Получение и использование газа свалок ТБОНеобходимость 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).

В настоящее время интенсивно развиваются два основных направления

энергетической утилизации твердых бытовых отходов - сжигание и

захоронение с получением биогаза. В среднем при разложении одной тонны

твердых бытовых отходов может образовываться 100-200 м3 биогаза,

содержащего до 60 % метана, что позволяет его использовать в качестве

местного топлива. В зависимости от содержания метана низшая теплота

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

примерно половину теплотворной способности 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.

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%;

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. [1]

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 была 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 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

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

2

полигона. [2]

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.

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

ТБО начинаются процессы газообразования. Эти процессы преобразования

исходной биомассы осуществляются микроорганизмами и протекают в

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

3

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).

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.

Механизм распада органического вещества достаточно хорошо изучен

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

образование метана (рис. 1).

Рис. .1. Схема анаэробного метанового брожения.

Факторы, влияющие на производство газа свалок

Для непрерывного образования газа требуется выполнение

определенных граничных условий.

Влажность отходов представляет собой важнейший фактор

влияния на процесс метанообразования. В диапазоне значений влажности

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

4

обусловливает значительную интенсификацию производства метана.

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.

Движение воды также является важным фактором. Отсутствие движения

воды в толще отходов привело бы к насыщению органических кислот,

образующихся на начальных стадиях распада.

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. 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.

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.

Концентрации токсических веществ. Некоторые летучие жирные

кислоты ядовиты для бактерий. При общем количестве жирных кислот 6000-

15000 мг/л рост метановых бактерий однозначно подавляется.

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

5

распространение газа (рис. 2.).

Рис. 2. 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.

Системы сбора биогаза с полигонов ТБО

В зависимости от 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».

Принципиальная схема активной системы дегазации, часто

используемая на полигонах ТБО, представлена на рис. 3.

6

Рис. 3. Устройство системы дегазации полигона ТБО

7

Подготовка свалочного газа к использованию

Очистка газа

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).

Обогащение газа

Целью обработки является доведение газа с полигонов ТБО до качества

природного газа. Для отделения углекислого газа применяется

моноэтаноламиновая отмывка, дальнейшее обогащение достигается

посредством подмешивания к очищенному газу пропана. В этом же процессе

достигается очистка oт сероводорода.

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.

8

Утилизация биогаза с полигонов ТБО

Центр тяжести использования газа свалок в большинстве стран

приходится на сферу получения электроэнергии и производства тепла для

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.

Принципиально возможные способы энергетического использования

газа свалок приведены на рис. 4.

Рис. 4. Энергетическое использование биогаза

9

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. [3]

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.

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.

Список использованной литературы

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

как источник энергии.»

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

свалок ТБО в России и оценка их метанового потенциала.»

3. 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.

10