Управление отходами. Сточные воды и биогаз полигонов захоронения твер

Рис. 2.43. Схема утилизации биогаза на полигоне в Waterloo (Канада)

Рис. 2.44. Схема получения биогаза, Раутенвег (Австрия)

СпомощьюэнергетическойустановкивРаутенвегеэкономится1500–2500 м3/ч природного газа, необходимого для сжигания на электростанции для получения такогожеколичестваэнергии[188].

С1999 года в Гонконге функционирует завод по утилизации биогаза. Реализация проекта позволяет добиться сокращения эмиссии углекислого газа до 4600 т в год. Кроме того, вырабатываемая энергия используется в установках для очистки фильтрата (рис. 2.45).

231

Рис. 2.45. Установка очистки фильтрата (Гонконг)

Тепло, получаемое в результате сжигания биогаза, используется для нагрева фильтрата в установке для удаления ионов аммония (нитрификации) [189].

На протяжении последних лет на ряде установок началось использование биогаза для комбинированного производства электрической и тепловой энергии на стационарных газовых двигателях [190].

Практические исследования, проводимые на полигонах Московской области [176], показали, что контролируемым образом может быть использовано в среднем только 60–70 % образующегося биогаза (максимальное значение составляет 85 %), для дальнейших расчетов принимается значение 65 %.

Техническая мощность установки утилизации биогаза в тепловом эквиваленте может быть рассчитана по формуле

где N – мощность, эквивалентная объему и теплотворной способности утилизируемого газа, МВт; КПД % – коэффициент полезного действия установки, по предварительным данным может быть для мини-ТЭЦ принят на уровне 60 %; Vу – количество утилизируемого биогаза, млн м3/год; Qг – теплотворная способность биогаза, ккал/м3 (принимается среднее значение 5000 ккал/м3); Тчг – количество часов в году, Тчг = 365 · 24; 0,86 – коэффициент размерности.

Выработка электроэнергии рассчитана по формуле

где Е – выработка электроэнергии, МВт·ч/год; kвр – коэффициент использования годового фонда времени, ед.; для предварительных расчетов принято kвр = 0,85; 0,4375 = 35/80 – относительная доля электроэнергии в суммарном энергетическом потенциале утилизации биогаза.

232

Выработка тепла на мини-ТЭЦ рассчитана по формуле

где Wтэц – количество тепла, соответствующее выработке электроэнергии Е, Гкал/год; 0,86 – коэффициент пересчета из МВт·ч в Гкал; 1,286 = 45/35 – соотношение выработки тепловой и электрической энергии на мини-ТЭЦ.

Реализация полученной энергии возможна по различным схемам (выработка и продажа тепла, электроэнергии, организация собственного производства, использующего избыточную энергию, с последующей реализацией полученной продукции, например содержание тепличного хозяйства и пр.) и будет зависеть от сложившейся в районе экономической ситуации, наличия определенной инфраструктуры в районе размещения полигона и прочих факторов.

ВРоссии в настоящее время существуют большие трудности, связанные со сбытом энергии, полученной из биогаза. Кроме того, экономическая целесообразность использования биогаза ограничивается сроками его образования. Эти факторы сдерживают широкое распространение технологии в России: реализуется всего два проекта в Московской области – полигон «Дашковка» в Серпуховском районе и полигон «Каргашино» в Мытищинском районе.

На территории полигонов были построены системы газодобычи, включающие скважины, газопроводы и компрессорные станции, обеспечивающие подачу газа к генераторам, находящимся в непосредственной близости от полигонов ТБО. Обе установки функционируют в опытно-промышленном режиме, вырабатывая по 80 кВт·ч электроэнергии [166].

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 теплоты, использующий их ежедневно и значительное количество часов.

Вэтом случае биогаз после предварительной очистки подается в газовый двигатель с электрогенератором или в газовую турбину с последовательно подключенным котлом-утилизатором. Вырабатываемая энергия и образующаяся теплота 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 биогаза с отработанных (старых) свалок осложняется тем, что после относительно кратковременного повышения объемов образования его в первые годы эксплуатации в последую-

233

щие 20–30 лет происходит их постоянное уменьшение. Для пользователя это означает необходимость позаботиться не только о резервной мощности электроэнергии, но и о дополнительном подводе природного газа в перспективе.

С учетом значимости проблемы биогаза свалок, с точки зрения энергетического потенциала и общего количества образующихся ТБО, Федеральное ведомство по охране окружающей среды и Федеральное министерство исследований технологий ФРГ финансировали многие проекты систем 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 [145]:

–количество ТБО, складированных на свалке, – 5 млн т;

–отходы завозились на свалку в течение 31 года с интенсивностью в среднем 161 000 т в год;

–постоянное газообразование возникало в каждом слое ТБО примерно через год после складирования;

–газоносная способность одной тонны ТБО уменьшалась наполовину в течение 6 лет.

Проектируемая система сбора биогаза имела эффективность 30 %. Свалка эксплуатировалась с 1948 по 1979 год, 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 метана в пробах газа составляло 50–60 %, диоксида углерода – 30–40 %. Биогаз содержал значительное количество примесей,

исреди них углеводородов – до 1000 мг/м3, сероводорода – до 100 мг/м, а также галогенсодержащие соединения и др. [191]. В таком случае полигон должен

иметь покрытие, основная функция которого – удалять атмосферные осадки

стерритории объекта.

Вто же время покрытие не должно быть абсолютно газонепроницаемым, а лишь обеспечивать направленную дегазацию, чтобы предотвратить образование избыточного давления.

Система сбора биогаза на свалке «Георгсведер» включает 39 газовых скважин, расположенных в среднем на расстоянии 65 м друг от друга и имеющих глубину около 16,6 м; 19 шахт, обеспечивающих изменение направления газопроводов и различные их уровни по высоте; кольцевой и радиальные газопроводы из полиэтиленовых труб диаметром 80–110 мм, две кольцевые дренажные системы, выполненные из слоя гравия толщиной 35 см, в котором проложены трубопроводы. Обе дренажные системы через предохранительные устройства соединены

скольцевым газопроводом, подающим в свою очередь биогаз на станцию сжижения. На станции есть поршневые насосы, с помощью которых биогаз откачивается изскважин инаправляется погазопроводу длиной800 мнаочистку.

234

Биогаз, поступающий на станцию сжижения, проверяется 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. Станция рассчитана на обработку 2400 м3 биогаза в час.

Впроцессе эксплуатации системы сбора биогаза установлено, 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 воздействию биогаза полиэтиленовые и полихлорвиниловые трубы газопроводов [191].

Среди других примеров практического применения биогаза свалок ТБО

впромышленных масштабах – действующая в США электростанция мощностью 9 МВт. Для получения биогаза на свалке площадью 20 га пробурено 76 скважин 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 утилизация биогаза производятся в автоматическом режиме, с использованием новейших методов и средств контроля, включая ЭВМ и телевидение. Разработан проект расширения системы сбора биогаза по всей площади свалки (140 га). После ее ввода в эксплуатацию планируется обеспечивать электроэнергией 10 тыс. индивидуальных жилых домов, экономя при этом 9540 т/год жидкого топлива [186].

На основании проведенного анализа технологических схем утилизации биогаза можно сделать вывод, что в России объективных предпосылок полноценного использования биогаза свалок в качестве источника энергии нет. Развитие этой технологии на Западе стимулируется двумя факторами: необходимостью возмещения природных источников энергии и накоплением больших масс отходов на существующих полигонах при постоянном дефиците свободных земель из-за высокой плотности населения. В России нет недостатка в природных энергетических ресурсах, при необходимости всегда находится требуемый участок земли, нет и высоконагруженных полигонов. По оценкам российских специалистов, имеется около 20 объектов с массой свалочного тела более 2,5 млн т [166], эксплуатация которых может дать экономический эффект.

Всложившихся условиях, когда производство электроэнергии на основе свалочного газа не стимулируется государственной политикой, отсутствует нор- мативно-правовая база, реальным направлением является использование биогаза для удовлетворения нужд полигона ТБО или локального потребителя.

235

Методы и технологии утилизации биогаза без получения энергии

Сжигание биогаза– одинизосновных методовутилизациигазовых эмиссий. Конструкция системы дегазации состоит из дегазационных скважин и коллекторов, насосов и баков для сбора конденсата; вентиляторов, труб с факель-

но-запальным устройством.

До свечи газ доставляется через систему труб одним или несколькими вентиляторами. Барабан для удаления конденсата предохраняет пламя от затухания. Схема сжигания показана на рис. 2.46. При сжигании биогаза особое внимание уделяется методам, оборудованию и режимам экологически чистого сжигания биогаза в факелах с организацией технологического и экологического контроля этих процессов.

Рис. 2.46. Схема технологического процесса закрытого сжигания биогаза

Существует два вида систем факельного сжигания биогаза: открытое и закрытое (рис. 2.47). Каждая имеет свои преимущества и недостатки.

Открытое сжигание, или свеча, представляет первое поколение систем открытого сжигания, т.е. наиболее простой метод утилизации биогаза, который при определенных условиях уменьшает содержание метана на 98 %.

Преимуществами открытого сжигания являются:

♦простотапроектаиз-за отсутствиясистем управленияпроцессом горения;

♦удобство конструкции (простота установки);

♦выгодность и целесообразность с экономической точки зрения;

♦возможность располагать открытое пламя как на уровне земли, так и на любой высоте.

К недостаткам открытого сжигания относятся отсутствие возможности управлять и следить за температурой, поступлением воздуха, контролировать параметры биогазового потока и непосредственно процесса горения; разделение продуктов горения.

236

Рис. 2.47. Типы факельного сжигания: а – открытое; б, в – закрытое

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

Использование для сжигания специальных высокотемпературных факельных устройств позволяет исключить образование диоксинов и других опасных компонентов.

Прямое сжигание биогаза на открытом факеле или установке способно принести экологический и экономический эффект за счет снижениявыбросов метана.

Факельная установка предназначена для временного или периодического сжигания биогаза при отсутствии возможности его полезного использования в качестве энергоносителя.

Тип и технические характеристики факельной установки определяются проектом, на рис. 2.48 показан внешний вид факельной установки для сжигания биогаза.

В табл. 2.19 в качестве примера приведены технические характеристики факельной установки.

Свеча имеет специальное устройство для дистанционного зажигания факела, снабжена специальным стабилизирующим устройством, предотвращающим возможный отрыв пламени «свечи» в случае снижения скорости распространения пламени, а также огнепреградителем, предотвращающим проскок пламени при случайном увеличении содержания кислорода (рис. 2.49). При использовании электрогазовых запальников обеспечивается надежное зажигание

237

Рис. 2.48. Общий вид факельной установки для сжигания биогаза

Таблица 2.19 Технические характеристики факельной установки для сжигания биогаза

биогаза в пределах возможного изменения его состава. Свеча работает при давлении биогаза от 100 до 1000 мм в. ст. и обеспечивает расход временно сжигаемого биогаза в свече до 500 м3/ч с минимальным выбросом токсичных веществ в атмосферу. Свеча обеспечивает полное сжигание биогаза.

При сжигании биогаза факелом должны выполняться следующие основные условия:

1.Температура горения выше 1000 ° С. Тогда углеводороды становятся неустойчивыми имогутокисляться (предпочтительная температура горения1200 ° С).

2.Сжигание производится при коэффициенте избытка воздуха более 1, с тем, чтобывсе углеводороды моглиполностьюокисляться до СО2 иН2О.

3.Время пребывания газов в указанных условиях должно быть достаточным для полного протекания реакций окисления.

Требования к техническим средствам сжигания биогаза таковы:

а) во избежание образования холодных краевых зон сжигание производит-

ся в термоизолированных камерах сгорания;

238

Рис. 2.49. Схема подвода биогаза и обвязки свечи:

1 – кран на гидрозатвор; 2, 4 – краны газовые; 3 – задвижка; 5 – кран дренажный

б) вплоть до момента выхода из камеры газообразные продукты сгорания должны сохранять температуру 1200 ° С;

в) время пребывания в камере горячих газообразных продуктов сгорания с момента окончания процесса горения 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, коэффициент избытка воздуха был больше 1;

д) при запуске процесса стенки камеры сгорания должны нагреваться достаточно быстро, чтобы холодные краевые зоны существовали короткое время; это обеспечивается применением изоляционного материала с низкой теплоемкостью; е) за счет улучшения техники сжигания необходимо добиться, чтобы концентрация NOx в дымовых газах была не выше 200 мг/м3; для снижения концентрации SO2, соединений хлора, фтора и пыли необходима предварительная об-

работка сырого биогаза; ж) начиная с тепловой мощности 1,2 МВт газовые горелки запускаются

в работу на уменьшенной мощности.

Любой способ утилизации биогаза, даже прямое сжигание биогаза на открытом факеле, способен принести экономический эффект: 1) за счет снижения экологических платежей за выброс метана (которые составляют до 90 %

239

от платежей за загрязнение атмосферного воздуха); 2) за счет снижения выбросов парниковых газов (в основном метана) в рамках Киотского протокола, ратифицированного РФ. Расчетный норматив базовой платы за выброс метана в атмосферный воздух составляет порядка 100 руб./т, величина экологических платежей за выброс метана, при его образовании 7,27 тыс. т/год, может составить до 0,727 млн руб./год. Кроме того, прямое сжигание биогаза в количестве 1 млн м3 в год дает снижение выбросов парниковых газов на 8,3 тыс. т в СО2 эквиваленте. На рынке торговли квотами на выброс парниковых газов в рамках реализации механизмов Киотского протокола, такое сокращение выбросов оценивается в 40 тыс. долларов США.

2.4.6.Сравнительная оценка систем дегазации

иутилизации биогаза

Методы дегазации полигонов различаются сложностью инженерной инфраструктуры, межремонтными сроками эксплуатации отдельных элементов сооружений, долговечностью, временемреализацииимножествомдругиххарактеристик.

Производительность методов утилизации зависит от потерь газа в системе газосбора, например от диффузии через поверхность, конденсации его в системе сбора и других физических явлений. По различным оценкам, при активной дегазации можно собрать примерно 40–50 % газа [166, 183, 193].

Минимальный поток метана 60 м3/ч является граничным значением, ниже которого целесообразны пассивные системы, выше – активные. Основываясь на опыте австрийских и немецких проектов, можно отметить, что стабильный выход биогаза должен поддерживаться не менее 20 лет. Оптимальная скорость эмиссии биогаза зависит от мощности полигона, высокого содержания органического углерода в ТБО. Кроме того, условием стабильного выхода биогаза является то, что с момента закрытия полигона не произошло существенного снижения метанообразования.

На закрытых полигонах, находящихся на рекультивационном или пострекультивационном этапе, могут использоваться системы пассивной дегазации на основе газосборных скважин или траншей.

Граничные условия применения пассивных систем связаны с величиной избыточного давления внутри тела полигона, которое зависит от времени разложения ТБО и скорости эмиссии. Если избыточное давление мало (менее 50 мм вод. ст. (0,49 кПа), в горизонтальных траншеях возможны подсосы воздуха с образованием взрывоопасных газовоздушных смесей, поэтому в таких случаях целесообразны вертикальные дегазационные колодцы. При избыточном давлении более 100 мм вод. ст. (0,98 кПа) во избежание опасных прорывов через изолирующее покрытие необходима принудительная откачка газа.

240