Generation, Extraction and Utilization of Landfill Gas (research work)

Федеральное агентство по образованиюСанкт-Петербургский Государственный Архитектурно-строительный университет

ФИЭС

Кафедра теплогазоснабжения и охраны воздушного бассейна

«Получение и использование газа свалок ТБО»

Работу выполнила студентка гр. 2-Т-IV: Судоргина М.Ю.

Научный руководитель:Комина Г. П.

Санкт – Петербург2010г

ОГЛАВЛЕНИЕ

1 ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................. 3

2 ПОТЕНЦИАЛ БИОГАЗА СВЛОК ТБО КАК АЛЬТЕРНАТИВНОГО

ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ ...................................................................................... 4

2.1 Опыт зарубежных стран .......................................................................................................... 6

2.2 Проблема ТБО в России, инвентаризация свалок ТБО и оценка их метанового потенциала

8

3 ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ МЕТАНОСОДЕРЖАЩЕГО ГАЗА НА

ПОЛИГОНАХ ТБО ............................................................................................... 12

3.1 Механизм образования газа свалок .................................................................................... 12

3.2 Факторы, влияющие на производство газа свалок ......................................................... 17

3.3 Состав газа ............................................................................................................................... 20

3.4 Распространение газа в теле полигона ............................................................................... 20

4 СИСТЕМА СБОРА БИОГАЗА С ПОЛИГОНОВ ТБО, ОСНОВНЫЕ

ЭЛЕМЕНТЫ ......................................................................................................... 23

5 ОЧИСТКА СВАЛОЧНОГО ГАЗА ПЕРЕД ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ...... 27

5.1.1 Основные требования к очистке ..................................................................................... 27

5.1.2 Обогащение газа ............................................................................................................... 30

5.1.3 Компримирование газа .................................................................................................... 32

6 УТИЛИЗАЦИЯ БИОГАЗА С ПОЛИГОНОВ ТБО ................................ 32

6.1 Основная область применения ............................................................................................ 32

6.2 Перспективные варианты использования газа свалок .................................................. 37

6.3 Пример утилизации биогаза свалок ТБО ......................................................................... 38

7 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...................................................................................... 40

8 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ................................ 41

2

1 ВВЕДЕНИЕ

Необходимость энергосбережения и снижения загрязнения

окружающей среды заставляет более рационально использовать

традиционные энергоресурсы, а также искать другие, желательно

возобновляемые и недорогие источники энергии, к которым в последнее

время все чаще относят твердые бытовые отходы (ТБО).

Бытовые отходы, образующиеся в значительных количествах, как

правило, не находящие применения и загрязняющие окружающую среду,

являются возобновляемыми вторичными энергетическими ресурсами.

В настоящее время интенсивно развиваются два основных направления

энергетической утилизации твердых бытовых отходов - сжигание и

захоронение с получением биогаза. Сжигание отходов требует

дорогостоящих систем очистки, поэтому более широко распространено во

всем мире полигонное захоронение твердых бытовых отходов. Основное

достоинство технологии захоронения - простота, сравнительно малые

капитальные и эксплуатационные затраты, и относительная безопасность.

При разложении бытовых отходов выделяется биогаз, содержащий до

60 % метана, что позволяет его использовать в качестве местного топлива. В

среднем при разложении одной тонны твердых бытовых отходов может

образовываться 100-200 м3 биогаза. В зависимости от содержания метана

низшая теплота сгорания свалочного биогаза составляет 18-24 МДж/м3, что

составляет примерно половину теплотворной способности природного газа.

Ежегодная эмиссия метана со свалок земного шара сопоставима с

мощностью таких общеизвестных источников метана, как болота, угольные

шахты и т.д.

В середине девяностых годов оценка глобальной эмиссии свалочного

метана проводилась экспертной группой Межправительственной комиссии

по изменению климата (IPCC), была получена величина равная 40 млн. т/год.

Интересно отметить, что существенный вклад в глобальную эмиссию

производит Россия. По тем же оценкам IPCC свалки России ежегодно

3

выбрасывают в атмосферу 1,1 млн. т, что составляет примерно 2.5% от

планетарного потока. [4].

Сегодня особенно остро стоит проблема стабилизации концентрации в

атмосфере этого газа, одного из основных планетарных источников

парникового эффекта. Поэтому утилизация биогаза бытовых отходов

приобретает важнейшее значение для снижения антропогенной эмиссии

метана. Кроме того, метан является причиной самовозгорания свалочных

отложений, так как при его взаимодействии с воздухом создаются горючие и

взрывоопасные смеси, что приводит к сильному загрязнению атмосферы

токсичными веществами.

Так как процесс разложения отходов продолжается многие десятки лет,

полигон можно рассматривать как стабильный источник биогаза. Масштабы

и стабильность образования, расположение на урбанизированных

территориях и низкая стоимость добычи делают биогаз, получаемый на

полигонах ТБО, одним из перспективных источников энергии для местных

нужд. [2]

2 ПОТЕНЦИАЛ БИОГАЗА СВЛОК ТБО КАК

АЛЬТЕРНАТИВНОГО ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ

Биогаз полигонов твердых бытовых отходов (ТБО), образующийся при

анаэробном разложении органической составляющей отходов, интересен с

разных точек зрения.

Из 1 т сухого вещества ТБО образуется 170-200 м3 биогаза, половину

объема которого и 25-30% массы составляет метан - сильнейший парниковый

газ. Влияние свалочного метана ставится в один ряд с мощнейшими

природными (болота) и техногенными (нефтегазовые месторождения)

источниками, его вклад в развитие парникового эффекта оценивается в 6%.

По интенсивности выбросов метана с единицы площади поверхности

(порядка 200 т/год с 1 га) полигоны ТБО превосходят все другие источники.

4

Если собрать и использовать половину образующегося биогаза, то это

будет равноценно утилизации 10% отходов, доставленных на полигон. Для

сравнения: на таком же уровне оценивается возможный уровень утилизации

отходов на полигоне при помощи дорогостоящих мусоросортировочных

комплексов. Причем, при сортировке мусора энергия потребляется (25-30

кВт∙ч/т ТБО), а при утилизации биогаза - вырабатывается (50-60 кВт∙ч/т

ТБО).

По энергетическому потенциалу 1 м3 биогаза соответствует 0,5 м3

природного газа. Газоэнергетический потенциал полигона, на котором

размещен 1 млн. т ТБО с влажностью 40 %, можно рассматривать как

техногенное месторождение с запасами 50-60 млн. м3 природного газа.

Объем добычи биогаза на полигоне ТБО может составить 10-15 м3 в год на 1

жителя обслуживаемого населенного пункта. Утилизация биогаза на

полигоне, обслуживающем город с населением 100 тыс. человек, может

обеспечить потребности в электричестве и тепле жилого поселка с

населением 1 тыс. человек. Причем это техногенное газовое месторождение

не создается специально: гигантский биохимический реактор, коим является

полигон ТБО - это побочный продукт жизнедеятельности человека, своего

рода отхожее место города. Существенное отличие этого месторождения от

природных - отсутствие газонепроницаемой изоляции, вследствие чего без

оперативной добычи газа одновременно с его генерацией образующийся

биогаз будет просто выбрасываться в атмосферу, загрязняя ее.

Теоретический энергетический потенциал биогаза при объемном

содержании метана 50 % составляет 5 кВт∙ч/м3. При 100 % использовании

всего добытого газа, теоретическая мощность газоэнергетической установки,

работающей на биогазе, могла бы составить 600 кВт на 1 млн. м3/год

утилизируемого биогаза.

Технический энергетический потенциал составляет от теоретического

при использовании биогаза:

в качестве котельного топлива 90-92%;

5

в качестве моторного топлива с выработкой

электроэнергии 35-37%;

в качестве моторного топлива с когенерацией (совместной

выработкой) электрической и тепловой энергии - от 75 %

до 87 % в зависимости от технических решений

утилизаторов теплоты.

Например, при переоборудовании для работы на биогазе базовой

модели мини-ТЭЦ МТД-100/110 соотношение тепловой и электрической

мощностей составляет 110:100, при этом КПД использования биогаза

составит 75,6 %, технический потенциал биогаза 5∙0,756=3,78 кВт∙ч/м3.

Мощность газоэнергетической установки, работающей на биогазе по

схеме когенерации (с совместной выработкой электричества и тепла), может

составить 200-220 кВт по электроэнергии и 220-280 кВт по теплу на 1 млн.

м3/год утилизируемого биогаза. Возможная максимальная выработка энергии

на биогазе в 2-3 раза превосходит собственные потребности полигона.

Для полигона, обслуживающего город с населением 100 тыс. человек,

снижение суммарных текущих затрат за 20 лет составит 10-11 млн. руб. (в

ценах 2006 г.) по сравнению с вариантом энергоснабжения от внешних

электрических сетей. Расчетный срок окупаемости дополнительных

капитальных затрат составит 6-7 лет. [6]

2.1 Опыт зарубежных стран

В настоящее время общее количество используемого биогаза

составляет примерно 1,2 млрд. м3/год, что эквивалентно 429 тыс. т метана,

или 1 % его глобальной эмиссии.

В Германии на 409 крупных свалках городского мусора имеются

сборные пункты биогаза, образующегося при разложении органических

компонентов мусора. В среднем на свалках Германии из 1 т мусора

вырабатывается около 100 м3 биогаза. При общем объеме выделения биогаза

со свалок в размере 4 млрд. м3/год (что эквивалентно 2 млрд. м3 природного

6

газа), его полезное потребление составляет около 400 млн. м3/год. Биогаз

после его очистки используют для получения электрической и тепловой

энергии, расходуемой для промышленных целей, и в системах отопления.

Количество биогаза, генерируемого на свалках, колеблется от 10 до 1200

м3/ч. Мощность установок для производства электроэнергии из биогаза

составляет от десятка кВт до нескольких тыс. кВт, что позволяет

обеспечивать энергией от нескольких домов до небольшого поселка. Нередко

биогаз используется в качестве топлива в энергетических установках с

двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Себестоимость полученной

энергии на установках с ДВС примерно в 2-2,5 раза ниже тарифов на

электроэнергию для населения.

В США в настоящее время объем добычи биогаза составляет 500 млн.

м3/год. Значительная часть биогаза поступает на электростанции,

работающие на газообразном топливе. Суммарная электрическая мощность

установок, работающих на биогазе, составляет около 200 МВт. Кроме того,

все чаще осуществляется подача биогаза в коммунальные сети

газоснабжения.

В Великобритании добывается около 200 млн. м3/год биогаза.

Суммарная мощность БиоЭС Великобритании составляет около 80 МВт.

Во Франции добывается около 40 млн. м3/год биогаза. На одной из

свалок вблизи Парижа была построена БиоТЭС, использующая биогаз,

эмиссия которого составляет 1500 м3/сут.

На Украине в городах ежегодно образуется около 10 млн. т бытовых

отходов. Более 90 % ТБО вывозится на 655 полигонов и свалок, из которых

140 являются пригодными для добычи и использования свалочного газа.

Потенциал свалочного газа составляет около 400 млн. м3/год. [2]

7

2.2 Проблема ТБО в России, инвентаризация свалок ТБО и оценка их

метанового потенциала

Сейчас, когда проблему ТБО наше общество ещё только начинает

осознавать, находясь в начале пути, нужно выстроить правильное отношение

к ней.

Мы должны понять, что решение проблемы отходов относится к той

сфере, которая требует затрат. Чистота - это товар, за который надо платить.

Конечно, уже изначально мы должны минимизировать количество

образующихся отходов - существует целая разработанная система действий.

Те отходы, что всё же появились, нужно по максимуму утилизировать. В

таких странах, как Норвегия, Финляндия, фактически 45-48 % отходов

являются вторичными ресурсами, в то время как мы перерабатываем пока

только 3 % ТБО.

По статистическим данным общая площадь занятых отходами земель

превышает две тысячи квадратных километров, при этом ежегодно вновь

образуется 30 млн. тонн твердых бытовых и 120 млн. тонн промышленных

отходов.

Впервые в России проведена инвентаризация свалок ТБО и создана

база данных, которая на сегодняшний день является максимально полной и

включает все крупные свалки.

Общее количество учтенных свалок составляет 865. Общее количество

отходов, размещаемых на представленных в базе данных свалках, составляет

122,4 млн. м3, или 24,6 млн.т в год. Количество накопленных отходов на

учтенных свалках составляет 354 млн.т.

В результате анализа полученной информации установлено, что в

России практически отсутствуют объекты размещения отходов, которые

можно назвать санитарными полигонами. Подавляющее большинство

полигонов – это санкционированные (легальные) свалки, которые не

отвечают действующим санитарным нормам. Практически все

существующие свалки в России организованы стихийно, не имеют проекта

8

(за исключением новых полигонов, построенных после 2000 г.). Территории

свалок не обвалованы, санитарно-защитная зона не организована, технология

складирования не соблюдается (отсутствует или недостаточно ведется

пересыпка инертным материалом, производится недостаточное уплотнение

отходов), не подготовлено водонепроницаемое основание, отсутствуют

противофильтрационные экраны, не ведется сбор и очистка фильтрата, не

предусмотрен отвод дождевых вод, не организован сбор свалочного газа. На

подавляющем большинстве свалок наблюдается самовозгорание отходов.

Подавляющее большинство свалок не имеет систем мониторинга, не ведется

контроль за состоянием подземных и поверхностных вод, атмосферного

воздуха, почвы. Большинство свалок переполнено и подлежит закрытию.

На основании собранной информации выполнено ранжирование свалок

по площади, количеству поступающих и количеству накопленных отходов. В

результате ранжирования выявлены наиболее крупные свалки, которые

могут быть первоочередными кандидатами для реализации проектов по

извлечению метана.

Распределение свалок по занимаемой площади представлено в табл.1.

7 из 25 наиболее крупных свалок площадью более 50 га расположено в

Центральном ФО (Московская область – «Икша», «Домодедовский»,

9

«Саларьево», «Щербинка», «Тимохово», «Хметьево» и г. Ярославль –

полигон «Скоково»), 7 - в Приволжском ФО (гг. Пенза, Пермь, Самара,

Пугачев, Балашов, Нижний Новгород, Уфа), 6 - в Сибирском ФО (гг. Улан-

Удэ, Томск, Назарово –Красноярский край, Славгород – Алтайский край), 2 –

в Северо-западном ФО (Ленинградская область), 2 - в Уральском ФО (г.

Челябинск), 1 - в Южном ФО (г. Краснодар).

Распределение свалок по количеству поступающих отходов

представлено в табл.2.

Установлено, что 76% всех отходов в России поступает на 118 свалок,

или на 14% всех учтенных свалок. Наиболее крупными по количеству

поступающих потоков отходов – более 250 тыс.т в год - являются 19 свалок,

на которых размещается 34% всех отходов: Центральный ФО – 4 свалки, в

том числе 3 свалки в Московской области – «Кучино», «Икша»,

«Жирошкино», 1 – в г. Тула; Северо-Западный ФО – 2 свалки, в том числе 1 –

в г. Санкт-Петербург «ПТО-3 Новоселки», 1 – в г. Калининград; Южный ФО

– 1 свалка в г. Ростов-на-Дону; Приволжский ФО – 6 свалок, в том числе в гг.

Нижний Новгород (Игумновский полигон), Казань (Самосыровская свалка),

Уфа, Ижевск, Самара (полигон «Преображенка»), Йошкар-Ола; Уральский

ФО – 2 свалки, в том числе в гг. Челябинск и Екатеринбург

(«Широкоречная»); Сибирский ФО – 3 свалки, в том числе в гг. Новокузнецк,

Томск, Новосибирск; Дальне-Восточный ФО – 1 свалка в г. Хабаровск

(«Березовская»).

10

Распределение свалок по количеству накопленных отходов

представлено в табл. 3.

Общая масса накопленных отходов на учтенных свалках составляет

354 млн.т. 94% отходов накоплено на 117 свалках, на которые ежегодно

поступает 64,5% всех отходов. Наиболее крупными по количеству

накопленных отходов - более 10 млн.т – являются 5 свалок – «Кучино» в

Московской области, «Софроны» в Перми, Томский городской полигон в г.

Томске, свалка «Широкоречная» в Свердловской области, Челябинский

полигон в г. Челябинске.

Спецификой России является наличие свалки практически в каждом

населенном пункте: в крупных городах может быть размещено несколько

свалок, в малых городах и поселках – по одной. Эти свалки, как правило,

отнесены к санкционированным, то есть легальным. Кроме этого, на

территории всех российских регионов имеется множество

несанкционированных свалок.

В результате расчетов выяснено, что общий объем биогаза на учтенных

свалках составляет 1715 млн.м3 в год, метана – 858 млн.м3 в год. На 118

учтенных свалках (14% от общего количества) образуется 75% свалочного

метана. Наибольшие объемы метана (в сумме 292 млн. м3 в год) образуются

на 19 самых крупных свалках с объемом поступающих отходов более 250

11

тыс.т. Установлено, что потенциалом более 600 м3/ч метана обладают 34

полигона. [5]

Только в Санкт-Петербурге ежегодно образуется около 5 млн.

кубометров твердых бытовых отходов, из которых около 80 %

захоранивается на трех действующих полигонах. Наиболее

предпочтительным для утилизации биогаза является полигон ПТО-1

"Волхонский", один из крупнейших в России. На этом полигоне

преимущественно захораниваются бытовые отходы, его емкость практически

исчерпана, планируется проведение рекультивационных работ, которые

можно совместить с созданием системы биогаза. Расчеты показали, что

ожидаемой эмиссии метана будет достаточно для работы тепловой

электростанции мощностью 2000 кВт в течение 20-25 лет. Кроме того, на

территории Ленинградской области имеется 55 организованных свалок, где

ежегодно размещается около 1 млн. м3 твердых бытовых отходов. Несмотря

на сравнительно небольшие объемы захоронения отходов, получение биогаза

на ряде свалок может оказаться рентабельным из-за высокой стоимости

топлива.

3 ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ МЕТАНОСОДЕРЖАЩЕГО

ГАЗА НА ПОЛИГОНАХ ТБО

3.1 Механизм образования газа свалок

На организованных полигонах ТБО мусор складируется слоями и

уплотняется, следствием чего является наличие в порах и полостях

захороненных отходов лишь небольшого количества воздуха. При хорошей

гидроизоляции (экранировании) поверхности полигона поступление воздуха

в толщу отходов становится в дальнейшем практически невозможным.

Кислород, имеющийся в порах, постепенно потребляется различными

микроорганизмами.

Вследствие биологического разложения органических веществ,

содержащихся в бытовых отходах, через определенное время на полигонах

12

ТБО начинаются процессы газообразования. Эти процессы преобразования

исходной биомассы осуществляются микроорганизмами и протекают в

толще отходов сначала в присутствии кислорода (аэробно), а затем без

доступа кислорода (анаэробно). При этом органическая биомасса отходов,

состоящая из остатков продуктов питания, пищевых (кухонных) отходов,

растительных отходов, бумаги, тканей и т. д., разрушается с образованием

конечных продуктов биохимического распада, основными из которых

являются метан СН4 и углекислый газ С02. Этот газ называется газом со

свалок (свалочным газом) и по своим свойствам относится к группе биогазов

(иногда их называют газами брожения или болотными газами).

Начальная стадия процесса разрушения органических веществ,

характеризующаяся аэробными условиями, аналогична процессам,

протекающим при компостировании биоотходов. На этом этапе в порах и

полостях отходов еще присутствует кислород воздуха. Однако вследствие

небольшого времени контакта между воздухом и отходами и ограниченного

запаса кислорода интенсивность этого процесса невелика. При аэробном

распаде легко разрушаемые вещества преобразуются углекислый газ

(образуется до 20 % СО2) и воду, процесс протекает с высвобождением

энергии. Воздух, содержащийся в порах, постепенно полностью расходуется

аэробными бактериями, а отчасти вытесняется углекислым газом, и в толще

отходов образуется анаэробная среда. Во всех местах, где кислород вытеснен

полностью, начинается анаэробный распад.

Дальнейшие биохимические процессы преобразования органических

компонентов отходов осуществляются анаэробными бактериями,

способными существовать без кислорода. Питательным веществом для этих

бактерий служат также содержащиеся в отходах органические вещества.

Механизм распада органического вещества достаточно хорошо изучен

и происходит в 4 стадии: гидролиз; кислое брожение; ацетогенная стадия;

образование метана (рис.3.1).

13

Рис. 3.1. Схема анаэробного метанового брожения.

На первой стадии анаэробного распада, стадии ферментативного

гидролиза, сложные органические соединения, содержащиеся в отходах

(полисахариды, жиры, протеины и целлюлоза), расщепляются на отдельные

составляющие, такие как сахар, жирные кислоты, аминокислоты и глицерин.

Этот процесс осуществляют бактерии, называемые ацидогенными

(кислотообразующими) или ферментативными.

Образовавшиеся жирные кислоты и низкомолекулярные спирты не

могут непосредственно преобразоваться с помощью метановых бактерий,

поэтому происходит дальнейшее разрушение через промежуточный этап.

Второй этап (стадия II) называется кислым брожением; здесь разлагаются

полимерные вещества, такие как жиры, целлюлоза, протеины и их

компоненты. Эти элементы в дальнейшем распадаются до классических

продуктов брожения: ацетат, летучие жирные кислоты, СО2 и Н2.

Образование СО2 и Н2 достигает своего максимума, причем из пор

полностью вытесняется азот.

Участвующие при этом разлагающие бактерии являются

факультативно анаэробными, т. е. могут работать в присутствии небольшого

количества остаточного кислорода.

Характерным для этой фазы является высокий уровень содержания

СО2, при одновременном снижении содержания кислорода и азота (рис. 3.2).

14

Рис. 3.2. Изменение состава газа в процессе анаэробного распада в органической части

отходов.

Уже на стадии кислого брожения начинается зарождение метановых

бактерий. На III стадии, нестабильной метановой фазы, преобразуются

продукты брожения II стадии непосредственно в метан, при этом только CO2,

Н2, формиат и ацетат преобразуются в метан, другие летучие кислоты

проходят через промежуточный этап.

На центральном этапе распада из конечных продуктов кислого

брожения (ацетат, формиат, метанол, метиламины, СО2, и Н2), при участии

метановых бактерий образуются метан и углекислый газ. Работа метановых

бактерий сильно зависит от условий процесса. В естественных условиях

основную роль при производстве метана играют уксусная кислота; СО2 и Н2.

Выход СО2 снижается, а выход метана возрастает до своего максимального

значения, примерно 50 - 60%. Четвертая стадия стабильного

метанообразования достигается, когда в газе сохраняется постоянное

соотношение содержания метана и углекислого газа. Сбраживание может

осуществляться организованно в герметичных специальных устройствах

(метантенках, биореакторах), в этом случае процесс управляем. Другая

ситуация наблюдается на свалках или полигонах ТБО, когда процесс

протекает неорганизованно.

15

На полигонах ТБО I стадия длится несколько недель, II стадия -

несколько месяцев, и через 1 - 2 года достигается стабильная метановая фаза

(стадия IV).

Из практики известно, что производство метансодержащего газа

начинается через несколько месяцев после захоронения отходов и может

продолжаться в течение десятилетий.

Учеными Германии было выявлено несколько характерных, достаточно

длительных фаз, на протяжении которых отмечаются определенные

тенденции в изменении факторов, влияющих на гидрологический и газовый

режимы полигонов. Эти фазы можно связать со стадиями распада и выделить

16

6 основных фаз, прдставленных на рисунке 3.3.

Рис. 3.3. Характерные длительные фазы на полигоне ТБО при образовании газа

3.2 Факторы, влияющие на производство газа свалок

Для непрерывного образования газа требуется выполнение

определенных граничных условий. Следующие факторы можно назвать

17

важней шими параметрами влияния на рост метановых бактерий и тем самым

на газообразование.

Влажность отходов представляет собой важнейший фактор

влияния на процесс метанообразования. В диапазоне значений влажности

20-60 % по массе увеличение влажности всего на несколько процентов

обусловливает значительную интенсификацию производства метана. Так,

при прочих равных условиях и влажности 30 % происходит распад всего 4

кг глюкозы на 1 м3 в год, при 50% - распад 172 кг глюкозы на 1 м3 в год, а

при влажности более 60% по массе образование метана оптимально.

Обычно зона захоронения на полигоне отходов по меньшей мере на 1 м

выше уровня горизонта грунтовых вод, а в массе отходов наблюдается

влажность 15 - 65% по массе. Содержание ниже 50% по массе в

большинстве случаев недостаточно для оптимального производства метана.

Поэтому влагосодержание постоянно является ограничивающим фактором

при образовании газа свалок.

Температура. Большинство метанообразующих бактерий относятся

к мезофильной группе и вырабатывают метан при температуре 33 – 35 °С,

другие бактерии существуют в термофильном режиме (при температуре 53 –

55 °С). При температуре ниже 10 °С метановые бактерии гибнут, и

метанообразование прекращается. Однако, благодаря выделению теплоты в

процессах биологического распада, тело свалки может заметно

подогреваться. При достаточных прочих условиях для развития процесса

возможно существенное повышение температуры.

Движение воды также является важным фактором. Отсутствие движения

воды в толще отходов привело бы к насыщению органических кислот,

образующихся на начальных стадиях распада. Вследствие возникновения избытка

питательных веществ изменились бы отдельные параметры (в частности,

уменьшились бы значения показателя рН), что вызвало бы изменение условий

среды и влияние на последующие стадии распада. Следствием этого может быть

затухание распада вплоть до остановки процесса.

18

Наличие питательных веществ. Состав бытовых отходов и особенно

осадка очистных сооружений (активного ила) создает чрезвычайно благоприятные

условия роста бактерий. Решающим фактором является доля органического

вещества, которая может эффективно расщепляться бактериями. В качестве

субстрата выступают пищевые отходы, растительные, садовые отходы, бумага,

отходы животных, текстиль, споры грибов, шламы с очистных сооружений. Для

отходов, содержащих только неорганические компоненты, биологический распад

невозможен. Соотношение отдельных питательных веществ также должно быть в

определенных пределах. Необходимо наличие элементов азота, фосфора, серы,

кислорода и некоторых примесей, а также для оптимального распада необходимо

соотношение XПK:N:P=100:0,44:0,88. Ограничивающим фактором здесь часто

является фосфор.

Показатель рН. Достаточное содержание СаСО3 (не менее 2000 мг

СО3/л) облегчает поддержание показателя рН в пределах 6-8. Слишком низкие или

слишком высокие показатели рН оказывают на бактерии токсическое действие,

кроме того, в кислой среде существует опасность мобилизации тяжелых металлов.

В стабильной метановой фазе значение рН немного более 7, а при кислом

брожении составляет 6 - 7. Если органические кислоты на стадии кислого

брожения нерегулярно отводятся с дренажной водой (фильтратом), то снижение рН

на следующей стадии может нарушить дальнейший распад. После прерывания

метановой фазы может быть отмечено снижение значений показателя рН. Таким

образом, гидрологический и газовый режимы полигона неразрывно связаны,

потому исследования газа и дренажных вод нужно проводить одновременно,

поскольку исследования фильтрата могут в некоторых случаях дать важные

результаты для оценки производства газа.

Концентрации токсических веществ. Некоторые летучие жирные

кислоты ядовиты для бактерий. При общем количестве жирных кислот

6000-15000 мг/л рост метановых бактерий однозначно подавляется. При

наличии тяжелых металлов наиболее ядовитыми для бактерий являются

ртуть и кадмий. Тяжелые металлы оказывают тормозящее воздействие на

19

метановое брожение только в растворенном виде. Вследствие физико-

химических процессов, протекающих параллельно с метановым брожением,

металлы выделяются в виде сульфидов и/или появляются в процессах

комплексообразования. Кроме того, токсичны пестициды и некоторые

хлорсодержащие углеводороды. Как наличие кислорода так и высокое

содержание солей является ядом для метановых бактерий.

Структура тела захоронения. При сооружении полигонов

используются различные технологии, обеспечивающие оптимальное

измельчение отходов. Благодаря этому достигается высокая плотность

укладки отходов. На старых свалках приходится исходить из существующих

условий поскольку технику укладки, фракционное состояние отходов, способ

уплотнения и гидроизоляции, размеры пор и полостей для накопления газа

нельзя изменить.

3.3 Состав газа

Свалочный газ в основном содержит 50—87 % метана, 13—50 % CO2,

незначительные примеси H2 и H2S. После очистки биогаза от СО2 получается

биометан - полный аналог природного газа, отличающийся только

происхождением.

Поскольку только метан поставляет энергию из биогаза,

целесообразно, для описания качества газа, выхода газа и количества газа все

относить к метану, с его нормируемыми показателями.

3.4 Распространение газа в теле полигона

Исследования, проведенные на полигонах и свалках отходов, показали,

что газ свалок распространяется в большей степени горизонтально, нежели

вертикально, что объясняется анизотропией слоев отходов. В теле

захоронения образуются предпочтительные пути, так называемые

гидравлические каналы, вдоль которых преимущественно происходит

распространение газа (рис. 3.4.).

20

Рис. 3.4. Схема распространения газа в толще отходов.

Иногда эти пути достигают верхнего слоя покрытия и могут вывести

газ на поверхность, особенно при отсутствии газонепроницаемого покрытия,

на других уровнях, наоборот, остается довольно большое расстояние до

покровного слоя, что исключает точечный выход газа.

Такое неравномерное по глубине распространение может быть вызвано

различными причинами. Одной из причин является неравномерное

уплотнение отходов вследствие их фракционной неоднородности. В

центральных зонах полигона или участка полигона, где транспортные

средства могут двигаться беспрепятственно, наблюдается повышенная

степень уплотнения, в отличие от этого в приграничных зонах, у откосов,

перемещение уплотняющей техники затруднено. Наряду с, этим, вследствие

неоднородности структуры складируемых отходов в теле захоронения могут

возникать «запирающие» слои, препятствующие распространению газа.

Поэтому можно констатировать, что во многих местах на полигонах

очень высока степень точечного выхода газа, в то же время диффузные

эмиссии, распределенные по поверхности, характеризуются относительно

небольшой величиной. Именно точечные эмиссии приводят к повышенной

экологической нагрузке, поскольку в этом случае газы выходят на

поверхность практически неразбавленными и не подвергаются эффектам

фильтрации. При диффузном распространении газов, протекающем с малой

скоростью, эмиссии газа распределены по поверхности, и газы достаточно

долго находятся в аэробной грунтовой зоне. Благодаря этому может

21

появиться эффект биофильтра, который приводит к окислению компонентов

газа присутствующим кислородом и распаду веществ, придающих газу запах.

Выход газа на поверхность приводит к постепенной, очень медленной

дегазации тела захоронения. В этом случае говорят о так называемой

пассивной дегазации.

Для снижения опасного воздействия газа на окружающую среду

необходимо проведение мероприятий по целенаправленному удалению газа,

т.е. активной дегазации полигона. На полигонах без газонепроницаемого

покрытия поверхности газ сильно разбавляется воздухом и становится

непригодным для энергетического использования. В комбинации с системой

изоляции основания и поверхности осуществляется активная дегазация, при

которой откачиваемый через систему сбора газ утилизируется с получением

энергии. В любом случае мероприятия по дегазации должны

минимизировать остаточные эмиссии и нанесение ущерба окружающей

среде.

В случае активной дегазации полигона отходов потоки газа также

откачиваются по предпочтительным гидравлическим горизонтальным путям.

Тенденцию к перемещению газа преимущественно в горизонтальном

направлении можно отчетливо наблюдать по характерной форме линий

постоянного давления, изобар (рис.3.5), построенных на основе

исследований Дж. Фаркуара по откачиванию газа с полигонов ТБО.

Таким образом, газ поступает к газовым коллекторам по разветвленной

системе гидравлических каналов определенной формы, связанных друг с

другом, и отводится к поверхности полигона. Под небольшим разрежением,

создаваемым искусственно с помощью специальных технических устройств,

газ подтекает от мало проницаемых, влажных, закупоренных газовыми

пузырями областей, к гидравлическим каналам. Этот процесс практически

нельзя ускорить увеличением разрежения, оно только приведет к подсосам

воздуха.

22

Рис .3.5. Изобары при экспериментальном откачивании газа по Фаркуару.

4 СИСТЕМА СБОРА БИОГАЗА С ПОЛИГОНОВ ТБО,

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Вследствие биологических процессов деструкции органических

веществ в теле полигона отходов происходит образование газа, которое

приводит к возникновению в толще захоронения избыточного давления газа.

Образующиеся газы за счет конвекции выходят из тела свалки. Только на

границе с атмосферным воздухом происходит движение газа, обусловленное

диффузией, причем возможен не только выход газа на поверхность, но и

проникновение воздуха в толщу отходов. Это приводит к тому, что на

свалках небольшой глубины всегда обнаруживается смесь газа свалок и

воздуха.

При рассмотрении этих условий дегазации на полигонах отходов

предлагаются два принципиально отличных способа эксплуатации:

• метансодержащий газ под собственным давлением отводится

из тела свалки. Для этого случая применяется термин

«пассивная дегазация»;

• метансодержащий газ принудительно откачивается из тела

свалки с помощью специальных приспособлений. Этот

способ эксплуатации называется «активной дегазацией».

23

На практике пассивная дегазация является надежной лишь в редких

случаях, при совершенно определенных условиях. В общем случае дегазация

на полигонах и свалках отходов должна быть активной, при этом необходимо

учитывать, особенно с точки зрения техники безопасности, что при

негерметичности в элементах системы дегазация, проводящих газ,

вследствие создаваемого разрежения может также оказаться смесь газа с

воздухом. Принципиальная схема активной системы дегазации, часто

используемая на полигонах ТБО, представлена на рис. 4.1.

Краткая характеристика элементов системы дегазации

Газовые коллекторы - это трубопроводы, проложенные в толще

отходов, в которых создается разрежение. Как правило, они выполняются

либо вертикально в виде газовых колодцев, либо горизонтально в виде

перфорированных трубопроводов, однако на практике применяют и другие

формы (резервуары, гравийные или щебеночные камеры и др.)

Под сборными газопроводами понимаются газопроводы, находящиеся

под разрежением и ведущие к части сборных коллекторов. Для компенсации

просадок они имеют гибкое присоединение к газовому коллектору, в узле

присоединения располагаются контрольно-измерительные приборы (для

измерения давления) и штуцеры для отбора проб газа.

В газосборном пункте объединяются сборные газопроводы.

Газосборный пункт может быть выполнен в виде трубы, резервуара и т.п. и

размещается в низшей точке с целью обеспечения сбора и отвода

выпадающего конденсата. В газосборном пункте размещаются контрольно-

измерительные приборы и устройства автоматики.

24

Рис.4.1. Устройство системы дегазации полигона ТБО

25

Всасывающим трубопроводом называют прямой участок трубопровода

перед нагнетательным устройством, здесь также предусматриваются

контрольно-измерительные приборы и устройства автоматики.

Нагнетательные устройства (например, вентилятор или

воздуходувка) служат для создания разрежения, необходимого для

транспорта газа из тела захоронения или для создания избыточного давления

при транспортировании газа к месту использования (к факельной установке,

к системе утилизации и т.п.).

Компрессорная установка служит для повышения избыточного

давления газа.

В помещении для агрегатов размещаются нагнетательные устройства.

Традиционными конструкциями являются контейнеры, металлические

кожухи или небольшие строения (гаражи, блочные конструкции и т.д.). На

крупных установках газонагнетательные устройства располагаются вместе с

другими в машинном зале. Иногда нагнетательные устройства размещаются

на открытых площадках под навесом.

Под трубопроводами для транспорта газа понимается система

трубопроводов для отвода газа со стороны избыточного давления.

Факельная газовая установка — это устройство, необходимое для

полного сжигания газа, включая устройства автоматики безопасности и

регулирования.

В машинном зале размещаются установки для очистки или утилизации

газа, а также пульт управления и другие устройства.

Подобную схему сбора биогаза можно, например, проследить на

электрической станция в Раутенвеге (Австрия) (рис. 4.2.), мощностью 7908

кВтэ, где разумного используется приблизительно 35 млн. нм3 биогаза,

ежегодно выделяющегося при гниении мусора на свалке Раутенвег под

Веной.

Установка по утилизации производит приблизительно 63 млн. кВт/ч

электроэнергии в год, что покрывает годовую потребность в электроэнергии

26

примерно 25 000 семей. С помощью энергетической установки в Раутенвеге,

работающей на газе мусорной свалки, экономится 1500…2500 нм3/ч

природного газа, необходимого для сжигания на электростанции для

получения такого же количества энергии.

Рис. 4.2. Схема получения газа мусорных свалок, Раутенвег (Австрия)

5 ОЧИСТКА СВАЛОЧНОГО ГАЗА ПЕРЕД

ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

5.1.1 Основные требования к очистке

Для обеспечения функциональной и эксплуатационной безопасности, а

также безопасной работы персонала газ должен быть предварительно очищен

от вредных компонентов. Основные этапы при подготовке газа к

использованию:

• отделение влаги и взвешенных частиц;

• удаление сероводорода;

• удаление галогенсодержащих соединений;

• удаление углекислого газа;

• компримирование или сжижение (при использовании в

качестве горючего для транспортных средств).

27

Наряду с основными компонентами: метаном, диоксидом углерода и

воздухом, в газе свалок были идентифицированы более 100 компонентов.

При всех применяемых в настоящее время вариантах утилизации наиболее

вредными являются галогенсодержащие углеводороды и сероводород. Хлор-

и фторсодержащие углеводороды представляют опасность из-за появления

диоксинов и фуранов при недостаточно высоких температурах горения и

вместе с сероводородом приводят к коррозионой опасности вследствие

образования соляной и плавиковой кислоты при конденсации продуктов

сгорания в агрегате. Далее хлор, фтор, сера, фосфор и свинец в выхлопных

газах двигателя выводят из строя катализатор и препятствуют

каталитическому снижению оксидов азота при использовании газа в качестве

горючего для транспортных средств.

К вредным примесям относится также водяной пар, так как газ свалок в

большинстве случаев насыщен водяными парами. Осушку газа, т. е.

отделение водяных паров необходимо предусматривать во избежание

коррозии.

Необходимость удаления хлор- и фторсодержащих углеводородов и

сернистых соединений после осушки газа в различных блоках очистки

зависит от способа утилизации газа. Так, при использовании газа в качестве

горючего в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) содержание общего

хлора должно быть не более 50 мг/м3, а общего фтора - не более 10 мг/м3; для

безвредной утилизации в топочных устройствах при температуре горения

более 1200°С и времени пребывания продуктов сгорания в

высокотемпературной зоне 0,3 с концентрация общего хлора не должна

превышать 200 мг/м3, общего фтора - менее 20 мг/м3.

В табл. 4 приведен обзор способов, которые целесообразно

использовать при расходах газа 100 - 3000 м3/ч. Для удаления

галогенсодержащих углеводородов и сероводорода до сих пор применяются

адсорбция на активированном угле и абсорбция промывочным раствором.

28

Таблица 4

Удаляемые компоненты

СпособВозможные

конструкцииПроблемы

эмиссий

Механические примеси

Сепарация

Циклонный сепаратор, тарельчатый сепаратор, вертикальная ёмкость

Возможно использование на территории полигона

Водяной пар,Конденсируемые углеводороды (УВ) и галогеносодержащие УВ

Охлаждение+5°С,сепарация

Холодильник, контурВодяного охлаждения

В особых случаяхудаление за пределы очистных сооружений или тепловых установок

Сероводород

Сжатие/Охлаждение/сепарация

Поршневый компрессор,Винтовой компрессор

Активированный уголь

1-слойная конструкция,2-слойная конструкция(без или с регенерацией)

Массу можно депонировать, возможное извлечение серы

ЛуговаяРешетчатая конструкция

Массу можно депонировать

Железная рудаБашенная конструкция с регенерацией

(УВ) и галогеносодержащие УВ

Активированный уголь без регенерации

1-слойная конструкция,2-слойная конструкция

Наличие внешних устройств регенерации

Водяной пар,Конденсируемые углеводороды (УВ) и галогеносодержащие УВ (ГУВ)

Активированный уголь с регенерацией

Регенерация паром или горячим газом

УВ+ГУВ могут конденсироваться или смешиваться с водой, инче присутствуют в отходящих газах

Адсорбция

Адсорбция с переменным давлением на углеродных молекулярных ситах.Адсорбция с переменным давлением на цеолитовых молекулярных ситах

Необходима предварительная ступень очистки, благодаря чему проблемы эмиссий отсутствуют

29

Обогащение метаном (отделение СО2)

Химическая абсорбция

Аминовые растворы

Частичная эксплуатация отчасти без предварительной очистки

Физическая абсорбция

Абсорбция под высокимДавлением, селекзол-процесс, кризол-процесс

Следы компонентов в отходящих газах

Мембранный способ разделения

Сжатие на мембранном модуле

Нет полной ясности о присутствии следов компонента

При адсорбции на активированном угле происходит удаление

органических соединений на насадке с активированным углем. Адсорбция

высоко, средне- и низкокипящих галогенсодержащих углеводородов

происходит по двухступенчатой технологии очистки.

При абсорбции в промывочном растворе происходит отделение

тяжелых и галогенсодержащих углеводородов. При этой технологии

галогенсодержащие соединения абсорбируются промывочным раствором,

состоящим из смеси органических растворителей (вымываются).

Достигаемая при этом эффективность очистки от соединений хлора

составляет более 95 %.

Каталитическое окисление

Способ каталитической обработки подходит для селективной и

одновременной обработки газа от галогенсодержащих соединений и

сероводорода. Названные вредные вещества каталитически преобразуются в

соляную кислоту, плавиковую кислоту и диоксид серы. Эти реакции

протекают в отсутствие катализатора только при экстремальной температуре

1000 °С или давлениях порядка 100 МПа.

5.1.2 Обогащение газа

Целью обработки является доведение газа с полигонов ТБО до качества

природного газа. Для отделения углекислого газа применяется

30

моноэтаноламиновая отмывка, дальнейшее обогащение достигается

посредством подмешивания к очищенному газу пропана. В этом же процессе

достигается очистка oт сероводорода.

Этаншаииновый процесс основан на реакции слабого основания

(этаноламина) и слабой кислоты (СО2 или H2S) с получением

водорастворимой соли:

HOCH2CH2NH3 + Н20 + С02 ↔ HOCH2CH2NH3 + НСО -3

HOCH2CH2NH3 +Н2S ↔ HOCH2CH2NH3 + HS-.

Эти реакции обратимы, их равновесие может быть смещено при

регулировании температуры. Кроме того, на равновесие системы оказывает

некоторое влияние парциальное давление кислых газов и другие факторы.

Температура контактирования обычно 20 - 25 °С, давление - от атмосферного

до величин, превышающих 7 МПа. Способ моноэтаноламиновой очистки

обеспечивает полное удаление CO2, H2S вымывается до содержания 0,001 %

по объему .

Наиболее простым и дешевым способом отделения СО2 и частичного

отделения H2S является промывка водой. В абсорбере при избыточном

давлении порядка 1 МПа углекислый газ поглощается водой. Давление

порядка 1 МПа принимается, чтобы после снижения давления добиться

последующей осушки газа с достаточно низкой температурой точки росы.

Насыщенная углекислым газом вода регенерируется воздухом. Относительно

высокие энергетические затраты для предварительного сжатия неочищенного

газа компенсируются за счет высокого содержания метана в продукционном

газе. Этот способ характеризуется гораздо более низкими затратами по

сравнению с другими способами.

Способ мембранного разделения СН4 и СО2 основан на различной

проницаемости компонентов газа через мембрану. Процесс прохождения газа

через мембрану описывается отдельными этапами: адсорбция компонента из

газовой фазы, диффузия через мембрану и десорбция из мембраны в газовую

фазу.

31

При адсорбционном разделении метана и углекислого газа в качестве

сорбентов применяются силикагель, оксид алюминия, цеолиты и

молекулярные сита.

5.1.3 Компримирование газа

В транспортных средствах в качестве горючего можно использовать

сжатый или сжиженный газ. Степень сжатия газа определяется в основном

двумя основными компонентами метаном и углекислым газом, их свойства

на сжатие характеризуются коэффициентом сжимаемости К:

К=p∙V/(RT).

1 м3 газа свалок, сжатый до 2 МПа при температуре 0° С, занимает

объем 2,95 дм3. В пятидесятилитровых баллонах высокого давления при

таких условиях можно хранить 17 м3 газа, тогда как при таком же давлении и

температуре 40 или 50 °С - только 15,5 или 14,5 м3 соответственно. Перед

сжатием или сжижением газ практически полностью освобождается от

углекислого газа, сероводорода и других примесей. На метане могут работать

как карбюраторные, так и дизельные двигатели, но поскольку метан является

высокооктановым топливом, более эффективно его использование в

дизельных двигателях.

6 УТИЛИЗАЦИЯ БИОГАЗА С ПОЛИГОНОВ ТБО

6.1 Основная область применения

При правильной организации процесса сбора газа он на 50 - 60 %

состоит из метана. Соответственно этому низшая теплота сгорания

составляет 18-24 МДж/м3 или 5-6 кВт∙ч для одного кубометра газа. Если

принять, что из тонны бытовых отходов получается 180 - 250 м3 газа за 10-20

лет, то становятся очевидными экономические выгоды от использования

даже 30 - 40 % потенциального выхода газа.

Центр тяжести использования газа свалок в большинстве стран

при¬ходится на сферу получения электроэнергии и производства тепла для

32

нужд отопления помещений и технологических нужд путем сжигания в

топочных устройствах. В последние годы количество двигателей для

производства электроэнергии увеличивается.

Получение электроэнергии в газовых турбинах, обогащение газа с

последующим сжатием и применение в качестве горючего для транспортных

средств, обработка до качества природного газа и подпитка сетей

общественного газоснабжения получили меньшее распространение.

33

Принципиально возможные способы энергетического использования

газа свалок приведены на рис. 6.1.

Рис.6.1. Энергетическое использование биогаза

Утилизация в двигателях подразумевает следующие технологические

элементы: система сбора и подготовки газа, узел учета расхода газа и

определения состава, газовый двигатель с автоматикой регулирования,

34

ivncpa-тор, система охлаждения, система отходящих газов при

необходимости с очисткой, трансформаторная подстанция, аварийная

факельная установка.

Преимуществом сжигания газа в двигателях внутреннего сгорания

является, прежде всего, возможность передачи электроэнергии в сеть

общественного электроснабжения, а также возможность реализации проекта

в модульных- конструкциях со ступенчатым регулированием

производительности установки; при увеличении расхода газа систему

утилизации можно расширить.

При сжигании газа в двигателях внутреннего сгорания температура

воды, охлаждающей двигатель, не превышает 70 - 90 °С, что не позволяет ее

использовать для обработки фильтрата. Для этих целей можно использовать

тепло отходящих газов, что составляет около 20 % от общего

энергосодержания газа свалок.

На малых и средних полигонах получение электроэнергии в двигателях

внутреннего сгорания получило в настоящее время наибольшее

распостранение, оно экономично только в случае, если газ свалок содержит

небольшое количество примесей.

На средних и крупных полигонах для использования газа свалок в

двигателях кроме обычных двигателей внутреннего сгорания используются

газожидкостные двигатели (дизельные двигатели). Эти двигатели очень

надежны работе и характеризуются высоким механическим и электрическим

КПД. Характерным отличием для них является также, по сравнению с

обычными двигателями, чрезвычайно долгий срок службы. В качестве запала

для них обуется дополнительно к газу еще около 10 % жидкого топлива

(дизельное топливо или мазут). Общий КПД этих двигателей составляет

примерно 40 -2 %, его можно повысить до 95 % при использовании тепла

отходящих зов и охлаждающего воздуха.

При производстве электроэнергии на конденсационных тепловых

электростанциях предусматривается сжигание и энергетическое

35

использование газа свалок в технологической комбинации: камера

высокотемпературного сгорании / котел – утилизатор / паровая турбина /

генератор.

Газ сжигается в камере высокотемпературного сгорания при

определенной температуре (Г = 1200 °С, t = 3 с). Горячие продукты сгорания

проходят через котел-утилизатор и далее через дымовую трубу в атмосферу.

В котле-утилизаторе получается перегретый пар высокого давления, который

подводится к паровой турбине и там расширяется. В турбине происходит

снижение давления и температуры, к турбине присоединяется генератор.

Произведенная электроэнергия через трансформаторную подстанцию

подается в сеть. Принципиальная схема установки приведена на рис 6.2.

Возможен отбор пара при высоком уровне температур и использование его

для выпаривания фильтрата или сушки шлама, в этом случае снижается

производимая электрическая мощность.

Благодаря контролю процесса сжигания описанная технологическая

комбинация подходит также для утилизации сильно загрязненного газа с

содержанием общего хлора до 200 мг/м3.

Рис. 6.2 Принципиальная схема конденсационной теплоэлектростанции.

Концепция конденсационной электростанции для утилизации газа

свалок появляется только на полигонах с высоким потенциалом газа,

36

высокой степенью загрязнения газа примесями или высокой потребностью в

тепловой энергии. Несмотря на высокие капитальные затраты этот способ

может иметь значение, если в общее рассмотрение принимать обработку

дренажных вод и шлама. Так как и выпаривание фильтрата, и сушка шлама

характеризуются высоким уровнем потребления тепловой энергии, он может

покрываться за счет сжигания газа с последующим производством и

использованием пара.

6.2 Перспективные варианты использования газа свалок

Другие перспективные варианты использования газа свалок, которые

пока еще не применяются на практике:

• сушка шлама очистных сооружений;

• рециклинг строительных отходов и синтетических

материалов;

• обработка фильтрата полигонов ТБО;

• термическое обезвреживание отходов.

Во всех этих случаях целесообразно использование газа свалок,

поскольку при этом учитывается сложившаяся инфраструктура полигонов,

утилизация оказывается экономичной вследствие наличия недорогого по

сравнению с другими видами топлива газа. [1]

Учеными СПбГПУ совместно с другими организациями

разрабатываются экологически безопасные энергетические технологии

переработки ТБО на полигонах, в том числе с получением биогаза. Одна из

таких технологий предусматривает создание автономной энергетически

независимой системы переработки свалочных отложений на основе

возобновляемых источников энергии. В этой технологии источником энергии

для добычи и транспортировки биогаза и других нужд полигона является

ветроэнергетическая станция (ВЭС). Свалочные отложения, достигая высот в

несколько десятков метров, значительно меняют рельеф местности. Эти

искусственные возвышенности увеличивают потенциал ветровой энергии и

37

могут использоваться в качестве площадки для установок ВЭС. Такое

комбинированное решение энергокомплекса избавляет от необходимости

строительства дорогостоящих линий энергопередач, а также отчуждения

земель для сооружения ВЭС. После завершения эксплуатации полигона такое

размещение ВЭУ обеспечивает энергетическую рекультивацию свалочного

холма. Подтверждено, что совмещение биогазовой электростанции и ВЭУ в

единый энергетический комплекс позволяет эффективно использовать

потенциал местных энергетических ресурсов, а также уменьшить загрязнение

окружающей среды. Примерный план полигона ТБО, ориентированного на

получение и использование биогаза, представлен на рис. 6.3.

Рис.6.3. План полигона ТБО

6.3 Пример утилизации биогаза свалок ТБО

Использование газа предусматривается для замены мазута на полигоне

термического обезвреживания жидких отходов, расположенном на

расстоянии 1 км от полигона, на котором собирают газ. Обезвреживание

жидких отходов производится в термических печах. Очистка продуктов

совместного сгорания мазута и жидких отходов не производится. Для

сжигания промышленных стоков расходуется 25 т мазута в сутки (9125

т/год), что эквивалентно суточному расходу газа свалок 45000 м3/сут.

38

Принципиальная схема сбора, транспортировки, обработки и

утилизации газа включает газосборную разводку на полигоне, газосборный

пункт, пункт обработки газа, компрессорную установку, 2 газгольдера,

факельную установку. Для сбора газа предусматриваются перфорирование

трубы диаметром 200 — 250 мм с отверстиями диаметром 5 мм или елями

размером 5x20 мм. Трубы укладываются в траншеи глубиной 1,0 м на слой

гравия или щебня с диаметром фракций 30 - 60 мм, затем вновь засыпаются

слоем гравия или щебня и заваливаются отходами. Трубы прокладываются с

уклоном в сторону устройств для отвода конденсата. Длина траншей для

сборных трубопроводов 400 м, расстояние между траншеями 40 м. После

окончательного внесения отходов вся поверхность покрывается

газонепроницаемым покрытием. Горизонтальная система сбора газа была

выбрана после технико-экономического сравнения с системой вертикальных

колодцев, распределенных по всей территории полигона.

По общему трубопроводу диаметром 300 мм газ с полигона поступает в

газосборный пункт, в котором установлена запорная и регулирующая

арматура, контрольно-измерительные приборы, влагоотделитель и фильтры

для очистки газа от механических примесей. В пункте очистки газа газ

освобождается от сероводорода и галогенсодержащих соединений методом

адсорбции, установка работает в режиме «адсорбция - регенерация». Для

создания требуемого давления газа устанавливаются компрессоры. В случае

неполного использования газа он может накапливаться в газгольдерах

мокрого типа. При отсутствии газопотребления включается факельная

установка. Сжигание газа в термических печах на соседнем полигоне

обезвреживания жидких органических отходов может осуществляться с

помощью газомазутных горелок, сконструированных для использования

биогазов.

Предложенный вариант утилизации газа с полигона отходов позволяет

почти полностью заменить мазут, сжигаемый в термических печах, при

одновременном сокращении выбросов вредных веществ в атмосферу. [1]

39

7 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заметных объемах биогаз добывается и утилизируется в ряде

развитых западных стран. К их числу относятся США, Германия,

Великобритания, Нидерланды, Франция, Италия, Дания. Глобальная

утилизация СГ составляет примерно 1,2 млрд. куб. м в год, что эквивалентно

429 тыс. тонн метана или 1% его глобальной эмиссии. Таким образом, объем

извлекаемого газа ничтожен по сравнению с объемом его образования. Это

открывает широкие возможности для развития биогаза как отрасли в целом.

При существующих в настоящее время ценах на электроэнергию

потенциальный доход от эксплуатации одной биогазовой установки на

типичном полигоне в России может составить около 1,2 млрд. руб.

В последние годы в России распространяется тенденция закрытия

старых свалок и открытия новых полигонов, выполненных по проекту. В

связи с этим, целесообразно организовать извлечение метана на

закрывающихся свалках и начать практику проектирования систем дегазации

на новых полигонах.

40

8 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Е.Е. Мариненко, Ю.Л. Беляева, Г.П. Комина «Тенденции развития

систем сбора и обработки дренажных вод и метаносодержащего

газа на полигонах твёрдых бытовых отходов. Отечественный и

зарубежный опыт». Недра, Санкт-Петербург, 2001 год.

2. http://www.baltfriends.ru/node/73?q=node/66 В. И. Масликов,

профессор, д. т. н., СПбГПУ «Энергетическое использование

биогаза полигонов твердых бытовых отходов»

3. http://www.madek.ua/Cogeneration/Bio/

4. http://www.methanetomarkets.ru

5. http://www.methanetomarkets.ru Волынкина Е.П. «Инвентаризация

свалок ТБО в России и оценка их метанового потенциала.»

6. http://www.solidwaste.ru Вострецов С.П. «Биогаз полигона ТБО

как источник энергии.»

7. http://www.spbrc.nw.ru/?p=232

41