Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОГЕНЕРАТОРА НА ОСНОВЕ МАЛОРАЗМЕРНОЙ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЙ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ

Морозенко М.И. 1 Кусачева С.А. 1 Черняев С.И. 1
1 Калужский филиал ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана»
Исследована возможность эффективного использования технологии микробиологической утилизации отходов растительного происхождения с целью получения биогаза и дальнейшей выработки тепловой и электрической энергии на базе малоразмерных газотурбинных установок. Основываясь на данных морфологического и элементного состава отдельных компонентов отходов, определена энергетическая ценность получаемого биогаза. Приведены расчетные технико-экономические данные по переработке отходов с использованием технологии микробиологической утилизации. Полученные результаты позволяют считать предлагаемую технологию с использованием когенератора экономически эффективной и привлекательной как для инвестора, так и для общества. Применение биогаза в когенерационных установках с использованием технологии микробиологической утилизации позволит получить значительный эколого-экономический эффект, оптимизировать потребление природных ресурсов, а также может способствовать стабилизации развития отдельных отраслей производства.
микробиологическая утилизация отходов
когенерация
газотурбинная электростанция
инвестиционная привлекательность
1. Газотурбинные электростанции. ГТЭС-200. [Электронный ресурс]. // ОАО «Калужский двигатель»: сайт. – Режим доступа: http://www.kadvi.ru/Produkt_gp_tes200.htm (дата обращения: 15.05.2016).
2. Добыча и утилизация биогаза. [Электронный ресурс]. // Переработка мусора (ТБО) – инвестиции в будущее: сайт. – Режим доступа: http://ztbo.ru/o-tbo/lit/texnologii-otxodov/dobicha-i-utilizaciya-biogaza (дата обращения: 14.05.2016).
3. Коваленко В.И., Кузнецов Л.М. Исследование рынка экологических услуг: Учеб, пособие. – СПб.: СПбГИЭУ, 2007. – 170 с.
4. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов. – М.: Экономика, 2000. – 421 c.
5. Морозенко Д.Н., Кусачева С.А., Черняев С.И. Производство электрической и тепловой энергии в процессе утилизации твердых бытовых отходов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2016. – № 7 (часть 6). – С. 943–948.
6. Постановление Правительства РФ от 12 июня 2003 г. № 344. «О нормативах платы за выбросы в атмосферный воздух загрязняющих веществ стационарными и передвижными источниками, сброса загрязняющих веществ в поверхностные и подземные водные источники, размещение отходов производства и потребления»: http://tk-servis.ru/uploads/files/ntd-20150517-133955.pdf.
7. Сравнительный анализ стратегий обращения с отходами [Электронный ресурс]. // ИАА «Cleandex»: сайт. – Режим доступа: http://www.cleandex.ru/articles/2010/02/16/waste-management_article_1 (дата обращения: 15.05.2016).
8. Черняев С.И. Развитие экологического маркетинга в России и за рубежом // Экономика. Управление. Право. – М., 2013. – № 5. – С. 3–6.
9. Энергетическая стратегия России на период до 2035 года. Основные положения [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.energosovet.ru/stat835.html (дата обращения: 12.05.2016).

В настоящее время в связи с ухудшением общей экологической обстановки и ожидаемым в ближайшем будущем дефицитом ископаемого топлива требуются новые подходы к созданию условий для использования нетрадиционных видов топлива, которые должны быть экономически и экологически приемлемыми – т.е. максимально безопасными для окружающей среды (ОС). Уже сейчас понятно, что для обеспечения устойчивого развития общества, вектор модернизации мировой энергетики будет направлен в сторону уменьшения затрат и использования возобновляемых источников. В связи с этим практически во всех странах все более пристальное внимание уделяется проблеме использования образующихся во всё возрастающих количествах, твердых коммунальных отходов (ТКО), а также отходов производства и потребления. Процессы обращения с отходами находятся на острие комплекса актуальных проблем человечества потому, что они являются серьезным источником загрязнения почвы, грунтовых вод и атмосферы. Одним из путей решения проблемы считается использование ТКО, а также отходов производства и потребления, в качестве источников вторичного сырья, позволяющего достичь повышения эффективности производства за счет экономии материалов, обеспечить расширение сырьевой базы для разных отраслей промышленности, а также существенного улучшения экологического статуса территорий за счет снижения техногенного загрязнения ОС [5, 7].

Таблица 1

Технико-эксплуатационные характеристики ГТЭС – 200

Характеристика

Значение параметров

Номинальная мощность, кВт

200

Частота тока, Гц

50

Число фаз

3

Номинальная тепловая мощность), Ккал/ч:

– при номинальной электрической мощности

– на холостом ходу

650 000

400 000

Температура воды на выходе из котла-утилизатора, °С

95

Давление воды (при работе изделия) на входе в котел-утилизатор, кг/см2

от 1,1 до 6,0

Часовой расход топлива в стандартных атмосферных условиях, кг/ч:

– на дизельном топливе;

– на природном газе

90

82

Расход масла, г/ч, не более

80

В комплекс предлагаемых мер, способствующих преодолению сложившейся практики, входят стимулирование сокращения образования новых и утилизации накопленных отходов, а также обеспечение безопасного обращения с ними, проведение рекультивации земель и других технических и организационных мероприятий по компенсации ущерба, наносимого природной среде; стимулирование научных исследований и поддержка разработки перспективных технологических решений, направленных на снижение негативного воздействия на ОС и экологических рисков; новые технологии газификации твердого топлива, включая биомассу, коммунальные и прочие отходы [7, 9].

Наличие огромного числа полигонов ТКО и стихийных свалок заставляет все больше внимания уделять технологиям их утилизации с выделением заключенного в них энергоносителя в виде биогаза, образующегося в результате анаэробного разложения органической фракции отходов. Из общего количества метана, ежегодно поступающего в атмосферу, 40–70 % образуется в результате антропогенной деятельности, причем более 20 % из них приходятся на объекты размещения, хранения и захоронения отходов. Подсчитано, что из одной тонны ТКО, а также отходов производства и потребления образуется около 200 м3 газа. При этом первые 15–20 лет при разложении одной тонны этих отходов выделяется до 7,5 м3 биогаза в год. Следует отметить, что биогаз относится к числу газов, создающих «парниковый эффект» и влияющих на изменение климата Земли в целом. Кардинальному снижению выбросов парникового газа и его использованию в качестве альтернативного источника энергии способствуют технологии с применением современного оборудования [3]. Например, во всем мире все более активно завоевывают рынок локальные установки, работающие в режиме когенерации – производства двух видов полезной энергии из одного, первичного источника. Наряду с производством тепловой энергии при сжигании биогаза, когенерация позволяет производить электрическую энергию, которая может быть использована для собственных нужд субъекта экономики или реализована по выгодным тарифам в общую распределительную электрическую сеть. Поскольку биогаз является сопутствующим продуктом при переработке органической фракции отходов, затраты на эксплуатацию таких установок будут связаны в основном с отчислениями на оборудование и на его сервисное обслуживание.

Рассмотрим возможность применения технологии микробиологической утилизации ТКО, а также отходов производства и потребления для получения электроэнергии либо комплексного производства и электроэнергии, и тепла на базе малоразмерных газотурбинных двигателей. В табл. 1 представлены технические характеристики газотурбинной электростанции ГТЭС–200, выпускаемой ОАО «Калужский двигатель» на основе высокооборотных газовых турбин и применяемой в качестве основного, вспомогательного или аварийного автономного средства тепло- и электроснабжения, работающего на различных видах жидкого и газообразного топлива.

Использование биотоплива позволяет снизить содержание токсичных веществ СОх и NOх в выхлопных газах [1]. Применение ГТЭС-200, в качестве когенератора, функционирующего совместно с установкой микробиологической утилизации отходов, предлагается по схеме, представленной на рисунке [5].

mor1.tif

Биоэнергетическая установка с использованием технологии микробиологической утилизации отходов для комбинированного производства электроэнергии и тепла (1 – система сортировки и подачи ТКО; 2 – установка микробиологической утилизации ТКО; 3 – газгольдер; 4 – компрессор; 5 – камера сгорания; 6- газовая турбина; 7 – электрогенератор; 8 – утилизационный паровой (водогрейный котел); 9 – питательный насос)

Таблица 2

Морфологический состав отходов, поступающих на полигон г. Калуги и показатели производительности биореактора

Состав отходов и показатели производительности

Наименование компонента отходов

Размерность

Значение

Бумага, картон

% об.

30,5

Пищевые отходы

% об.

40

Обрезки деревьев, листья

% об.

0,5

Текстиль

% об.

3

Кожа, резина

% об.

1,5

Полимерные материалы

% об.

13

Кости

% об.

1,5

Металл черный

% об.

2

Металл цветной

% об.

2

Стекло

% об.

2

Камни, керамика

% об.

3

Прочее

% об.

1

ВСЕГО

% об.

100

Неорганическая составляющая

% об.

19

Органическая составляющая

% об.

81

Влажность отходов

% об.

20

Из 1 т/ч поступающих на переработку отходов:

Воды

т/ч

0,2

Неорганической составляющей

т/ч

0,13

Органической составляющей

т/ч

0,67

Поступает в биореактор органической составляющей

м3/сут

10

Количество биореакторов

шт

2

Исходные данные, а также данные, полученные в результате проведенных расчетов эксплуатационных и экономических показателей биоэнергетической установки с использованием технологии микробиологической утилизации отходов для когенерации электроэнергии и тепла, приведены в табл. 2 и 3.

Таблица 3

Эксплуатационные показатели установки переработки отходов (производительностью 4000 т/год) с использованием технологии микробиологической утилизации и комбинированного производства электрической и тепловой энергии

Наименование показателей

Размерность

Значение

Число рабочих часов в году

ч

7500

Плотность отходов

кг/м3

550

Годовой объем переработки отходов

т

4000

м3

7272,7

Характеристики получаемого биогаза

Удельный выход биогаза с 1 т отходов органического

происхождения

м3/т

200

Низшая теплота сгорания биогаза

МДж/м3

25

Плотность биогаза

кг/м3

0,72

Показатели производства энергии

КПД по выработке электроэнергии

%

23,3

Коэффициент использования тепла

%

81,3

Годовая выработка электроэнергии

ГВт

1,5

Номинальная электрическая мощность

кВт

200

Номинальная тепловая мощность

Ккал/ч

650000

Экономические показатели

Количество обслуживающего персонала

чел

15

Средняя ставка месячной оплаты труда

тыс. руб.

35,0

Заработная плата сотрудников с начислениями

тыс. руб./год

7749,0

Стоимость 1 кВт*ч электроэнергии

руб.

3,0

Стоимость 1 Гкал тепла

руб.

1500,0

Капитальные затраты (биореактор, компрессор, газгольдер, сортировочный комплекс, ГТЭС-200)

тыс. руб

19000,0

Эксплуатационные расходы (реактивы и микроорганизмы, масло для ГТЭС-200)

тыс. руб.

220,0

Предотвращенные платежи и затраты (за образование и захоронение отходов)

тыс. руб.

2891,0

Годовая выручка от реализации электроэнергии

тыс. руб.

4500,0

Годовая выручка от реализации тепла

тыс. руб.

7312,0

Норма дисконта

%

8,0

Срок окупаемости

год

3,1

Таким образом, основные показатели привлекательности и эффективности инвестиций, имеют следующие значения:

– срок окупаемости – 3,1 года;

– индекс прибыльности – 1,41;

– чистый приведенный доход на конец расчетного (10-летнего) периода – 29,8 млн рублей.

Показатели эффективности инвестиций рассчитывались по дисконтированным потокам наличности и дисконтированным потокам выплат денежных средств согласно «Методическим рекомендациям по оценке эффективности инвестиционных проектов» [4].

Предотвращенные платежи и затраты за образование и захоронение отходов определялись согласно требованиям, указанным в Постановлении Правительства РФ от 12 июня 2003 г. № 344 [6].

Полученные результаты позволяют считать предлагаемую технологию экономически эффективной, как с точки зрения инвестора, так и с точки зрения общества.

В заключение следует отметить, что одним из стратегических направлений реализации экологических преобразований в России является развитие предпринимательства. Под экологическим предпринимательством подразумевается деятельность по производству и реализации товаров, осуществлению работ и услуг, направленных на предотвращение негативного воздействия на ОС.

Развитие процессов экологизации экономики и введение экономической составляющей в природоохранную деятельность, производство и реализация экологических товаров, а также и услуг является перспективным и рентабельным видом деятельности.

Уже определились основные направления экологического бизнеса в России, такие как:

– очистка промышленных и бытовых стоков;

– очистка промышленных выбросов;

– переработка и утилизация ТКО, а также отходов производства и потребления;

– оценка воздействия на ОС;

– экологическая экспертиза;

– производство приборов для контроля состояния ОС;

– создание ресурсосберегающих технологий;

– использование вторичных ресурсов;

– экологический контроль;

– экологическое образование [3, 8].

Производство электрической и тепловой энергии с использованием альтернативных видов топлива, с применением технологии утилизации ТКО, а также отходов производства и потребления позволит получить значительный эколого-экономический эффект, оптимизировать потребление природных ресурсов и будет способствовать стабилизации развития как отдельных отраслей хозяйствования, так и территорий в целом.

Биогаз может быть использован для удовлетворения потребностей в энергии ближайших к полигону населенных пунктов, а также для собственных нужд полигона. Потенциалом для выработки энергии могут стать и органические отходы крупных предприятий, в т.ч. производящих продукты питания.

В заключение следует отметить, что результаты проведенных исследований могут быть реализованы применительно к задачам коммунальных служб населенных пунктов, сельскохозяйственных предприятий, предприятий пищевой, перерабатывающей и других отраслей промышленности.


Библиографическая ссылка

Морозенко М.И., Кусачева С.А., Черняев С.И. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОГЕНЕРАТОРА НА ОСНОВЕ МАЛОРАЗМЕРНОЙ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЙ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ // Фундаментальные исследования. – 2016. – № 9-1. – С. 48-52;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=40693 (дата обращения: 13.08.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074