Как пластиковые бутылки, картофельные очистки и фритюрное масло превращают в топливо и электричество
Помните, как в фильме «Назад в будущее» доктор Браун заправлял машину времени мусором? Сегодня энергия из отходов уже не фантастика: банановая кожура, картон и пакет из-под молока при правильной переработке легко превращаются в топливо.
ЗАЧЕМ НАМ ЭНЕРГИЯ ИЗ ОТХОДОВ
Получение энергии — один из технологичных методов переработки отходов. Отслужившие предметы стараются отсортировать и вернуть в оборот, но то, что непригодно для повторного использования, превращают в тепло и электричество.
Универсальной технологии получения энергии из мусора не существует: состав отходов может различаться в городах и в разные сезоны, при этом пластик, пищевые и смешанные фракции требуют отличных друг от друга подходов.
Чаще используют один из двух основных технологических процессов. Первый — термический, когда отходы сжигают, получают тепло для нагрева воды, пар крутит турбину генератора. Так производят электричество и горячую воду.
Второй процесс — биологический. Органика в составе отходов бродит, выделяет газ, который используют как топливо. В обоих случаях польза одинакова: нагрузка на мусорные полигоны снижается и выделяется энергия из отходов. Главное — соблюсти безопасность: эффективно очищать образующиеся при сжигании газы и продуманно работать с остатками переработки отходов — шлаками и золой.
КАК УСТРОЕН МУСОРОСЖИГАТЕЛЬНЫЙ ЗАВОД
Современный мусоросжигательный завод — это энергоблок, который принимает подготовленные отходы и превращает тепло от их горения в электричество и горячую воду.
На въезде на завод мусоровоз проверяют на радиационный фон, взвешивают, вносят в учет и выгружают в закрытый бункер-накопитель. Оттуда мусор попадает в котел — это конструкция размером с семиэтажный дом, рассчитанная на семь тысяч тонн отходов. В нем две секции — каждая отвечает за один из этапов сжигания мусора.
Шаг первый — экстремально горячая зона, около 1260 градусов. При таком нагреве материал полностью сгорает, а сложные соединения распадаются на более простые.
Шаг второй — дожиг газов. Все, что образуется при горении, направляют во вторую камеру, где температура выше 850 градусов. Здесь разрушаются вредные вещества, которые пережили первый этап или образовались в результате него.
Производство энергии идет параллельно. Примерно через 15 минут после попадания отходов в котел вода в трубах превращается в пар. Пар крутит турбину, турбина — генератор. На нужды мусоросжигательного завода тратят около 5–10% мощности, остальную электроэнергию направляют в сеть. Тепло при этом можно направлять в городские отопительные сети.
Твердый остаток из топки обрабатывают на отдельной линии завода. После сжигания объем мусора уменьшается примерно на 90%. Остаются два вида материалов: зола и шлак. Шлак — твердый остаток из минеральных компонентов, металлов, стекла, керамики и других негорючих материалов — охлаждают, просеивают и используют для отсыпки дорог, в том числе за пределами территории завода. Золу — пыль из системы фильтров — обезвреживают и утилизируют на специализированных объектах.
ПЯТЬ СПОСОБОВ ПРЕВРАТИТЬ ОТХОДЫ В ЭНЕРГИЮ
Мусор — это не один материал, а разнородная смесь, и единый, «самый эффективный» способ извлечь из нее энергию пока не придумали. Мусоросжигательные заводы строят там, где есть стабильные объемы отходов и потребители тепла: городские сети и предприятия. Под состав и задачу подбирают режим переработки мусора, при котором получится меньше остатка и больше энергии из отходов.
Пиролиз
При пиролизе отходы разлагаются при высокой температуре без доступа кислорода. Этот метод используют для одновременной переработки отходов схожего состава — например, пластика и изношенных шин. Сырье не горит, а «томится» при 400–800 градусах и распадается на несколько материалов.
Газовую смесь, которая образуется в результате пиролиза отходов, используют в качестве топлива на самом заводе — для обогрева или выработки электричества. Жидкий остаток — пиролизное масло — после очистки можно применять как топливо на промышленных предприятиях или сырье для дальнейшей переработки, например, в дизельное топливо. Твердый остаток, уголь, расходуют на обогрев завода, превращают в полезную добавку в составе материалов или в основу для сорбентов.
Газификация
Процесс проходит при высокой температуре с небольшим доступом воздуха. Газификация — нечто среднее между горением и пиролизом: кислород есть, но его мало, что не дает отходам загореться.
В результате получается синтез-газ — смесь водорода, оксида углерода и других компонентов. Его можно применять как топливо для промышленных котлов или двигателей, получая тепло и электричество, а можно использовать как сырье для химических заводов.
Плазменная переработка
Плазма — это особое состояние вещества с температурой выше 1200 градусов. В плазменных установках заводов отходы попадают под струю перегретого газа и распадаются на молекулы. Высокая температура разрушает даже самые стойкие соединения, при этом горения не происходит: все происходит почти без доступа кислорода.
Органическая часть превращается в горючий газ — его очищают и используют как топливо. Твердый остаток плавится и становится стекловидным шлаком. Такой материал безопасен, не вступает в химические реакции и может использоваться, например, в строительстве.
Бактериальная переработка
Анаэробное сбраживание — это способ, при котором энергия из отходов производится с помощью бактерий. Все происходит без доступа кислорода. В герметичный резервуар помещают органические отходы: остатки пищи, траву, навоз, осадок сточных вод, — и их медленно «переваривают» микроорганизмы.
В процессе выделяется биогаз, состоящий в основном из метана и углекислого газа, — потенциальное топливо для промышленных котлов и выработки электричества. Оставшийся после сбраживания материал может служить сельскохозяйственным удобрением.
Свалочный газ
На полигонах мусор начинает сбраживаться естественным путем: отходы разлагаются, выделяя свалочный газ — смесь метана, углекислого газа и других соединений. Без контроля он может выйти в атмосферу и ускорить глобальное потепление, поэтому его собирают и используют.
На свалке выстраивают сеть труб и скважин, через которые газ откачивают прямо из толщи мусора. Затем он проходит очистку от влаги и примесей и используется как топливо, превращаясь в электричество и тепло.
КАК ПОЛУЧИТЬ ТОПЛИВО ИЗ ОТХОДОВ
Часть мусора содержит углерод и водород — компоненты традиционного топлива для транспорта. Один из способов переработки отходов в энергию — превратить их в аналоги бензина или дизельного топлива.
В 2023 году в России впервые заправили судно биотопливом, сделанным с добавлением старого фритюрного масла. Его очистили, переработали и добавили в судовое топливо. Оно не требует переделки двигателя и присадок в составе, содержит мало серы и образует мало сажи.
Похожие рецептуры разрабатывают и для авиации. SAF — это авиационное топливо с биокомпонентами, чаще с тем же отработанным растительным маслом или отходами сельского хозяйства. Такое топливо не менее эффективно и безопасно, чем традиционное, при этом позволяет использовать отходы и за счет этого уменьшить углеродный след.
Виды пластика, которые трудно переработать обычными способами, можно превратить в жидкое топливо. В специальных установках его разлагают на углеводородное сырье, по составу близкое к нефти. После очистки его используют для производства бензина или смазочных материалов. Такой подход уже опробован в Красноярске: там из пластикового мусора получили пробную партию пригодного топлива.
БЕЗОТХОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
В энергетической отрасли стремятся не только к максимальной эффективности, но и к сведению отходов к минимуму. Например, отработанное ядерное топливо рассматривают как источник нового, вторичного.
В нефтяной промышленности глубину переработки углеводородов довели почти до 100% за счет гидрокрекинга, каталитических установок и термических процессов. Благодаря этому заводы получают из каждой тонны нефти максимум полезных компонентов и продуктов. Это делает нефтепереработку практически безотходной.
Еще один пример — использование попутного нефтяного газа. Раньше этот газ, добытый вместе с нефтью, считали отходами и утилизировали. Современные технологии позволяют собирать его, очищать и использовать — например, для производства электроэнергии на нефтепромысле или для синтеза метанола.
Сегодня технологии переработки отходов в энергию становятся все эффективнее: меньше выбросов, больше пользы, лучше адаптация под разные типы мусора. Лучший способ утилизации состоит в том, чтобы сочетать разные подходы: сортировать то, что можно использовать повторно, перерабатывать пригодные фракции, а из остатка получать тепло, электричество и топливо.
