6790
.pdfМИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» (ННГАСУ)
Факультет инженерно-экологических систем и сооружений
Кафедра теплогазоснабжения
Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии для получения теплоты в системах теплоснабжения (основные сведения, отходы)
Методическая разработка для студентов очной и заочной форм обучения специальностей 140104.65 Промышленная теплоэнергетика и 270109.65 Теплогазоснабжение и вентиляция
Нижний Новгород, ННГАСУ
2012
УДК 621.311.23/. 26: 620.9 (0.75.8)
Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии для получения теплоты в системах теплоснабжения (основные сведения, отходы) [Текст]: Методическая разработка для студентов очной и заочной форм обучения специальностей 140104.65
Промышленная теплоэнергетика и 270109.65 Теплогазоснабжение и вентиляция. /
Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет; сост. Г.М.
Климов. - Ниж. Новгород: ННГАСУ, 2012. – 48 с. : ил.
В методической разработке приведены основные сведения об источниках энергии для получения теплоты, их классификация с выделением проблемы отходов с позиции их использования как вторичных энергоресурсов. Дается информация о состоянии и перспективах использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии
(НиВИЭ) в России, а также стратегия энергетики с обоснованием необходимости использования НиВИЭ. Рассмотрены уже известные за рубежом принципы управления отходами, в том числе с позиции получения теплоты. Приведены списки рекомендуемых и использованных источников по разделам и справочные приложения. Методическая разработка предназначена для студентов, изучающих дисциплины «Теплогенерирующие и котельные установки и парогенераторы» и «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии».
Рис. 8, Табл. 4 , Библиография 41 назв.
Составитель Г.М. Климов Рецензент – доцент каф. ТГС Е.Н. Цой
Компьютерный набор – И.И. Ильичева гр.395, Т.О. Стяжкина гр. ПТ-08
© Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет, 2012
|
3 |
|
|
Содержание |
|
|
|
Стр. |
В. Введение ................................................................................................................................... |
4 |
|
В.0 Источники энергии для получения теплоты....................................................................... |
4 |
|
В.1 Проблема отходов: общие положения, размеры бедствия, неторопливая борьба, |
|
|
нужно добиться перелома ........................................................................................................... |
7 |
|
1. Состояние и перспективы использования нетрадиционных и возобновляемых |
|
|
источников энергии ................................................................................................................... |
10 |
|
1.1 |
Традиционные и нетрадиционные источники энергии .................................................... |
10 |
1.2 |
Запасы и динамика потребления энергоресурсов, политика России в области |
|
нетрадиционных и возобновляемых источников энергии ..................................................... |
11 |
|
1.3 |
Основные объекты нетрадиционной энергетики России ................................................. |
13 |
1.3.1 Расположение объектов: общее, геотермальных (ЭС), ГЭС, Ветроэнергетических |
|
установок (ВЭУ), Биогазовых установок, Солнечных электростанций (СЭС), Приливных
электростанций (ПЭС) ............................................................................................................... |
13 |
|
2. Стратегия энергетики мира: .................................................................................................. |
16 |
|
2.1 |
Доля возобновляемых источников энергии в общем энергопотреблении мира: |
|
солнечная энергия, гидроэнергия, энергия ветра, биомасса, отходы ................................... |
17 |
|
2.2 |
Невозобновляемые источники энергии мира: ................................................................... |
19 |
2.2.1 Каменный уголь ................................................................................................................ |
19 |
|
2.2.2 Ядерная энергия ................................................................................................................ |
20 |
|
3. Отходы производства и потребления................................................................................... |
22 |
|
3.1 |
Общие сведения.................................................................................................................... |
22 |
3.2 |
Проблемы использования отходов ..................................................................................... |
23 |
3.3 |
Твердые бытовые отходы (ТБО) (основные сведения) .................................................... |
24 |
4. |
Принципы комплексного управления отходами (КУО): изменение взгляда на проблему, |
||
вторичная переработка отходов, мусоросжигание, захоронение на полигонах, этапы |
|
||
решения проблемы ТБО, система сборов и промежуточного хранения отходов, |
|
||
компостирование отходов, брикетирование отходов, заключение по разделу 4 ‘‘Отходы |
|
||
производства и потребления” ................................................................................................... |
27 |
||
5. |
Источники ............................................................................................................................... |
35 |
|
6. |
Приложения ........................................................................................................................... |
37 |
|
6.1 |
Приложение А (справочное): Развитие альтернативной энергетики в Нижегородской |
||
обл |
................................................................................................................................................ |
37 |
|
6.2 |
Приложение Б (справочное): Основные виды и состав отходов..................................... |
40 |
|
6.3 |
Приложение В (справочное): На сколько землянам хватит угля, нефти, газа и |
|
|
урана ............................................................................................................................................ |
41 |
||
6.4 |
Приложение Г (справочное): Генеральное направление решения проблемы – |
|
|
использование возобновляемых энергетических ресурсов ................................................... |
42 |
4
В. Введение В.0. Источники тепловой энергии
|
Источниками энергии, в том числе тепловой, могут служить вещества, |
||||
энергетический потенциал |
которых |
достаточен |
для последующего преобразования |
||
их |
энергии |
в другие |
еѐ виды |
с целью |
последующего целенаправленного |
использования [1, с.8]. Под энергетическими ресурсами понимают запасы природной энергии, которые в рассматриваемый период технически и экономически доступны для достаточно длительной эксплуатации [1, с. 11]. Ресурсы источников энергии оцениваются общими запасами каждого источника и его энергетическим потенциалом.
Энергетический потенциал веществ является параметром, позволяющим оценить принципиальную возможность и целесообразность их использования как источников энергии, и выражается в единицах энергии [1, с. 10].
Первичными источниками энергии называют вещества, энергетический потенциал
которых является следствием природных процессов и не зависит от деятельности чело-
века [1, с.8]. Вторичными источниками энергии называют вещества, обладающие опре-
делѐнным энергетическим потенциалом и являющиеся побочными продуктами деятель-
ности человека [1, с. 10]. |
|
|
Энергетические |
ресурсы |
Земли (т.е. природные носители энергии), |
образовавшиеся в результате геологического развития Земли и других природных процессов, которые используются или могут быть использованы в народном хозяйстве,
делятся на природные невозобновляющиеся и природные возобновляющиеся энергетические ресурсы [1, с. 11]. Невозобновляющиеся энергетические ресурсы
подразделяются на исчерпаемые и неисчерпаемые. К практически неисчерпаемым
источникам энергии относят геотермальные воды Земли и вещества, которые могут
быть источниками получения термоядерной энергии (изотопы водорода и другие лѐгкие
элементы) [1, с. 10]. Геотермальные энергетические ресурсы делят на 4 вида: горячая
вода, сухой пар, горячая скальная порода и подземные воды под давлением.
Энергетическими ресурсами для производства термоядерной энергии являются ресурсы дейтерия, сосредоточенного в воде мирового океана, и трития, который может быть получен искусственным путѐм из лития [1, с. 17].
Исчерпаемые энергетические ресурсы, не восполняющиеся в настоящую геологи-
ческую эпоху, - это ресурсы ископаемого органического топлива (угля, нефти, газа,
сланца) и запасы расщепляющегося топлива (урана, тория) [1, с. Л1]. Отличительной особенностью исчерпаемых энергетических ресурсов являются их высокий энергетиче-
ский потенциал и относительная доступностей целесообразность извлечения. Именно
5
поэтому до 90% всех используемых в настоящее время энергетических ресурсов состав-
ляет эта группа, а в ней - ископаемые горючие органические вещества - органическое топливо [1, с. 12].
К возобновляющимся источникам энергии (ВИЭ) относят все возможные источники энергии, являющиеся продуктами непрерывной деятельности Солнца и природных процессов на поверхности Земли: ветер, водные ресурсы (гидроэнергия рек),
океан (энергия приливов и отливов), растительные продукты биологической деятельности
(биотопливо: древесина, сельскохозяйственные растительные и животные отходы),
лучистая энергия Солнца [1, с. 10]. Отличительной особенностью возобновляющихся исчерпаемых ресурсов является их восстанавливаемость, т.е. скорость их восстановления соизмерима со скоростью расходования [1, с. 16].
Под вторичными энергетическими ресурсами (ВЭР) подразумевается энергетиче-
ский потенциал продукции, отходов, побочных и промежуточных продуктов, образую-
щихся в технологических агрегатах (установках), который не используется в самом аг-
регате, но может быть частично или полностью использован для энергоснабжения других потребителей [4, п. 2.1., с.6].
Принято условно разделять ВИЭ на две группы:
•Традиционные: гидравлическая энергия, преобразуемая в используемый вид энергии ГЭС мощностью более 30 МВт; энергия биомассы, используемая для получения тепла традиционными способами сжигания (дрова, торф и некоторые другие виды печного топлива); геотермальная энергия.
•Нетрадиционные: солнечная, ветровая, энергия морских волн, течений,
приливов и океана, гидравлическая энергия, преобразуемая в используемый вид энергии малыми и микроГЭС, энергия биомассы, не используемая для получения тепла традиционными методами, низкопотенциальная тепловая энергия и другие "новые" виды возобновляемой энергии.
Один из возможных источников энергии — вторичные энергоресурсы,
образующиеся в результате жизнедеятельности людей, а также в процессе
производства.
В жилых и общественных зданиях ВЭР в основном содержатся в удаляемом
вентиляционном воздухе. Расход теплоты на нагрев вентиляционного воздуха в жилых зданиях составляет 40–50 % расхода тепла на отопление и вентиляцию; в общественных зданиях 40–80%. Кроме этого, ВЭР в жилых и общественных зданиях заключены в
сточных водах от систем горячего и холодного водоснабжения. Их использование
возможно в том случае, если в зданиях применяются раздельные системы хозяйственной
6
и |
фекальной |
канализации. |
Однако |
и в этом |
случае возникают трудности, |
связанные с |
загрязнением |
воды жирами, |
мыльной |
пеной и |
т.д. Средняя температура |
воды в хо- |
|
зяйственной канализации равна 15–25°С. |
|
|
|
Все источники энергии условно делят на первичные и вторичные. Классификация источников энергии представлена на рис. 1.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Источники |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Первичные источники |
|
|
|
|
|
|
|
Вторичные источники |
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Возобновляющиеся |
|
|
|
Невозобновляющиеся |
|
|
Горючие (топливные) |
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
источники энергии |
|
|
|
|
источники энергии |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Негорючие |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Исчерпаемые |
|
|
|
|
|
Неисчерпаемые |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тепловые |
|
|
|
Избыточного |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Ископаемые |
|
|
|
|
Ископаемые |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
давления |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
горючие |
|
|
|
расщепляющиеся |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
вещества |
|
|
|
|
|
вещества |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.1 Классификация источников энергии
Цифры - мощность источника в ТВ г (1012 Вт)
В промышленных зданиях ВЭР; можно условно разбить на три группы: уходящие газы технологического топливо использующего оборудования и промышленно-отопительных котельных (60 % общего количества вторичных
7 |
|
|
энергоресурсов); сбросная вода, используемая для охлаждения машин |
и рабочих |
тел (10 |
% общего количества вторичных энергоресурсов); удаляемый |
воздух |
систем |
вентиляции (30 % общего количества вторичных энергоресурсов). Обычно в системах отопления, вентиляции и горячего водоснабжения используются ВЭР второй и третьей групп.
Важность использования ВЭР постоянно усиливается в связи с возрастанием потребления топлива в промышленности и строительстве. При общем потреблении в
стране около 2 млрд. т |
условного топлива в год |
образуется около 1,5 млрд. ГДж вторич- |
|
ных энергоресурсов. |
Их |
использование |
экономически целесообразно, так как |
капитальные затраты |
на утилизацию тепла значительно меньше, чем на генерацию раз- |
ного его количества. Ориентировочные значения расхода теплоты на вентиляцию для некоторых отраслей промышленности, по данным ВНИПИЭНЕРГОПРОМ, приведены в табл. 1.2.
Таблица 1.2
|
Расход теплоты |
Отрасль промышленности |
на вентиляцию, % общего |
|
расхода теплоты |
|
|
Машиностроение и металлообработка |
29 |
|
|
Металлургия |
20 |
|
|
Стройматериалов |
15 |
|
|
Легкая |
14 |
|
|
Химическая |
7 |
|
|
Пищевая |
6 |
|
|
Прочие |
9 |
|
|
В. Проблема отходов: общие положения
Накапливающиеся в отвалах, на свалках и в различных хранилищах отходы стали одной из причин, сдерживающих развитие экономики. Кроме этого, отходы оказывают сильнейшее воздействие на природную среду. Они стали бедствием, с которым надо бороться организованно и целеустремлѐнно. Любое производство неизбежно порождает отходы. Они образуются также в сфере потребления в виде отслуживших автомобилей, старых покрышек, изношенной одежды, обуви, предметов бытовой техники. Отходы производства потребления составляют вторичные ресурсы, а та их часть, которая может быть вовлечена в переработку, является вторичным сырьем.
В.1. Размеры бедствия
В народном хозяйстве нашей страны ежегодно масса отходов достигает
8
астрономической величины – 9 млрд. т. Годовой выход шлаков чѐрной и цветной металлургии составляет около 100 млн. т, отходов заготовки и переработки древесины –
свыше 100 млн. кубометров, |
золы |
и |
золошлаковых |
отходов |
только тепловых |
|
электростанций – 110 млн. т, лома и |
отходов чѐрных |
металлов – |
более 100 млн. т, |
|||
отходов при производстве |
фосфорных |
удобрений |
– |
25 млн. т, изношенных |
автомобильных шин – 1,2 млн. т, макулатуры – более 4 млн. т. Значительные массы отходов накоплены и в отвалах: металлургических шлаков – около 500 млн. т, золы ТЭС
– свыше 1 млрд. т. Эти объѐмы сопоставимы с производством первичных сырья и материалов. Только эксплуатационные затраты на содержание в отвалах каждой тонны металлургических шлаков обходятся не менее, чем в 1 руб.
Влияние отходов на окружающую среду проявляется по-разному. Это и пыльные
бури, раздувающие отвалы промышленных предприятий, и накапливание отходов в
почве, водоѐмах и воздухе до опасных концентраций.
В.2. Неторопливая борьба
Проблема использования отходов сложилась в период экстенсивного развития
экономики. По действующим инструкциям и правилам, переработка отходов нередко оказывалась для предприятий убыточной или же приносила очень маленькую прибыль.
Затраты на добычу природного сырья давали больший эффект, чем работа с отходами. К
тому же долгое |
время |
практически |
не существовало ограничений на получение |
природного сырья. |
|
|
|
Проблема отходов достигла особой |
остроты в 70-е годы. Нужно было принимать |
||
безотлагательные |
меры |
для организации крупномасштабной переработки отходов. |
Решение этой задачи предусматривалось постановлением Совета Министров СССР от 25
января 1980 г. «О мерах по дальнейшему улучшению использования вторичного сырья в
народном хозяйстве». Успех должно было обеспечить централизованное в
государственном масштабе планирование использования вторичного сырья, которое началось с плана на 1931 г. Лѐд, как говорится, тронулся.
В настоящее время отходы стали одним из основных источников удовлетворения потребности в сырье и материалах. Переработка отходов, предусмотренная планом, в
1987 г. высвободила на 13,4 млрд. руб. природного сырья. Повышается их значение как дополнительного источника энергии. Особенно перспективно внедрение технологий
получения биогаза из отходов животноводческих комплексов и непосредственно на городских свалках (см. рис. 2), а также применение твѐрдых бытовых отходов в качестве топлива. Резервы для увеличения объемов использования вторичного сырья все
ещѐ весьма велико, Ведь уровень использования большинства ресурсов пока невысок. Как
9
известно, динамика материалоѐмкости, энергоѐмкости и металлоѐмкости продукции
является одним из основных показателей интенсификации производства.
Динамика отходоѐмкости национального дохода, подсчитанная как отношение стоимости вовлеченных в оборот отходов к производственному национальному доходу
может дать обобщенную характеристику положения с переработкой отходов. Поскольку
не на все виды вторичного сырья установлены цены, в расчѐтах удобнее применять
стоимость первичного сырья, которое высвобождается при использовании отходов.
Расчѐты |
показывают, |
что отходоѐмкость |
национального |
дохода менялась следующим |
|
образом |
(в % по отношению к 1981 г.): |
1981 г. – 100 %, 1982 – 96,8 %, |
1983 – 97,8 %, |
||
1984 – 96 %, 1985 – 93,3 %, 1986 – 95,5 %, 1987 – 98,2 %. |
|
|
|||
Вывод очевиден: |
снижение отходоѐмкости |
национального |
дохода при |
одновременном неполном вовлечении ресурсов свидетельствует о том, что данный
резерв повышения интенсификации использован недостаточно.
В.З. Нужно добиться перелома
Изменения в использовании отходов должны быть радикальными, ведь это тот резерв интенсификации, реализация которого хоть и требует определенных затрат, но значительно меньших, чем реализация других резервов. И отдачу можно ожидать значительно быстрее.
На первое место должна быть поставлена разработка и внедрение стимулов
для увеличения заинтересованности предприятий в переработке отходов. Основой
механизма заинтересованности является объективное ценообразование на вторичное сырье, поскольку сложившиеся цены на большинство его видов не имели достаточного экономического обоснования.
Нам неплохо бы перенять опыт Польши, где в 1983 г. учреждѐн так называемый фонд вторичного сырья, в который по установленным правилам предприятия и организации перечисляют средства за неиспользованные или недостаточно полно использованные отходы собственного производства. Средства межотраслевого фонда направляются тем предприятиям, которые нуждаются в них для организации переработки вторичного сырья.
Видимо, следует продумать вопрос экономической ответственности для пред-
приятий, не предусматривающих разработки технологий и создания мощностей по переработке отслуживших изделий, ранее выпущенных этими предприятиями. Мы
уже свыклись с совершенно нетерпимыми фактами потери огромного количества ценных
элементов.
Экономический интерес предприятий к переработке отходов должен быть
10
повышен с помощью совершенствования ценообразования на сырьѐ и материалы, которое предстоит осуществить в ближайшие годы. Эта заинтересованность должна базироваться на увеличении (по сравнению с существующим) разрыва между уровнем оптовых цен на отходы и заменяемое ими первичное сырьѐ.
Значительное количество ВЭР может быть получено за счѐт переработки отходов растениеводства (солома, стержни початков кукурузы, отходы древесины и др.) и животноводства (навоз животных и птиц, сточные воды и др.), а также бытовых отходов и мусора. Они могут быть утилизированы прямым сжиганием или химической и биологической обработкой, в результате которых получают новые полезные вещества (например, более качественные удобрения) и энергоресурсы. В
частности, в ряде стран (Индия, Китай и др.) анаэробным сбраживанием отходов животных получают биогаз, являющийся основным топливом в малых населенных местах. В США, Англии, Франции и других развитых странах в последние годы построили несколько биогазовых комплексов, вырабатывающих топливо для жилищно-
коммунальных и промышленных нужд, а также заводов по переработке и сжиганию мусора.
1. Состояние и перспективы использования нетрадиционных и
возобновляемых источников энергии (НВИЭ)
1.1 Традиционные и нетрадиционные источники энергии [19, 8, 9]
При существующем уровне научно-технического прогресса энергопотребление может быть покрыто лишь за счѐт использования органических топлив (уголь, нефть, газ),
гидроэнергии и атомной энергии на основе тепловых нейтронов. Однако, по результатам многочисленных исследований органическое топливо к 2020 г. может удовлетворить запросы мировой энергетики только частично. Остальная часть энергопотребности может быть удовлетворена за счѐт других источников энергии - нетрадиционных и возобновляемых.
Возобновляемые источники энергии - это источники на основе постоянно существующих или периодически возникающих в окружающей среде потоков энергии. Возобновляемая энергия не является следствием целенаправленной деятельности человека, и это является еѐ отличительным признаком.
Невозобновляемые источники энергии - это природные запасы веществ и материалов, которые могут быть использованы человеком для производства энергии. Примером могут служить ядерное топливо, уголь, нефть, газ. Энергия
невозобновляемых источников в отличие от возобновляемых находится в природе в связанном состоянии и высвобождается в результате целенаправленных действий