мм; 0,10--0,05 мм; 0,05--0,02 мм; 0,02--0,01 мм; 0,01 -- 0,005 мм; 0,005--0,002 мм; 0,002--0,001 мм и менее 0,001 мм.

При технологической оценке торфа не требуется детального подразделения его на фракции. В технологической классификации выделяются следующие фракции: грубодисперсные волокнистые (d > 0,25 мм); грубодисперсные (d = 0,25 - 0,01 мм); тонкодисперсные (d < 0,01 мм) и коллоидные (d < 0,001 мм).

Одной из особенностей эксплуатации торфяных машин является наличие в добываемом и перерабатываемом сырье посторонних включений, прочностные свойства которых в значительной степени отличаются от добываемого полезного ископаемого. Наибольшее количество в общей массе занимают древесные включения, количество которых принято характеризовать - пнистостью торфяной залежи, представляющей собой отношение объема пня и других древесных включений к общему объему залежи (вместе с пнем), выраженное в процентах. По содержанию пней залежи подразделяются на: беспнистые 0%), малопнистые (0,5 %), среднепнистые (0,5-2 %) и сильнопнистые (более 2%) 42. Увеличение пнистости залежи значительно усложняет добычу и снижает количество торфяного сырья.

В настоящее время удаление древесных включений из торфяного сырья и их измельчение может осуществляться в процессе добычи на торфяном поле путём применения полевой техники, например машин для глубокого фрезерования МТП-42А или корчевателей КС.

Удаление древесных включений в зависимости от используемой технологии добычи может осуществляться как на стадиях подготовки месторождения и ремонта полей, так и при первичной переработке торфяного сырья путём его сепарации.

Основными технологическими приёмами, направленными на снижение количества древесных включений в торфяном деле являются: глубокое фрезерование залежи с последующим сбором щепы и сепарацией сырья перед переработкой; корчёвка уборка и вывозка пней специальными машинами с последующей сепарацией [43].

Эффективное решение задач по сепарации в ходе полевого этапа обогащения, при работе комплекса по круглогодовой модульной технологии добычи торфа, имеет важное практическое значение для Северо-Западного региона и не представляется возможным без определения рациональных параметров горной техники для конкретных условий эксплуатации на всех этапах производственного цикла.

1.3 Объёмы образования твердых бытовых отходов в России

В России норма ТБО на душу населения составляет порядка 220-240 кг в год, в странах ЕС - 340 - 350, в США - 720 кг. Поневоле приходится признать, что отсутствие цивилизованности в нашей стране в этом плане скорее благо, чем недостаток. Тем не менее, и в нашей стране ежегодно образуется порядка 3,4 млрд.т. отходов, среди которых твердые бытовые отходы (ТБО) составляют примерно 36 млн т. Около 2,7 млрд т. техногенных отходов вывозится для временного захоронения на терриконах, хвостохранилищах, полигонах промотходов. Как считают специалисты, до 30% бытовых и до 50% промышленных отходов могут быть переработаны во вторичное сырье даже по существующим технологиям. В России в течение последних 10 лет темпы роста образования отходов стали выше темпов роста промышленного производства. По данным МПР РФ, в среднем используется повторно или перерабатывается всего около 30% отходов. При этом ТБО перерабатываются примерно на 3-4% (в Москве и Санкт-Петербурге этот показатель достигает 25-27 %), а техногенные отходы - в количестве до 35% от годового объема образования. Объем ТБО в Москве составляет более 2,5 млн. тонн ежегодно с прогнозируемым увеличением к 2008 году до 2 млн. 850 тыс. тонн, 80 тыс. тонн медицинских отходов и 3 млн. тонн промышленных отходов, накопленное количество промышленных отходов на предприятиях не учтено и не поддается оценке. В Санкт-Петербурге каждый год образуется свыше 1 млн. тонн ТБО. Сегодня мусоропереработкой в Санкт-Петербурге занимаются два завода: ГУП «Завод МПБО-2» (проектная мощность -- 600 тыс. куб.м мусора) и ЗАО «Опытный завод» (900 тыс. куб.м).

Примечательно, что конечный продукт их производства -- компост, в отличие от зарубежного одноименного продукта, ни на что не пригоден. Петербургский компост загрязнен солями тяжелых металлов, стеклом, пластмассами и прочим неудобоваримым материалом. Более того, последующее применение такой массы представляет определенную микробиологическую опасность.

1.4 Объёмы образования твердых бытовых отходов в Санкт-Петербурге и Ленинградской области

По данным Жилищного комитета администрации Санкт-Петербурга, город поставляет около 6,5 млн. куб. м бытовых отходов в год, по другим подсчетам, этот показатель близок к 9 млн. куб.м. Из этого объема только 1,5 млн. куб.м (17-23%) отправляется на переработку. Остальные же отходы попадают на специальные полигоны и не только. До последнего времени в городе используются два полигона («Новоселки» и ЗАО «Опытный завод МПБО»). Но с каждым годом объемы мусора, которые они могут разместить, уменьшаются. На сегодня они полностью исчерпали свою проектную мощность и требуют закрытия с последующей рекультивацией территории.

Все чаще «прибежищем» городского мусора становятся несанкционированные свалки. По данным Жилищного комитета, в Санкт-Петербурге и примыкающей к городу территории Ленинградской области насчитывается около 250 несанкционированных свалок, на которых размещено, по весьма приблизительным оценкам, от 500 тыс. до 1 млн. куб. м мусора. Отличительной особенностью нелегальных свалок является высокая концентрация в мусоре тяжелых и редких металлов. Концепция разработана по инициативе правительства Петербурга специалистами РАН. В ней определены основные направления развития сбора, утилизации и переработки отходов. Основное направление концепции - 100% переработка твердых бытовых отходов. Разработчики рассчитали, что на ее реализацию понадобится необходимо более 13,5 млрд. руб. Но из бюджета Санкт-Петербурга планируется потратить лишь около 320 млн. руб. Остальное, то есть большую часть расходов планируется покрыть за счет инвесторов, которые, как предполагается, придут в отрасль.

1.4.1 Твердые бытовые и строительно-промышленные отходы

Из трех имеющихся полигонов в Санкт-Петербурге в наиболее удовлетворительном состоянии находится Южный. В Ленинградской области из 55 имеющихся свалок более половины не отвечают природоохранным и санитарным требованиям:

- отсутствуют санитарно-защитные зоны;

- отсутствуют системы отвода и очистки дождевых вод и фильтрата свалок;

- отсутствуют водоупорные экраны.

Кроме санкционированных свалок и полигонов на территории Санкт-Петербурга и Ленинградской области выявлено соответственно около 350 и 100 несанкционированных свалок. Особенно сильный рост самовольных свалок отмечается в районах размещения садоводческих массивов.

Выдача лимитов на размещение отходов началась в Ленинградской области в 1993 году, а в Санкт-Петербурге в 1994 году. Распоряжением мэра от 21.04.94 N381-р утвержден Временный порядок выдачи разрешений на действия с отходами в Санкт-Петербурге и на подчиненных территориях. Согласно этого порядка разрешение на размещение отходов выдает Ленкомприрода. В целях упорядочения получения природопользователями разрешения на размещение отходов Глава администрации Ленинградской области 19.08.93 подписал Постановление N90 "О порядке выдачи разрешений на размещение отходов (кроме радиоактивных) на территории Ленинградской области". Этим постановлением утверждается Порядок выдачи разрешений и установлено, что разрешение на размещение отходов I и II классов опасности выдает отдел нормирования качества окружающей природной среды Ленкомприрода, а III и IY классов опасности, а также нетоксичных отходов выдают районные и межрайонные комитеты Ленкомприроды.

В 1995 году отчеты об образовании, поступлении, использовании и размещении токсичных отходов были приняты Ленкомприродой от 653 предприятий Санкт-Петербурга и 238 предприятий Ленинградской области.

1.4.2 Отходы-осадки городских очистных сооружений

Городские сточные воды, направляемые на канализационные сооружения, содержат, как правило, 50% стоков от селитебной застройки и 50% промышленных стоков. Промышленные стоки загрязнены солями тяжелых металлов. В процессе очистки из сточных вод выпадает осадок, который также загрязнен солями тяжелых металлов. Их наличие не позволяет использовать органическую часть осадка в качестве удобрений в сельском хозяйстве. Поэтому осадок очистных сооружений захоранивается на специальных полигонах. Накопители осадка (влажность 80%) предусматривают его приемку с канализационных очистных сооружений после механического обезвоживания. Осадок доставляется с очистных сооружений к месту захоронения специальным автотранспортом. Механически обезвоженный осадок разгружается в накопитель со специальных разгрузочных площадок, расположенных по контуру земляных карт (емкостей, из которых состоят накопители осадка).

Осадки от городских очистных сооружений в 1995 году составили 562,1 тыс.т. Содержание в них тяжелых металлов в среднем составило 5910 мг/кг, в том числе содержание ртути - 2,7 мг/кг, кадмия - 115 мг/кг.

Проблема захоронения осадков очистных сооружений для городов Ленинградской области не менее актуальна, чем для Санкт-Петербурга.



1.4.3 Переработка и утилизация отходов

Для размещения бытовых, малоопасных промышленных и строительных отходов в Ленинградской области имеется 11 полигонов, 60 санкционированных и 70 несанкционированных свалок. Ежегодный объём принимаемых отходов на них составляет до 4.3-4.5 млн. м3.

Основной проблемой для Санкт-Петербурга на ближайшие годы станет проблема обращения с отходами потребления и производства, которые в свою очередь делятся на твердые бытовые отходы (ТБО), промышленные отходы, опасные отходы. Правительство Санкт-Петербурга Постановлением от 10.08.95 N43 утвердило Основные направления действия администрации города по охране окружающей среды на 1996-2005 годы, определив на этот период проблему отходов как приоритетную. Решение этой проблемы должно позволить к 2005 году перейти на промышленный уровень переработки твердых бытовых, промышленных и токсичных и медицинских отходов и свести к минимуму их негативное воздействие на качество окружающей среды и здоровье населения.

1.4.4 Переработка и захоронение бытовых и промышленных отходов

Твердые бытовые отходы (ТБО) отходы, образуемые в результате жизнедеятельности населения. Промышленные отходы - отходы, образующиеся в результате деятельности промышленных предприятий. К ним также относят строительные отходы. Ежегодно в Санкт-Петербурге образуется около 5 млн. кубических метров твердых бытовых отходов и промышленных отходов 3-4 класса опасности.

Эти отходы перерабатываются на заводах по механизированной переработке бытовых отходов (МПБО) и захораниваются на полигонах твердых отходов (ПТО). Механизированной переработке подвергаются примерно 30% бытовых отходов города Проектная мощность заводов по переработке ТБО составляет 1,5 млн. кубических метров отходов в год: 900 тыс. кубических метров отходов для МПБО-1 и 600 тыс. кубических метров для МПБО-2. Фактически в 1997 году переработано 1,355 млн. кубических метров, что связано с износом технологического оборудования МПБО-1. Остальные ТБО и строительно-промышленные отходы размещаются на трех полигонах твердых отходов ПТО-1, ПТО-2 и ПТО-3, которые являются природоохранными сооружениями, обеспечивающими защиту от загрязнения атмосферы, почвы, поверхностных и грунтовых вод, препятствующие распространению болезнетворных микроорганизмов, обустроенные и эксплуатируемые в соответствии с проектами и технологическими регламентами. Количество образуемых отходов ежегодно увеличивается.

Специфические свойства органической фракции ТБО делают возможным ее использование для получения компоста. Основные недостатки компостирования исходных ТБО - загрязнение компоста солями тяжелых металлов и небиоразлагаемыми компонентами (стекло, пластмассы, камни, текстиль и пр.). Процессы компостирования хорошо поддаются механизации.

На заводах МПБО-1 и МПБО-2 реализована технология производства компоста методом аэробного взбраживания ТБО во вращающихся биобарабанах. Технологическая схема механизированная переработки ТБО заключается в следующем: поступающие отходы ссыпаются в приемный бункер и после удаления крупногабаритных предметов поступают на биотермическую переработку. Во время транспортировки производится предварительное отделение черных металлов. Биотермическая переработка отходов осуществляется в медленно вращающихся барабанах. После биотермической переработки с помощью грохота осуществляется отделение не поддавшихся переработке материалов (пластмасса, кость, кожа, стекло и пр.) от компоста. Не поддавшаяся компостированию часть отходов поступает в пиролизную установку. В результате пиролиза образуется горючий газ, используемый для работы печей, пирокарбон (твердый углеродосодержащий продукт, используемый в металлургии) и фус (смесь жидких углеводородов). Товарной продукцией является компост, металлолом и пирокарбон. Возросшие нормативные требования по охране окружающей среды значительно ограничили область использования компоста и снизили эффективность применяемой технологии. В настоящее время более половины вырабатываемого компоста направляется на полигоны для использования в качестве изолирующего материала. Завод МПБО-1 (Горелово) расположен на территории 50,1 га в районе Волхонского шоссе (Санкт-Петербург) и предназначен для механизированной переработки ТБО. Первая очередь завода была введена в эксплуатацию в декабре 1970, вторая очередь - в июне 1982. Проектная мощность - 900 тыс. кубических метров отходов. В 1997 г. заключен новый договор аренды с КУГИ Красносельского района от 12.02.97 №08-3к-00482.Завод МПБО-2 (Янино) расположен на территории 17 га во Всеволожском районе Ленинградской области в районе поселка Янино. Первая очередь завода проектной мощности 600 тыс. кубических метров отходов была введена в эксплуатацию в декабре 1994.Структуру продукции, получаемой из твердых бытовых отходов на МПБО-1 и МПБО-2 за последние годы, иллюстрирует таблица.

Полигон твердых отходов ПТО-2 расположен на землях Всеволожского района Ленинградской области у деревни Самарка. Полигон предназначен для размещения строительных отходов и промышленных твердых отходов 3-4 класса опасности. Отвод земельного участка был осуществлен по Решению Леноблсовета от 29.04.70 г. за № 193/16 в соответствии с Распоряжением СМ РСФСР от 07.03.72 за № 333-р. Площадь территории полигона составляет 60 га. В 1997 году заключен договор аренды территории с муниципальным образованием Всеволожского района от 28.05.97 г. № ЛО-3507-3099.

Полигон твердых отходов ПТО-3 расположен в западной части Выборгского района Санкт-Петербурга на территории Парголовского парк лесхоза в 2 км от поселка Новоселки. Полигон предназначен для складирования ТБО, отходов промышленного производства и городского хозяйства. ПТО-3 был введен в эксплуатацию в 1972. Ежегодный объем отходов, поступающих для размещения, составляет в среднем 1,5 млн. кубических метров. Объем размещенных на его территории отходов на 01.01.98 г. составляет 32,3 млн. кубических метров.

Приморская свалка расположена в северо-западной части Приморского района к востоку от Лахтинского разлива. Свалка представляет собой два вытянутых в юго-восточном направлении участка - северный и южный, занимающих площадь около 75 га. Она была открыта после войны и эксплуатировалась до 1976. Для приема твердых бытовых отходов свалка была закрыта в 1972, а для приема строительно-промышленных отходов в 1976. Объем свалочных масс составляет 4,8 млн. кубических метров отходов. Бывшая свалка представляет собой напластования бытовых и строительно-промышленных отходов. Около 65% накопленных на свалке отходов составляют отходы органического происхождения. После вывоза части накопленных на свалке отходов территория Приморской свалки должна быть рекультивирована.

В результате реконструкции заводов МПБО предпологается изменить потоки движения отходов. Резко увеличится процент объема отходов, перерабатываемых механизированным способом, тем самым снизится нагрузка на полигоны твердых отходов, что приведет к улучшению экологической обстановки в Санкт-Петербурге.

1.4.5 Несанкционированные свалки бытовых и промышленных отходов

Всего по данным Комитета по благоустройству и дорожному хозяйству, Управления по охране окружающей среды, ГУВД и Ленкомэкологии на территории города расположено 284 несанкционированные свалки. Состав свалочных масс на несанкционированных свалках различный - от бытовых отходов до промышленных и строительного мусора. На свалках бытовых отходов преобладают:

- биогенный материал - 20-22%,

- бумага, картон - 20-25%,

- стекло - 8-10%,

- пластмасса - 6-8%.

Отличительной особенностью несанкционированных свалок промышленных и бытовых отходов является высокая концентрация тяжелых и редких металлов, наиболее токсичных среди химических элементов, постоянно присутствуют органические токсиканты, нередки случаи обнаружения радиоактивных материалов. Наименее опасны свалки строительного мусора, содержащие в основном нетоксичные отходы, инертные вещества. Пополняют несанкционированные свалки и токсичные отходы промышленных предприятий.

В целях сокращения попадания токсичных отходов на свалки города, заключены соглашения с заинтересованными организациями по сбору, транспортировке и утилизации полимерных материалов, образующихся в учреждениях здравоохранения; свинецсодержащих промышленных отходов (в частности аккумуляторных батарей), изношенных автопокрышек и других резиновых изделий; пластиковых бутылок и алюминиевых банок.

Очищенные территории необходимо закреплять за владельцами, контролировать выдачу лицензий предприятиям, которые намерены заниматься вывозом отходов. В 1996 году было ликвидировано 46 несанкционированных свалок. За 1997 год ликвидировано 78 свалок на территории 10 районов города. В соответствии с поручением губернатора Санкт-Петербурга от 20.10.97г и постановлением городского штаба благоустройства № 149 от 21.10.97г с 22 по 24 ноября совместно с представителями Комитета по благоустройству и дорожному хозяйству, Ленкомэкологии и районных управлений по благоустройству были проведены рейды по несанкционированным свалкам Выборгского, Невского и Приморского районов. На территории этих районов приходится наибольшее количество свалок, как по количеству, так и по объему. 462 тыс. куб. м.

В настоящее время в Санкт-Петербурге и пригородах образуется около 1 млн. т ТБО в год; на одного жителя города приходится 180 - 200 кг ТБО в год. Анализ показывает, что в ближайшем будущем (до 2002 г.) масса отходов останется без существенных изменений. Следует однако ожидать роста отходов бытовой техники (автомобили, холодильники и т. д.).

Действующая в настоящее время Схема вывоза отходов не удовлетворяет условиям, существующим в районах плотной застройки города ( исторический центр Санкт- Петербурга).

Станции перегруза ТБО в контейнеры большой емкости не всегда соответствуют требованиям санитарной безопасности. Наряду со специализированными автотранспортными предприятиями лицензии на транспортировку ТБО получают мелкие частные фирмы, контроль за работой которых практически не осуществляется. Частные домовладения в пригородах не имеют централизованной системы мусороудаления.

Поступающие на переработку ТБО загрязнены опасными веществами, в силу чего производимый компост не может применяться в сельскохозяйственном производстве. Таким образом, основным тормозом для эффективного использования метода биотермического компостирования является отсутствие системы селективного сбора ТБО и прежде всего - отбора их опасных составляющих.

Экономический аспект, являющийся важным фактором при обращении с ТБО, используется не в полной мере для оптимизации процессов их сбора, транспортировки и переработки.

В настоящее время образующиеся на промышленных предприятиях Санкт-Петербурга и Ленинградской области неутилизируемые токсичные отходы направляются на полигон "Красный Бор", где частично перерабатываются термическим методом, а в основной массе захораниваются в картах-траншеях.



2. ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОГО СОСТАВА, РЕЦЕПТУРЫ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ ГРАНУЛ НА ОСНОВЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ И ПОЛУЧЕНИЕ ОБРАЗЦОВ ГОТОВОЙ ПРОДУКЦИИ

2.1 Теоретический анализ функционирования механико-технической системы переработки обогащенного органического сырья в окускованное топливо

В результате деятельности сельского хозяйства города Санкт-Петербурга и Ленинградской области образуются твердые (солома, сено, лузга) и жидкие органические отходы (навоз, помет, отходы животноводства). Применение их в народном хозяйстве имеет самые разные варианты. Наиболее востребованный подход к переработке таких отходов является получение топлива, которое получило название - биотопливо. Энергия, получаемая из биотоплива, называется биоэнергией. Биотопливо является возобновляемым энергоресурсом, товаром, имеющим возрастающий спрос на мировом рынке. В связи с этим важна стандартизация как различных видов биотоплива и методов определения их характеристик, так и оборудования, используемого для производства энергии на основе биотоплива. Европейский Комитет по Стандартизации разработал ряд таких стандартов.

Значительный энергетический потенциал содержится в отходах животноводства. Использование этого потенциала возможно термохимическими или биохимическими методами. В первом случае речь идет в основном о твердых бытовых отходах, которые либо сжигаются, либо газифицируются на мусороперерабатывающих фабриках. Во втором случае сырьем является навоз или жидкие бытовые стоки, которые перерабатываются в биогаз.

Твердое биотопливо получается из сельскохозяйственных культур или отходов, образующаяся при производстве подсолнечного масла, гречки, риса, прочих круп (шелуха, лузга, солома) и др. Оно используется в котельных, на электростанциях для получения тепла и электричества путем сжигания.

Древесное биотопливо наиболее популярно. Однако, утилизация древесной биомассы, особенно лесных отходов, даже в Европе очень невелика по сравнению с их потенциалом, достоинствам древесного биотоплива относятся:

­ малая зольность(0,4-1,5%);

­ незначительное содержание серы (менее 0,05%);

­ углекислотная нейтральность;

­ высокое содержание летучих веществ (80-85%);

­ химическая стабильность органической массы с высокой теплотой сго-рания (у обезвоженной древесины 4460-4560 ккал/кг; у топлива с влажностью 45-60% теплота сгорания снижается в 2,2-3,5 раза, таблица 2.2).

Влагогосодержание древесного топлива существенно влияет на меха-низмы и эффективность процессов горения и теплообмена в энергогене-рирующих установках.

Источниками сырья для получения древесного топлива являются:

­ отходы, получаемые от деятельности лесопромышленного комплекса традиционные отходы лесозаготовок, образующиеся на лесосеке (лесосечные отходы);

­ первичные ресурсы от специально выращенных быстрорастущих посадок деревьев и кустарников.

По степени переработки сырье для древесного топлива делится на:

- необработанное: опилки, стружка, кора, древесный порошок, пыль, остатки деревообрабатывающих производств;

- малой степени переработки: топливная щепа, дрова;

- высокой степени переработки: брикеты, древесные топливные гранулы древесный уголь.

Древесное биотопливо можно также классифицировать:

- по породам древесины, из которых оно произведено;

- по влажности,

- по структуре (кусковые крупные, средние, мелкие, сыпучие);

- по сортименту исходного сырья (отходы пиломатериалов, отходы фанеры, древесностружечных плит и др.)

Объем древесных отходов измеряется в насыпных (складских) ку-бических метрах. Насыпной объем древесного топлива (м³_c) включает пространство между частицами материала. Плотный объем древесного топлива (м³пл) не включает пространство между частицами материала.

Влажность древесины играет значительную роль при ее использовании. При переработке древесины образуется значительная количество различных горючих отходов (крона, сучья, пни, кора, опилки, щепа, лигнин), которые имеют разный гранулометрический состав, различную влажность и теплоту сгорания. Теплота сгорания древесных отходов в степени зависит от содержания в них влаги.

Наиболее встречающиеся значения колеблются по влажности от 40% до 60% при использовании древесных отходов от свежесрубленной древесины. Диапазон изменения теплоты сгорания древесных отходов составляет от 3,9 до 15,5 МДж/кг.

Древесные топливные гранулы и брикеты (пеллеты, ДТГ) - это небольшие цилиндрические прессованные изделия из древесины диаметром 4-12 мм, длиной 20-50 мм, переработанные из высушенных остатков деревообрабатывающего и лесопильного производства; опилок, стружки, древесной муки, щепы, древесной пыли и т.д. [14].

Гранулы могут быть также сделаны из торфа, соломы, сена, куриного помета и других видов биотоплива.

Гранулы используются в котлах для получения тепловой и электрической энергии путем сжигания. Преимуществом использования древесных гранул перед другими видами топлива является:

­ снижение вредных выбросов в атмосферу: древесное биотоплив признано СО₂ - нейтральным, т.е. при его сжигании количество выделяемого углекислого газа в атмосферу не превышает объем выбросов, который бы образовался путем естественного разложения древесины;

­ большая теплотворная способность по сравнению со щепой и с кусковыми отходами древесины.

­ низкая стоимость по сравнению с дизельным топливом и электро-отоплением;

­ чистота помещения, в котором установлен котел;

­ возможность автоматизации котельных.

Качество и вид древесных гранул зависит от сырья. Корьевые (с корой или из коры) гранулы обычно бывают темного цвета, гранулы из опилок и чистых отходов ели или березы имеют белый цвет. Чаще всего древесные гранулы делят на два вида, хотя в разных странах применяются различные классификации:

­ высококачественные (экстра) гранулы - используют для отопления жилых домов, в небольших котлах, печах и каминах;

­ промышленные гранулы - используются на больших ТЭЦ, как правило, для производства теплоэлектроэнергии для населенных пунктов или предприятий.

Древесные брикеты - это также как и гранулы, прессованные изделия, но большие по размеру. Их недостаток связан со сложностью автоматизации подачи в топку.

Сельскохозяйственные гранулы или агрогранулы производят из соломы, сена, лузги подсолнечника, шелухи риса и гречихи, специально выращенной травы. Лидер по производству и использованию агрогранул Италия.

Энергетические посадки травы для производства гранул существует в различных странах. В частности, в Северной Швеции выращивают подобную траву. В области Норботен (Северная Швеция) прирост травы составляет 7 тонн на га в год.

Траву или солому собирают с помощью специальных машин, прессующих ее в рулоны различного размера. Наиболее популярны - круглые рулоны и продольные рулоны размером 2,2x1,5 м и весом 250-300 кг. Продольный рулон имеет размер 1,2x1,3x2,4 м, вес его составляет 450 кг.

Кроме энергетической травы, выращивают также энергетический лес (или древесину). Энергетический лес - специально выращиваемые деревья (в основном, различные типы ивняка). Каждые четыре года деревья вырубают. Годовой урожай также как и у энергетической травы может составлять 7 т на гектар. Однако это за 4 года, а трава дает такой же показатель за год.

Получает популярность и сжигание подсолнечной лузги. По сравнению с древесиной, лузга подсолнечника имеет сравнительно высокую теплоту сгорания, имеет относительно небольшое содержание влаги и значительную зольность.

При сжигании различного биотоплива выделяется определенный, процент серы, золы и углекислого газа. Также здесь приведена теплота; сгорания. Как видно из таблицы, гранулы из соломы и торфа имеют более высокую зольность, чем древесные гранулы или щепа.

2.2 Требования к исходному торфяному сырью для производства окускованного органического топлива для функционировании кластера распределенной энергетики

В настоящее время утилизация отходов сельского хозяйства (агро- и животноводческих хозяйств) идет по направлениям складирования (захоронения) и компостирования. В тоже время, ранее было показано, что отходы данного промышленного сектора при определенных технологиях подготовки, обогащения и переработки могут с достаточной эффективность использоваться в энергетических целях. Высокая потребность в местных видах топлива и надежном автономном энергообеспечении малых населенных пунктов являются движущим фактором для становления бизнеса в области производства топлив на базе местных возобновляемых ресурсов органического сырья. Известные методы переработки отходов агропредприятий и лесного комплекса в твердое топливо (брикеты, пеллеты и т.п.) показали свою эффективность и востребованность. В тоже время огромные количества отходов животноводческого и птицеводческого секторов не нашли своего широкого применения. Данные отходы представляют большую опасность для экосистем вблизи мест их складирования, обладают высокой миграционной способностью и наносят серьезный ущерб окружающей среде. Обоснование и создание коммерчески привлекательных технико-технологических решений, позволяющих вовлечь отходы данного типа в процесс производства топлив и энергии для местных нужд является одной из основных задач проводимого поискового исследования.

Создание энергоплогтного композиционного топлива, пригодного для использования на объектах распределенной энергетики и технико-технологическое обеспечение его производства обеспечат повышение эффективности функционирования сельскохозяйственных предприятий (животноводческих и агро- хозяйств) и снижение антропогенного воздествия на компоненты окружающей среды.

Сочетание новых технологий добычи торфяного сырья и способов его обогащения и переработки, позволяют обеспечивать заданное качество продукции и существенно расширить спектр применения торфяного сырья.

Такие подходы в полной мере соответствуют получению композитного окускованного топлива на основе торфа, как одного из приоритетов, имеющего хорошие перспективы в силу возрастающих потребностей распределенной энергетики [31].

Для полного описания свойств торфяного сырья как массы для цехового производства композитного топлива методом экструзии, необходим достаточно большой набор различных параметров (значения вязкости в определённых режимах, пластичность, эластичность, период релаксации, индекс течения, критерий формования и т.д.). Эти параметры, как правило, напрямую связаны с другими характеристиками торфяного сырья. Как показывает опыт работы с самыми разнообразными дисперсными системами, зачастую важно не абсолютное значение тех или иных величин, а их соотношение с другими параметрами сырья.

Эффективная полевая сушка торфа в расширенном сезоне возможна до значений 60-70 % влажности. Таким образом, необходимо определить, какие параметры торфяного сырья можно выделить в качестве критерия формуемости для экструзионного цехового формования торфяного топлива и композитного топлива на основе торфа заданной геометрической формы в диапазоне влажности 60-70 %.

В качестве критериев формуемости торфяного сырья можно определить:

1) в торфяной массе должны достаточно легко развиваться пластические деформации, т.е. масса должна в процессе продавливания через фильеры матрицы обеспечивать неразрывность течения;

2) после выхода из фильеры пресса торфяной кусок должен сохранить приданную форму без видимых дефектов и его плотность должна позволять проведение последующих технологических операций (транспортировка, кондиционирование, сушка и т.д.);

3) торфяной кусок не должен иметь макродефектов, снижающих его механическую прочность и ухудшающих товарный вид готового топлива;

4) в процессе последующей сушки не должны возникать дефекты (растрескивание), которые часто возникают в результате фазовых переходов, связанных с объемной усадкой окускованного топливного продукта.

Другой аспект проблемы экструзионного формования массы заключается в том, что при прохождении через шнековый пресс и фильеры матрицы она подвергается воздействию довольно значительных внешних механических напряжений, создаваемых шнеком. Поскольку торфяная масса является неньютоновской жидкостью, то под действием внешних усилий могут резко изменяться ее реологические свойства, в частности, эффективная вязкость.

К качественным характеристикам исходного торфяного сырья, поступающего на переработку с целью получения окускованного топлива, относятся: ботанический состав, степень разложения, зольность, а также регулируемые в процессе обогащения: влажность, дисперсность и засоренность (древесные включения, куски мерзлоты) [32].

Степень разложения и ботанический состав в значительной мере влияют на свойства торфа, поэтому используются в качестве универсальных показателей для расчета параметров технологических процессов переработки торфяного сырья.

Окускованное торфяное топливо согласно ГОСТ Р 51062-2011 [33] может производиться из торфяного сырья всех типов степенью разложения не менее 15 % и зольностью не выше 23 %. Однако, прочность окускованного топлива в значительной степени зависит от вида торфа, что следует учитывать при выборе месторождений в качестве сырьевых баз для разработки.

С ростом степени разложения и дисперсности торфа изменяется количественный и качественный состав связанной воды. В торфе низкой степени разложения преобладает внутриклеточная и капиллярная вода крупных пор и малой энергии связи. Торф высокой степени разложения содержит в основном иммобилизованную и осмотическую, а также капиллярную воду мелких пор с более высокой энергией связи. Верховые виды торфа из-за высокой влагоемкости содержащихся в нем растительных остатков и гидрофильных коллоидов удерживают много влаги, что затрудняет их обезвоживание и требует больших затрат энергии на его обогащение по сравнению с низинными видами торфа [34].

Органическая часть торфа представлена следующими группами соединений: битумы - Б, водорастворимые - ВР, легкогидролизуемые - ЛГ, гуминовые вещества - ГВ (гуминовые кислоты - ГК), целлюлозу - Ц и негидролизуемый остаток (лигнин) - Л.

Таким образом, из природных факторов на прочность окускованного торфяного топлива влияют степень разложения, содержание гумуса, тип надмолекулярных структур и т. д., из технологических -- степень переработки, уплотнение массы, размер куска и др.

Катионный и групповой состав различных видов торфа в значительной мере является следствием торфообразовательных процессов, которые наряду со степенью разложения и дисперсностью торфа определяют структурообразование в ходе получения торфяной продукции. Причем эта взаимосвязь является определяющим фактором в производстве окускованного торфяного топлива [34].

Верховой торф средней и высокой степени разложения более пластичен, чем насыщенный катионами низинный. При десорбции влаги в его объеме отсутствуют условия, вызывающие неоднородное агрегирование и локальные перенапряжения. Низкая диссоциация функциональных групп и повышенная подвижность макромолекул, их звеньев способствует в процессе усадки взаимодиффузии и образованию весьма плотных структур за счет непосредственного взаимодействия через функциональные группы. В низинном же торфе происходит компактно-коагуляционное структурообразование на основе взаимодействия через поливалентные катионы. Растет способность структуры сопротивляться усадке. Капиллярное давление развивается в центральных зонах сформованного куска, что вызывает неравномерный сдвиг и разрыв слабых связей между частицами и появление микротрещин.

Известно, что при полевой сушке низинный кусковой торф имеет повышенную крошимость по сравнению с верховым. Причиной этого считается состояние коллоидной фракции [35], коагулированной в торфяной залежи ионами Са, которого содержится в 5--10 раз больше, чем в верховом торфе. Коагуляция коллоидной фракции низинного торфа приводит к понижению ее связующей способности и уменьшению прочности торфяного куска. Данное обстоятельство следует учитывать при введении в композитное топливо на основе торфа органических добывок с высоким содержанием Са. Однако этим объясняются скорее причины меньшей прочности низинного торфа, чем причины его крошимости. Повышенная крошимость низинного торфа зависит от структурных особенностей. Возникновение водопрочных и истинных агрегатов является следствием необратимой коагуляции коллоидов. Необратимое свертывание их может иметь место при условии насыщения коллоидов фракции катионами трех- или двухвалентных металлов, например Fe или Са. Преобладание этих ионов характерно для низинного торфа, вследствие чего при его сушке образуются не растворяющиеся в воде агрегаты. У верхового же торфа содержание ионов этих металлов намного выше, в результате чего при его сушке образуются слабые агрегаты, распадающиеся при увлажнении торфа [36].