bbk 000000

УДК 628.336.515:621.311

Хренов К. Е., Храменков С. В., Пахомов А. Н., Стрельцов С. А., Хамидов М. Г., Белов Н. А.

Утилизация биогаза и создание автономных источников энергоснабжения на очистных сооружениях

Аннотация

На канализационных очистных сооружениях МГУП «Мосводоканал» используется процесс метанового сбраживания осадка, образующегося при очистке сточных вод. С 1998 г. проводится комплексная реконструкция метантенков, в результате которой выработка биогаза увеличилась в 1,7 раза – до 250 тыс. м³/сут. С целью повышения эффективности использования биогаза и надежности энергоснабжения было принято решение о строительстве двух мини-ТЭС мощностью 10 МВт каждая. На конкурсной основе был определен инвестор – австрийский концерн «EVN». В январе 2009 г. введена в эксплуатацию мини-ТЭС на Курьяновских очистных сооружениях. Мини-ТЭС обеспечивает 50% потребности в электроэнергии и 30% – в тепловой энергии. Данный проект стал одним из крупнейших в области альтернативной энергетики и первой в России электростанцией, работающей на биогазе.

Ключевые слова

энергосбережение , канализационные очистные сооружения , метановое сбраживание осадка , биогаз , автономный источник энергосбережения

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

В последние десятилетия прогресс в развитии сооружений очистки сточных вод и обработки осадка во всем мире тесно связан с ресурсосбережением. Важнейшим ресурсом энергосбережения является обработка осадка сточных вод. С современной точки зрения, осадок представляет биомассу, которая может быть эффективно конвертирована в биогаз путем биологической анаэробной переработки (метанового сбраживания).

В процессе очистки сточных вод на Курьяновских и Люберецких очистных сооружениях Москвы образуется суммарно около 13 млн. м³/год, или 35,5 тыс. м³/сут жидкого осадка. Весь образующийся осадок подвергается сбраживанию в метантенках при температуре около 53 C, в результате чего вырабатывается биогаз, содержащий около 65% метана (рис. 1).

В настоящее время на очистных сооружениях МГУП «Мосводоканал» находится 44 метантенка общим объемом 280 тыс. м³, в том числе на Курьяновских очистных сооружениях – 24 метантенка и Люберецких – 20. Эффективность работы метантенков в значительной степени определяет общие затраты на обработку и утилизацию осадка. Поскольку органические загрязнения трансформируются в биогаз, повышение эффективности сбраживания дает двойную экономию: во-первых, за счет получения дополнительного биогаза, являющегося ценным топливом, во-вторых, за счет сокращения количества осадка, подлежащего дальнейшей обработке.

С 1998 г. проводится комплексная реконструкция метантенков. К настоящему времени реконструировано 23 из 44 метантенков. В результате проводимой реконструкции выработка биогаза за последние 10 лет выросла в 1,7 раза и в настоящее время составляет около 250 тыс. м³/сут (более 90 млн. м³/год).

До настоящего времени биогаз направлялся в котельную для сжигания с целью выработки пара, используемого для подогрева осадка, подаваемого в метантенки. В летний период количество вырабатываемого биогаза и соответственно тепловой энергии стало превышать технологические потребности очистных сооружений. Это позволило перейти к следующему этапу – утилизации биогаза на газопоршневых двигателях, приводящих в движение генераторы, вырабатывающие электроэнергию и позволяющие дополнительно получать тепло.

Мини-ТЭС, работающие на возобновляемом источнике энергии – биогазе, являются экологически чистыми. Данное направление в последнее десятилетие широко развивается во всем мире в связи с сокращением запасов ископаемого топлива и проблемой глобального потепления. В ряде западноевропейских стран, например в Германии, по законодательству предоставляются значительные льготы предприятиям, использующим для выработки электроэнергии топливо на основе биогаза. Такая технология является общепринятой практически на всех зарубежных очистных сооружениях, вырабатывающих биогаз в метантенках.

Автономная выработка электроэнергии на очистных сооружениях имеет большое значение для повышения надежности их энергоснабжения (рис. 2). Роль очистных сооружений в обеспечении экологического и санитарного благополучия такого мегаполиса, как Москва, огромна, и перерыв в энергоснабжении даже на несколько часов способен привести к развитию чрезвычайной ситуации. Постановлением Правительства Москвы от 9 августа 2005 г. № 588 «Об аварийном отключении 24–26 мая 2005 г. электроснабжения в г. Москве и мерах по совершенствованию системы городского энергоснабжения» было решено построить на Курьяновских очистных сооружениях мини-ТЭС мощностью 10 МВт. Постановлением № 176-ПП «О развитии систем водоснабжения и канализации города Москвы на период до 2020 года» было определено, что объект будет создаваться за счет средств частных инвесторов.

По результатам открытого конкурса был определен инвестор – фирма «WTE Wassertechnick» (Германия), входящая в состав австрийского концерна «EVN». Проектирование объекта инвестор осуществлял в сотрудничестве с институтом ГУП «МосводоканалНИИпроект» и специалистами МГУП «Мосводоканал».

Мини-ТЭС и вспомогательные инженерные системы были компактно размещены на площади 0,16 га, специально выделенной под эти цели на промышленной площадке Курьяновских очистных сооружений (рис. 3). Здание мини-ТЭС занимает площадку  20Ч70 м². Ядром мини-ТЭС являются 4 параллельно расположенных модуля, в каждый из которых входят: газопоршневой двигатель внутреннего сгорания GE Jenbacher, электрогенератор, парогенератор, система охлаждения.

Двигатели мини-ТЭС предусмотрены для смешанного режима работы: биогаз – природный газ. Таким образом, при необходимости энергоблок может быть легко переведен на работу на природном газе. В перспективе предусмотрено резервное место для установки пятого модуля. Для дополнительной защиты системы при аварии, в отдельном контейнере недалеко от здания мини-ТЭС, установлен дизельный агрегат аварийного электропитания мощностью 250 кВ·A для ввода в эксплуатацию газового трубопровода (со всеми его компонентами) и для аварийного освещения сооружения.

В исходном виде биогаз не отвечает требованиям, предъявляемым к топливу, подаваемому на двигатели внутреннего сгорания. Он должен быть очищен от сероводорода и соединений кремния (силоксанов), а также осушен. Данные по составу биогаза приведены в табл. 1.

Биогаз, образовавшийся в метантенках, по газовой сети Курьяновских очистных сооружений поступает на установку его очистки. Первая стадия очистки предусматривает удаление сероводорода, которое производится в процессе его связывания с оксидом железа. Для этого в качестве наполнителя в колонне очистки первой ступени (десульфитаторе) используется железная руда с большим количеством пор. Вторая стадия предусматривает удаление неуглеводородных органических соединений, в том числе кремния (силоксанов), которое производится в процессе адсорбции в колонне, загруженной активированным углем.

Производимая электроэнергия через сеть среднего напряжения направляется на три трансформаторные подстанции и далее к потребителям. Основными энергопотребителями являются турбовоздуходувки, которые обеспечивают аэрацию в сооружениях биологической очистки.

Отходящие дымовые газы, имеющие температуру 450–470 C, поступают на парогенераторы. В них теплота дымовых газов преобразуется в энергию пара. Для выработки пара подается специально подготовленная вода, предварительно прошедшая через установки деаэрации и химической подготовки (рис. 4). Вырабатываемый пар через распределительную гребенку подается на инжекторы метантенков. Такой способ утилизации тепловой энергии отходящих газов выбран для того, чтобы сохранить существующую на Курьяновских очистных сооружениях систему обогрева метантенков острым паром. Отработанные дымовые газы выбрасываются в атмосферу.

В ходе работы осуществляется охлаждение электрогенерирующих агрегатов оборотной водой. После отбора тепловой энергии от агрегатов нагретая вода подается в наружный канал теплообменника типа «труба в трубе», при этом во внутреннюю трубу направляется нагреваемый осадок, подающийся в метантенки (по выбору может пропускаться или первичный осадок, или избыточный ил обоих блоков очистных сооружений).

Одновременно со строительством мини-ТЭС на Курьяновских очистных сооружениях проведена реконструкция связанной с ней инженерной инфраструктуры, которая включала в себя замену морально и физически устаревшего электрооборудования на трех трансформаторных подстанциях (156 ячеек с вакуумными выключателями и процессорными блоками защиты), а также оснащение всех турбовоздуходувных агрегатов устройствами плавного пуска.

Основные технические характеристики мини-ТЭС Курьяновских очистных сооружений приведены в табл. 2.

Пуск мини-ТЭС (рис. 5) в эксплуатацию состоялся 31 января 2009 г. с участием мэра Москвы Ю. М. Лужкова. Инвестиционная стоимость мини-ТЭС составила 29,33 млн. евро, срок окупаемости – 15 лет.

Предусмотрена следующая схема экономических взаимоотношений МГУП «Мосводоканал» и инвестора:

МГУП «Мосводоканал» продает инвестору биогаз по цене, эквивалентной стоимости содержащегося в нем топлива (метана), с дисконтом, учитывающим дополнительные затраты инвестора на очистку и осушение биогаза;

МГУП «Мосводоканал» принимает от мини-ТЭС по приборам учета электрическую энергию, тепловую энергию в виде пара и горячей воды и оплачивает их стоимость по тарифам, утверждаемым РЭК;

из доходов, полученных инвестором от продажи энергоносителей, инвестор осуществляет окупаемость вложений и покрывает затраты на эксплуатацию мини-ТЭС. После завершения периода окупаемости инвестиций это будет учтено в тарифах.

В 2010 г. планируется построить аналогичную мини-ТЭС мощностью 10 МВт на Люберецких очистных сооружениях. В комплексе с ней планируется также построить сооружения сушки осадка. Необходимое тепло для сушки осадка будет обеспечиваться дымовыми газами от мини-ТЭС, что позволит высушивать около 25% общего объема обезвоженного осадка на станции.

Выводы

1. Мини-ТЭС является наиболее современным решением по утилизации биогаза, предотвращающим ситуации с бесцельным сжиганием излишков биогаза в летнее время.
2. Обеспечено существенное повышение надежности энергоснабжения очистных сооружений. Мини-ТЭС обеспечит электроэнергией 50% основных технологических потребителей на станции и будет работать параллельно с сетями электроснабжающих организаций. Также мини-ТЭС обеспечит 30% потребностей станции в тепловой энергии. Это позволит осуществлять процесс очистки сточных вод в условиях возможного отключения внешних источников энергоснабжения.
3. Снижение нагрузки на городскую энергосистему позволяет переориентировать соответствующую мощность для решения градостроительных задач.
4. Использование возобновляемого источника энергии – биогаза – способствует повышению энергетической и экологической эффективности работы Курьяновских очистных сооружений.
5. Создание мини-ТЭС инициировало комплексную реконструкцию теплоэнергетического хозяйства Курьяновских очистных сооружений с заменой морально и физически устаревшего оборудования.
6. Перевод метантенков на подогрев горячей водой (частично) позволит сократить подачу в метантенки острого пара, что положительно скажется на процессе метанового сбраживания.