книги / Управление отходами. Сточные воды и биогаз полигонов захоронения твёрдых бытовых отходов

Адсорбционные колонны запроектированы на продолжительность цикла 114 сут. Для регистрации возможного резкого повышения содержания сероводорода в биогазе предусмотрен анализатор непрерывного действия

(рис. 2.31) [145].

Рис. 2.31. Общая схема процесса адсорбции [155]

Регенерация адсорбера для галогенированных углеводородов производится с помощью водяного пара при противотоке по отношению к направлению загрузки со скоростью 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 разделительному процессу с использованием воздуха (по соображениям 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 осуществляется в обдувочной колонне, куда воздух подается от компрессора.

Для предупреждения капиллярной конденсации в адсорбере в потоке воздуха, идущего через байпас, предусмотрена установка сушильного патрона.

С течением времени эффективность действия активированного угля снижается, поэтому в адсорбере (на выходе) необходим непрерывный контроль концентрации хлора. Величина его служит одновременно и задающим параметром для автоматического регулирования адсорбера [145].

Возможна также утилизация биогаза с непрерывным процессом его абсорбционной осушки. Процесс этот обладает тем преимуществом, что нет необходи-

221

мости в предварительном удалении сероводорода. Присутствие его не мешает 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 [145].

Процессы абсорбции широко применяют для отделения СО2 от метана

(рис. 2.32).

Для абсорбции используют воду и другие химические соединения, поглощающие СО2.

Рис. 2.32. Схема абсорбции [155]

Обогащение метана путем отделения углекислого газа может производиться под давлением с использованием мембран. Установка работает при давлении от 10–30 ГПа. Газ транспортируется через мембрану за счет разницы давления над и под ее поверхностью. В результате СО2 отделяется, обогащенный метан поступает в установку по производству энергии (рис. 2.33) [155].

Процесс разделения мембранным методом протекает в три стадии:

–сорбция газа на поверхности мембраны;

–диффузия газа внутрь мембраны;

–десорбция газов.

Газы фильтруются через мембрану с разной скоростью. Так углекислый газ, сероводород, кислород обладают большей скоростью фильтрации через мембраны, чем азот и метан. Таким образом, метан отделяется от сероводорода и углекислого газа, которые задерживаются мембраной [155].

222

Рис. 2.33. Отделение СО2 на мембранах [155]

На рис. 2.34 представлена схема установки разделения газов, применяемой на полигоне в Corglio (Швейцария).

Рис. 2.34. Схема установки для разделения газов наполигоне Corglio (Швейцария): F – счетчик расхода биогаза; Q – газоанализатор; Р – манометр; Т – термометр

Кроме физико-химических методов для очистки биогаза могут использоваться биологические. Если конечной целью является использование биогаза в энергетических установках, биологические методы очистки не применяются. Как правило, после очистки газ поступает в атмосферу или сжигается на факеле.

Процесс биологической очистки реализуется вбиоскрубберах и биофильтрах. Конструкции биоскрубберов представлены на рис. 2.35 [155].

Биогаз подается снизу и проходит через насадку скруббера. Верхняя поверхность насадки орошается водой. Со временем на насадке формируется слой биопленки, при фильтрации через которую компоненты биогаза окисляются микроорганизмами [155].

223

Рис. 2.35. Схема процесса очистки биогаза в скрубберах и биофильтре [155]

При содержании метана в биогазе менее 30 % и выходе газа менее 30 м3/ч, может применяться дегазация с помощью метаноокисляющих изолирующих покрытий (биофильтров). Работа биофильтра основана на способности метанотрофных микроорганизмов использовать метан в качестве источника энергии и углерода и полностью разлагать метан на оксид углерода и воду [145, 195].

На биофильтре помимо метана могут быть обезврежены ароматические вещества и галогенсодержащие газы. К тому же биофильтр можно использовать для удаления неприятного запаха и обезвреживания органических загрязнителей.

Для микробиологического окисления метана в биофильтрах должны выполняться следующие условия: температура – от 10 ° С до 45 ° С, влажность в пределах 30–70 %, рН раствора – нейтральный или слабокислый.

Загрузочными материалами для биофильтров служат чаще всего дешевые природные материалы: торф, опил, компост. Эффективность работы биофильтров составляет 90 % [145] (рис. 2.36).

Рис. 2.36. Конструкция биофильтра [155]

224

Рис. 2.37. Конструкция биосорбционного фильтра

Биофильтры эффективны для очистки биогаза от дурнопахнущих веществ – одорантов [184].

В работе [195] представлена конструкция биосорбционного фильтра для очистки биогаза на рекультивируемых полигонах ТБО (рис. 2.37).

2.4.5. Утилизация биогаза

Утилизация биогаза позволяет значительно снизить, а в некоторых случаях и полностью исключить загрязнения окружающей среды метаном.

Целесообразность применения того или иного способа утилизации биогаза зависит от конкретных условий хозяйственной деятельности на полигоне ТБО и определяется наличием платежеспособного потребителя энергоносителей. В большинстве развитых стран этот процесс стимулируется государством: приняты законы об использовании биогаза свалок в энергетических целях. Во многих странах Европы и США существуют законы, обязывающие потребителей покупать альтернативную энергию. В соответствии с законом Италии 1995 года установлены нормы по вторичному использованию биогаза для получения тепловой и электрической энергии. Нормативно определена стоимость такого вида энергии, которая, как правило, в 2–2,5 раза выше стоимости энергии, произведенной на основе традиционных энергоносителей (природный газ, нефтепродукты и пр.).

225

В мировой практике известны следующие способы утилизации биогаза:

♦факельное сжигание, обеспечивающее устранение неприятных запахов

иснижение пожароопасности на территории полигона ТБО, при этом энергетический потенциал биогаза не используется в хозяйственных целях;

♦прямое сжигание биогаза для производства тепловой энергии;

♦использование биогаза в качестве топлива для газовых турбин с целью получения электрической и тепловой энергии;

♦доведение содержания метана в биогазе (обогащение) до 94–95 % с последующим его использованием в газовых сетях общего назначения;

♦сжижение биогаза для получения жидкого топлива;

♦получение твердого СО2 [145].

Принципиальная технологическая схема утилизации биогаза представлена на рис. 2.38.

Рис. 2.38. Схема утилизации биогаза

Методы и технологии утилизации биогаза с целью производства тепловой и электрической энергии

Основные способы утилизации биогаза – сжигание в качестве среднекалорийного топлива в существующих промышленных котлоагрегатах и выработка электроэнергии.

В единичных случаях биогаз обогащают до высококалорийного топлива, близкого по теплотехническим свойствам к природному газу, удаляя из него диоксид углерода. Развитие этой технологии сдерживается низкими ценами на природный газ [145].

Биогаз, образующийся в теле полигона содержит широкий спектр примесей, в частности сероводород и галогенированные углеводороды, наличие которых препятствует его энергетическому применению. Поэтому перед использованием биогаза в энергетических установках необходимо проведение его предварительной подготовки.

226

Примеры технологических схем энергетической утилизации биогаза

Биогаз может быть использован как топливо для котлов, печей, газовых двигателей и турбин.

Сырой биогаз (как правило после удаления конденсата и твердых частиц) может поставляться прямо к промышленному потребителю для получения тепла или для использования в каком-либо технологическом процессе (обжиг, получение технологического пара и др.). Горелки для биогаза незначительно отличаются от горелок, используемых для природного газа. Основные характеристики биогаза по сравнению с другими горючими газами при-

веден в табл. 2.18 [206].

Таблица 2.18

Основные характеристики биогаза по сравнению с другими горючими газами

Для получения электроэнергии биогаз используется в газовых двигателях и турбинах. Выработанное электричество может использоваться непосредственно на площадке свалки или подаваться в сеть. Для установок небольшой мощности, работающих на биогазе, широкое применение нашли двигатели внутреннего сгорания: газовые двигатели с искровым зажиганием и газодизельные двигатели (рис. 2.39) [169].

Паровые турбины эффективны при мощности более 2 МВт. КПД газовых турбин составляет 32 % (рис. 2.40) [185].

Вблизи Мюнхена (ФРГ) введена в эксплуатацию ТЭС, работающая на биогазе свалки ТБО. Сбор биогаза осуществляется через 21 скважину (общий расход до 200 м3/ч. На ТЭС биогаз подается в 12-цилиндровый V-образный двигатель внутреннего сгорания, приводящий в действие асинхронный генератор мощностью 253 кВт. Годовая выработка электроэнергии – до 2 млн МВт·ч.

227

Рис. 2.39. Схема утилизации биогаза с использованием двигателя внутреннего сгорания

Рис. 2.40. Схема утилизации биогаза с использованием паровой турбины

На крупнейшем полигоне ТБО Западного Берлина, закрытом в 1980 году, для получения биогаза пробурено 135 скважин. Биогаз используется для выработки электроэнергии. Годовая выработка – 9,8 МВт·ч (рис. 2.42).

Получаемый на свалке г. Манчестера (Великобритания) биогаз применяется в туннельной печи непрерывного действия для обжига кирпича. Для сбора биогаза на свалке площадью 27 га пробурено 12 скважин. Планируется получать биогаз в течение 10 лет.

В1995 году на полигоне бытовых отходов в Бохум-Корнхапене (Германия),

собъемом захороненных отходов 6 млн м3, введена в эксплуатацию первая очередь

228

электростанции производительностью 3260 кВт тепловой и 2400 кВт электрическойэнергии, работающей на биогазеполигона(1300 м3 в час, или14 млн м3 вгод).

ТЭС обеспечивает теплом и электроэнергией соответственно 1250 и 5500 квартир. Стоимость строительства ТЭС– 14 млн марок. Для сбора биогаза создана система из 20 газосборных колодцев, связанных трубопроводами с компрессорной, подающей биогаз на газомоторы. Утилизация энергии биогаза предотвращает его эмиссию в окружающую среду и избавляет от необходимости сжигания 13 млн л мазута, сопровождающегося выбросом ватмосферу до 50 тыс. т СО2 [186].

На ряде полигонов захоронения ТБО, где имеется сравнительно небольшой выход биогаза и в перспективе ожидается снижение объема его образования с целью сокращения капитальных затрат на сооружения стационарных установок по утилизации биогаза, применяются мобильные установки по когенерации тепла и электроэнергии при прямом сжигании биогаза в двигатель внутреннего сгорания. Так, в качестве примера можно привести мобильные ус-

тановки фирмы MTU Onsite Energy.

Установки размещаются в контейнерах (KWK-Container), где располагается двигатель внутреннего сгорания и необходимые устройства для получения тепловой иэлектрическойэнергии, котораяпередаетсявнутреннимивнешнимпотребителям.

Общий вид мобильной контейнерной установки представлен на рис. 2.41 [207]. Габариты контейнеров соответствуют стандартным морским контейнерам для перевозки грузов. Он легко перемещается обычной автотранспортной техникой и не требует дорогостоящих фундаментов для своей установки. Контейнерная установка поставляется в полной заводской готовности и не требует проведения дорогостоящих монтажных и пуско-наладочных работ.

Рис. 2.41. Общий вид мобильной контейнерной установки для сжигания биогаза

229

Рис. 2.42. Схема утилизации биогаза для выработки электроэнергии (Германия): 1 – дегазационные скважины; 2 – газосборный трубопровод; 3 – устройство очистки биогаза; 4 – очищенный газ; 5 – продукты очистки биогаза; 6 – устройство осушки биогаза; 7 – компрессор; 8 – сжигание нафакеле; 9 – газовыйдвигатель; 10 – генератор; 11 – трансформатор; 12 – линия электропередач; 13 – потребитель тепла

ВСоединенных Штатах Америки осуществляется широкая программа на- учно-исследовательских и опытно-конструкторских работ с участием крупнейших университетов и организаций, имеющая целью расширить использование биогаза свалок [145].

ВШвеции традиционной формой использования биогаза является его сжигание в газовых котлах. Газовый котел часто соединяется с местной системой районного теплоснабжения, благодаря чему тепловая энергия может быть использована в максимальной степени. На некоторых установках биогаз используется для местных нужд или для обогрева помещений. Имеется также ряд установок, где биогаз используется в промышленных процессах.

ВКанаде на полигоне Waterloo используют систему утилизации биогаза, включающую 73 вертикальные газосборные скважины, соединенные между собой. Из газосборной сети биогаз поступает на осушку и очистку, после чего под давлением подается на охлаждение. Подготовленный газ поступает в двигатель внутреннего сгорания, приводящий в действие генератор электроэнер-

гии (рис. 2.43) [187].

Для использования приблизительно 35 млн м3 биогаза, ежегодно выделяющегося на свалке Раутенвег под Веной, была смонтирована энергетическая

установка утилизации биогаза. Эта установка производит приблизительно 63 млн кВт·ч электроэнергии в год, что покрывает годовую потребность в электроэнергии примерно 25 000 семей [188] (рис. 2.44).

230