PhD-докторант Дияр Токмурзин о том, как перерабатывать мусор в энергию и почему это ещё не внедряется в Казахстане

Дияр Токмурзин — инженер в сфере энергетики. Первое образование получил в Алматинском университете энергетики и связи по специальности «Технологии воды», второе — на магистратуре по стипендиальной программе «Болашак» в Манчестерском университете.

Сейчас Дияр докторант в Назарбаев Университете. Дияр рассказал редакции о проекте, который позволил ученым добывать электроэнергию и тепло из мусора, и о том, почему не все научные проекты внедряются в Казахстане.

О получении гранта

Этим проектом мы начали заниматься в 2016 году. Тогда получили первый грант от Королевской академии инженерии в Великобритании. После этого начали собирать образцы и проводить работу. Поскольку нужны были еще гранты, подали заявку и выиграли финансирование от Назарбаев Университета. Руководителем второго проекта является мой коллега, Ербол Сарбассов.

Благодаря этим двум источникам финансирования мы с Ерболом смогли создать команду, расширить её, а за счёт возможностей университета начали приобретать оборудование. У нас есть неплохие достижения в рамках этих проектов.

О бытовых отходах, полигонах и инвесторах

Твёрдые бытовые отходы по-простому — это то, что мы выбрасываем из дома. Они имеют очень гетерогенный морфологический состав — есть и пластик, и текстиль, и дерево, и органические пищевые отходы, есть строительные отходы, стекло, металл — очень разношёрстные материалы. Чтобы их утилизировать, для каждого из этих компонентов должен быть отдельный подход. Пока единственное, что их объединяет, — это то, что их собирает население, и они попадают на полигон.

Как до сих пор происходила утилизация твердых бытовых отходов на полигоне: приходит партия мусора, её прессуют и сразу размещают на полигоне.

Заводы по утилизации мусора существуют только в Астане и Алматы. Пока это сортировочные станции, которые изымают наиболее ценные материалы из общего потока мусора. Под ценными подразумеваются пластик, бумага, металлы. Все остальное попадает на полигон.

Перед тем как захоронить материал, его прессуют, брикетируют и кладут в штабеля. Как только секция полигона заполняется, ее рекультивируют. То есть создают почвенный слой над слоем штабелей из твердых бытовых отходов.

Во всём Казахстане лишь в столице есть полигон с системой по сбору свалочного газа — продуктов естественного гниения мусора. В стране на данный момент нет ни одного мусоросжигающего завода. Есть уничтожение мусора, но это касается только опасных отходов — медицинских, например. И, конечно же, нет такого мусоросжигающего завода, который производил бы электрическую или тепловую энергию.

Когда инвестор приезжает в Казахстан, он думает, вкладывать ли средства в строительство новой электростанции, которая будет сжигать мусор. Он думает, принесет ли это какую-то пользу для него, и когда вообще это окупится. Через какое-то время инвестор обнаруживает, что мусор у нас не является возобновляемым источником энергии, на него нет специальных тарифов, цена на сбор мусора регулируется. Он ставит вопрос — есть ли возможность получить тарифы как за энергию солнца или ветра? После того как ему говорят, что «извините, но это не предусмотрено законом, может что-то и изменится через года три-четыре, только если сейчас начнем», он спрашивает о составе ТБО и какую ожидать теплотворную способность. На это ему тоже не могут ответить однозначно.

Имея такой уровень неопределённости, инвестор теряет мотивацию к инвестициям в связи с рисками. Осознавая всю эту цепочку проблемы, мы заложили основу для научного проекта, целью которого была реальная польза для бизнеса, общества и страны.

Стадии научного проекта

Во-первых, мы оценили морфологический состав, теплотехнические характеристики отходов в столице. Эти характеристики нужны, чтобы тот же самый инвестор мог сказать, сколько он сможет выделить тепла и произвести пара, если сожжёт тот столичный мусор. Или, например, если он не собираются его просто сжигать, а хочет использовать процесс пиролиза, то сколько газа из этого получится.

Мы получили все эти параметры в лабораторных условиях, проводили анализы. Теперь потенциальный инвестор может прочесть в литературе, что из себя представляет мусор в Астане.

Во-вторых, нас интересовало, можем ли мы сжигать мусор чище. Есть разные способы для сжигания любого твердого топлива. Например, в угольной энергетике первой технологией для сжигания угля был «фиксированный слой» — fixed and moving bed.

Fixed bed — это фиксированный уголь, как в коксовых печах. Здесь уголь горит в слоях или на колосниковой решетке, и выделяющаяся энергия нагревает пар. У данной технологии есть недостатки. Первым недостатком является плохая масштабируемость, нельзя поставить большую установку. Когда столкнулись с проблемой масштаба, было два пути. Один — использовать пылеугольные котлы, второй — кипящие слои.

Пылеугольными котлами легче управлять, эта технология развилась быстро. В шестидесятые годы мы уже строили пылеугольные станции на критических и сверхкритических параметрах.

Технология кипящего слоя получила дальнейшее развитие только в наше время, потому что ужесточились экологические требования. Эта технология имеет множество преимуществ. В кипящем слое ниже температура горения, что снижает выбросы оксидов азота, в установках также можно использовать слоевые материалы для снижения выбросов оксидов серы.

Мы подумали про себя, что энергетика, которая базируется на твердых бытовых отходах, до сих пор использует печи с колосниковыми решетками. Эта технология, которая в угольной энергетике считается устаревшей, повышает затраты на последующую очистку дымовых газов.

Решили использовать технику кипящего слоя, чтобы ответить на вопрос о том, сможем ли мы в кипящем слое сжигать твердые бытовые отходы эффективнее и чище. Тогда столкнулись с одной проблемой: когда мы делим твердые бытовые отходы на фракции, обычно бывает несколько потоков. Первый —ценное вторсырье: металлы, пластик, стекло, бумага. Второй поток — материалы, которые невозможно использовать как вторсырье, но часть их имеет высокую калорийность, при сжигании выделяет много энергии. Третий — оставшаяся часть мусора, которая или может гореть, но при этом имеет очень низкую калорийность, или вообще инертная, в которую в основном входят пищевые отходы. В связи с этим мы её называем органическим остатком.

Решили не фокусироваться только на той части, которая хорошо горит, а рассмотрели возможность уничтожения всего мусора, но с условием, что будем добавлять туда немного угля для полного сгорания. Мы захотели узнать, будет ли это эффективнее и будет ли давать какую-то пользу для экономики процесса. Потенциал у проекта хороший, ведь это топливо можно будет использовать не только в энергетике, но и в качестве брикетов для домашнего отопления.

Результат

В результате работы было опубликовано более десятка научных статей в престижных журналах. В одной из них мы предлагаем проводить пиролиз органической части мусора вместе с углем, а остаточную твердую массу использовать на обычных пылеугольных электростанциях. Твердый продукт пиролиза имеет хорошую размолоспособность, но и высокую зольность. При этом его можно использовать в качестве топлива на пылеугольных котлах.  

Если мусор окажется в земле, то он будет очень долго разлагаться, выделяя много вредных веществ — не только в воздух, но и в почву, и в грунтовые воды. Из-за этого мусор советуется сжигать.

Так мы разработали технологию, которая позволяет сжигать остаток твердых бытовых отходов экологично, а также дали научное обоснование для предстоящих проектов по газификации отходов, которое можно использовать, например, в газовой турбине, двигателе внутреннего сгорания в автомобилях или в домах.

Почему проект не внедряют в Казахстане

Это научный проект. Наша задача была оценить «а что если?» и предоставить данные. 

С 1 января 2019 вступил в силу закон о запрете на захоронение пластмассы, макулатуры, картона, отходов бумаги и стекла. Если нет раздельного мусора, то невозможно сделать так, чтобы абсолютно никакой пластик не попадал на полигон. Требуется формирование какой-то дисциплины в обществе.

При существующей практике утилизации отходов та часть пластика, которая деградировала и которую нельзя изъять из общей массы мусора, будет попадать на полигон. А ценный пластик в настоящее время уже извлекают.

Закон требует, но отрасль не поспевает.

Экологи хотят многого, но чтобы это произошло в соответствии с их требованиями, должны прийти инвесторы. А они не придут, если не увидят в этом пользу. Для этого, во-первых, нужно повышать тарифы на сбор и утилизацию мусора. Во-вторых, нужно считать мусор возобновляемым источником энергии.

Энергетика — довольно консервативная область. Это связано с тем, как быстро обновляются основные средства и активы предприятий. Например, в секторе IT оборудование приходится менять чуть ли не каждый год, так как отрасль не стоит на месте. Но в энергетике замена основных средств связана с окупаемостью, потому что эти проекты очень дорогие.

Грубо говоря, если электростанция окупается через двадцать лет, то технологию не могут менять каждый год. Принятие решений строить ли электростанцию или нет — тоже занимает довольно продолжительное время. Нужно разработать технико-экономическое обоснование, это рассматривают финансирующие организации, после чего нужно ждать разрешения государства. Каждый проект до стадии, когда электростанцию уже построили, может длиться от семи-десяти лет и более. Внедрение новых технологий занимает еще больше времени.

Одна из самых продвинутых технологий на сегодняшний момент, которую сейчас пытается внедрить французская компания Alstom, называется «химический замкнутый цикл». Проект предназначен для сжигания угля. Но чтобы просто дойти до нынешней стадии, до первой экспериментальной установки, прошло примерно пятнадцать лет. Так и должно быть, подобные проекты требуют много времени и средств.

Поэтому и мы все еще развиваем наш проект и будем продолжать работать над технологиями по утилизации твердых бытовых отходов в будущем.