книги / Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов

Таблица 6.2

Оценка газоносной способности полигонов для захоронения ТБО в Нижней Австрии

печивает теплом и электроэнергией соответственно 1250 и 5500 квартир. Стоимость строительства ТЭС —14 млн ма­ рок. Для сбора биогаза создана система из 20 газосборных колодцев, связанных трубопроводами с компрессорной, по­ дающей биогаз на газомоторы. Утилизация энергии биога­ за предотвращает его эмиссию в окружающую среду и из­ бавляет от необходимости сжигания 13 млн литров мазу­

та, сопровождающегося выбросом в атмосферу до 50 ты­ сяч тонн С02 [в].

В Соединенных Штатах Америки осуществляется ши­ рокая программа научно-исследовательских и опытно-кон­ структорских работ с участием крупнейших университе­ тов и организаций, имеющая целью расширить использо­ вание биогаза свалок.

В России в настоящее время существуют большие трудно­ сти, связанные со сбытом энергии, полученной из биогаза. Кроме того, экономическая целесообразность использова­ ния биогаза ограничивается сроками его образования. Эти факторы сдерживают широкое распространение такой тех­ нологии в нашей стране: реализуется всего два проекта в Московской области — полигон «Дашковка» в Серпуховс­ ком районе и полигон «Каргашино» в Мытищинском рай­ оне [5].

На территории полигонов были построены системы га­ зодобычи, включающие скважины, газопроводы и комп­ рессорные станции, обеспечивающие подачу газа к генера­ торам, находящ имся в непосредственной близости от полигонов ТБО. Обе установки функционируют в опытно­ промышленном режиме, вырабатывая по 80 кВт-ч элект­ роэнергии.

Отличительная черта проводимых работ в области сбора и утилизации биогаза свалок в развитых странах —четкое разграничение требований с точки зрения применения био­ газа, с одной стороны, и охраны окружающей среды - с другой.

По мнению специалистов из ФРГ, каждая из свалок ТБО является единственной в своем роде, и локальные усло­ вия, такие как содержание в биогазе вредных веществ, могут в значительной мере осложнить использование это­ го энергоносителя [8]. При современных ценах на энергию экономичная реализация биогаза как источника энергии возможна только в том случае, если разработана общая концепция рекультивации свалки и вблизи нее имеется потребитель энергии и тепла, использующий их ежеднев­ но и значительное количество часов.

В этом случае биогаз после необходимой предваритель­ ной очистки (если она требуется) подается в газовый дви­ гатель с электрогенератором или в газовую турбину с пос­

ледовательно подключенным котлом-утилизатором. Выра­ батываемая энергия и образующееся тепло отпускаются затем потребителям по рыночным ценам. Для упрощения технических и договорно-правовых проблем в идеальном случае вырабатываемая электроэнергия должна поступать непосредственно в сеть специализированного предприятия по энергоснабжению. Использование биогаза свалки как источника электроэнергии наиболее экономично, когда процесс организован на самой свалке и расходы по сбору биогаза несет предприятие, в чьем ведении она находится.

Организация экономически выгодной утилизации биога­ за с отработанных (старых) свалок осложняется тем, что после относительно кратковременного повышения объемов образования его в первые годы эксплуатации в последую­ щие 20-30 лет происходит их постоянное уменьшение. Для пользователя это означает необходимость позаботиться не только о резервной мощности электроэнергии, но и о допол­ нительном подводе природного газа в перспективе [2, 3].

С учетом значимости проблемы биогаза свалок, с точки зрения энергетического потенциала и общего количества образующихся ТБО, Федеральное ведомство по охране ок­ ружающей среды и Федеральное министерство исследова­ ний технологий ФРГ финансировали многие проекты сис­ тем сбора и утилизации биогаза. Одна из таких разработок - проект дегазации свалки ТБО «Георгсведер» в г. Гамбурге. При расчете газоносного потенциала и прогнозе объемов сбора биогаза использовали следующие исходные данные:

—количество ТБО, складированных на свалке, - 5 млн т; —отходы завозились на свалку в течение 31 года с ин­

тенсивностью в среднем 161 000 т в год; —постоянное газообразование возникало в каждом слое

ТБО примерно через год после складирования;

— газоносная способность одной тонны ТБО уменьша­ лась наполовину в течение 6 лет.

Проектируемая система сбора биогаза имела эффектив­ ность 30%. Свалка эксплуатировалась с 1948-го по 1979 г., и после закрытия на ее территории предполагалось создать городской парк. Однако было установлено, что на большей площади свалки уже на глубине 30 см от поверхности в свалочных грунтах отсутствует кислород. Содержание ме­ тана в пробах газа составляло 50-60%, диоксида углерода -

30—40%. Биогаз содержал значительное количество при- -месей, и среди них углеводородов до 1000 мг/м3, сероводо­ рода до 100 мг/м, а также галогенсодержащие соединения и др. [8]. В таком случае полигон должен иметь покрытие, основная функция которого —удалять атмосферные осад­ ки с территории объекта.

В то же время покрытие не должно быть абсолютно га­ зонепроницаемым, а лишь обеспечивать направленную дегазацию, чтобы предотвратить образование избыточного давления.

Система сбора биогаза на свалке «Георгсведер» вклю­ чает 39 газовых скважин, расположенных в среднем на расстоянии 65 м друг от друга и имеющих глубину око­ ло 16,6 м; 19 шахт, обеспечивающих изменение направ­ ления газопроводов и различные их уровни по высоте; кольцевой и радиальные газопроводы из полиэтилено­ вых труб диаметром 80—110 мм, две кольцевые дренаж­ ные системы, выполненные из слоя гравия толщиной 35 см, в котором проложены трубопроводы. Обе дренаж­ ные системы через предохранительные устройства соеди­ нены с кольцевым газопроводом, подающим в свою оче­ редь биогаз на станцию сжижения. На станции есть пор­ шневые насосы, с помощью которых биогаз откачивается из скваж ин и направляется по газопроводу длиной 800 м на очистку.

Биогаз, поступающий на станцию сжижения, проверя­ ется на содержание кислорода и метана. Если содержание кислорода достигает 3%, поступает сигнал об опасности; при уровне в 5 % установка отключается.

Перед поршневыми насосами биогаз охлаждается для снижения содержания влаги. Для этой цели используются два теплообменника и четыре холодильных агрегата. Стан­ ция рассчитана на обработку 2400 м3 биогаза в час.

В процессе эксплуатации системы сбора биогаза уста­ новлено, что металлические детали газовых скважин и газопроводов, контактировавшие с биогазом, подвергались коррозии и выходили из строя менее чем через три года. За это же время были частично повреждены резиновые манжеты и уплотнители. Не подверглись какому-либо воз­ действию биогаза полиэтиленовые и полихлорвиниловые трубы газопроводов [8].

Использование биогаза в двигателях внутреннего сгора­ ния возможно лишь при условии предварительного удале­ ния из него галогенированных углеводородов (рис. 6.2). Наличие этих веществ в биогазе свалок приводит к значи­ тельной коррозии двигателей, которая возникает под воз­ действием соляной кислоты, образующейся в камере сго­ рания [8].

Рис. 6.2. Схема утилизации биогаза с использованием двигателя внутреннего сгорания [7]

Осушка биогаза в начале технологической цепочки по­ зволяет исключить появление коррозии в последующих узлах установки, обеспечить нормальную работу измери­ тельных приборов, защитить всасывающее оборудование от капельных ударов, предотвратить капиллярную конден­ сацию на адсорбционной ступени удаления галогенирован­ ных углеводородов и достигнуть требуемой влажности био­ газа при подаче в двигатель на сжигание. Обеспечивается также возможность объединения процессов обезврежива­ ния конденсата, получаемого при сушке, и образующегося на свалке фильтрата. Максимальную влажность биогаза — 0,6% , необходимую для применения 4-тактных газовых двигателей, можно обеспечить при температуре точки росы (5°С). Классические методы осушки газов, такие как сжа­ тие и конденсация, нерентабельны из-за небольших объе­

мов биогаза. Непрерывность процесса осушки и сравни­ тельно небольшое количество конденсата позволили отка­ заться от сушильных реагентов [7].

Технологическая схема энергетического использования биогаза с очисткой его методом адсорбции сводится к сле­ дующему. В начале процесса биогаз подается в холодиль­ ные машины, где охлаждается до 5 °С. Тот факт, что ма­ шины имеют значительный запас производительности, позволяет обеспечить процесс при любых погодных усло­ виях. Образующийся при осушке конденсат накапливает­ ся в специальных емкостях. После холодильных машин биогаз подается на сжатие в компрессоры, что снижает гидравлические потери при последующих перемещениях его по технологической цепочке.

Впроцессе сжатия биогаз нагревается до 60—65°С. Для снижения температуры перед подачей его на очистку при­ менены теплообменники.

Вкачестве адсорбента применяется активированный уголь, так как другие, преимущественно гидрофильные, адсорбенты поглощают углекислоту и воду.

Вто же время уголь более интенсивно адсорбирует серо­ водород по сравнению с галогенированными углеводорода­ ми. Поэтому процесс разбит на два этапа: вначале произ­ водится селективное удаление из биогаза сероводорода с помощью наиболее эффективного для этой цели йодиро­ ванного или не содержащего железо активированного угля,

азатем —выделение галогенированных углеводородов. Адсорбционные колонны запроектированы на продолжи­

тельность цикла 114 сут. Для регистрации возможного резко­ го повышения содержания сероводорода в биогазе предусмот­ рен анализатор непрерывного действия. Удаление галогени­ рованных углеводородов из биогаза производится в колоннах, заполненных специальным активированным углем.

Регенерация адсорбера для галогенированных углево­ дородов производится с помощью водяного пара при про­ тивотоке по отношению к направлению загрузки со скоро­ стью движения в газопроводе 0,35 м/с. Пар, содержащий после продувки колонн галогенированные углеводороды, охлаждается водой в конденсаторе до 50°С. С помощью центробежного насоса конденсат закачивается в сепаратор. Тяжелая органическая фаза попадает в сборную емкость,

где и обезвреживается. Водная фаза подвергается раздели­ тельному процессу с использованием воздуха (по сообра­ жениям экономии), во время которого содержание галогенированных углеводородов доводится до значений примерно 0,5 мг/м3. После этого водная фаза отводится на установку обезвреживания фильтрата. Разделительный процесс осу­ ществляется в обдувочной колонне, куда воздух подается от компрессора.

Для предупреждения капиллярной конденсации в ад­ сорбере в потоке воздуха, идущего через байпас, предус­ мотрена установка сушильного патрона.

С течением времени эффективность действия активиро­ ванного угля снижается, поэтому в адсорбере (на выходе) необходим непрерывный контроль концентрации хлора. Величина его служит одновременно и задающим парамет­ ром для автоматического регулирования адсорбера.

Возможна также утилизация биогаза с непрерывным процессом его абсорбционной осушки. Процесс этот обла­ дает тем преимуществом, что нет необходимости в предва­ рительном удалении сероводорода. Присутствие его не ме­ шает абсорбции галогенированных углеводородов.

В качестве абсорбера и десорбера по этой технологии используются колонны с наполнителем в виде колец Рашига, обладающих низкими значениями гидравлического сопротивления, высокой удельной поверхностью раздела фаз, хорошими показателями теплового обмена. После очи­ стки биогаз направляется в 4-тактные газовые двигатели внутреннего сгорания. Преимущество использования та­ ких двигателей в том, что они не требуют дополнительно­ го горючего, дают возможность снизить эмиссию и полу­ чить более высокий КПД, чем у газовых турбин. Все ком­ поненты утилизационной установки, за исключением оборудования охлаждения газа, располагаются в здании из пористого бетона, которое постоянно проветривается с помощью двух вентиляторов производительностью 5000 м3 воздуха в час [7].

Среди других примеров практического применения био­ газа свалок ТВО в промышленных масштабах - действую­ щая в США электростанция мощностью 9 МВт. Для полу­ чения биогаза на свалке площадью 20 га пробурено 76 сква­ жин диаметром 600—900 мм и глубиной 3-5 м.

Скважины оборудованы перфорированными трубами из поливинилстирола. Система сбора биогаза, содержащего 60 % метана, находится под разрежением. Сбор и утили­ зация биогаза производятся в автоматическом режиме, с использованием новейших методов и средств контроля, включая ЭВМ и телевидение. Разработан проект расши­ рения системы сбора биогаза по всей площади свалки (140 га). После ее ввода в эксплуатацию планируется обеспечивать электроэнергией 10 тысяч индивидуальных жилых домов, экономя при этом 9540 т/год жидкого топлива [6].

Анализируя опыт утилизации биогаза в других странах и единичные попытки применения этой технологии в Рос­ сии, мы считаем, что объективных предпосылок полно­ ценного использования биогаза свалок в качестве источ­ ника энергии в нашей стране нет. Развитие этой техноло­ гии на Зап аде сти м улируется двум я ф акторам и: необходимостью возмещения природных источников энер­ гии и накоплением больших масс отходов на существую­ щих полигонах при постоянном дефиците свободных зе­ мель из-за высокой плотности населения. В России нет недостатка в природных энергетических ресурсах, при не­ обходимости всегда находится требуемый участок земли, нет и высоконагруженных полигонов. По оценкам россий­ ских специалистов, имеется около 20 объектов с массой свалочного тела более 2,5 млн тонн [9], эксплуатация ко­ торых может дать экономический эффект.

В сложившихся условиях, когда производство электро­ энергии на основе свалочного газа не стимулируется госу­ дарственной политикой, отсутствует нормативно-правовая база, реальным направлением является использование био­ газа для удовлетворения нужд полигона ТБО или локаль­ ного потребителя.

6.3. Методы и технологии утилизации биогаза без получения энергии

Сжигание биогаза —один из основных методов контро­ ля газовых эмиссий.

Конструкция системы дегазации состоит из дегазацион­ ных скважин и коллекторов, насосов и баков для сбора

К недостаткам открытого сжигания относятся отсутствие возможности управлять и следить за температурой, поступ­ лением воздуха, контролировать параметры биогазового потока и непосредственно процесса горения.

Закрытое сжигание позволяет контролировать и воз­ душный поток, и поток биогаза. Поток свалочного био­ газа, выталкивается через пламя вентилятором, а воздух нагнетается к пламени через специальные воздушные заслонки.

Использование для сжигания специальных высокотем­ пературных факельных устройств (рис. 6.4) позволяет ис­ ключить образование диоксинов и других опасных компо­ нентов.

При сжигании биогаза высокотемпературным факелом выполняются следующие условия [3, 10]:

1.Температура горения выше 1000 °С. Углеводороды становятся неустойчивыми и могут окисляться (предпоч­ тительная температура горения 1200 °С).

2.Сжигание производится при коэффициенте избытка воздуха более 1, с тем чтобы все углеводороды могли пол­ ностью окисляться до С02 и Н20.

3.Время пребывания газов в указанных условиях дос­

таточно для полного протекания реакций окисления. Таким образом, требования к техническим средствам

сжигания биогаза таковы:

а) во избежание образования холодных краевых зон сжигание должно производиться в термоизолированных ка­ мерах сгорания;

б) вплоть до момента выхода из камеры газообраз­ ные продукты сгорания должны сохранять температу­ ру 1200 °С;

в) время пребывания в камере горячих газообразных продуктов сгорания с момента окончания процесса горе­ ния до выхода из камеры должно быть не менее 0,3 с;

г) подвод необходимого для процесса горения воздуха регулируется таким образом, чтобы, во-первых, сгорание происходило при температуре 1200 °С и, во-вторых, коэф­ фициент избытка воздуха был больше 1;

д) при запуске процесса стенки камеры сгорания долж­ ны нагреваться достаточно быстро, чтобы холодные крае­ вые зоны существовали короткое время. Это обеспечивает­