Определение оптимальных параметров системы сбора биогаза

Доктор технических наук, профессор С.С. Нуркеев
ВВЕДЕНИЕ
 Остро стоящая в настоящее время проблема
энергосбережения при снижении загрязнения
окружающей среды заставляет не только искать
пути
более
рационального
использования
традиционных энергоресурсов, но и находить
другие, желательно возобновляемые и недорогие
источники энергии.
 Успешное развитие экономики любой страны
напрямую связано с ростом потребления энергии.
Однако запасы ископаемого топлива, во-первых,
не безграничны, а во-вторых, их сжигание
приводит к загрязнению окружающей среды и к
парниковому эффекту на нашей планете.
Морфологический состав ТКО
Компоненты
ТБО
Макулатура
Пищевые отходы
Металл
Стекло
Дерево
Пластмасса
Текстиль
Прочие
Карасайский полигон
35,5
28,3
2,4
3,4
2,4
1,2
4,9
21,9
Методы исследования
Полевые
Лабораторные
исследования
Расчетные
исследования
исследования
1. Ознакомление с
основными
технологическими
циклами, структурой,
составом отходов и
технологией их
складирования на
полигоне ТКО
2. Отбор почвенных
образцов, техногенного
грунта, свалочного тела,
грунтовых вод и наземных
вод из фильтрационного
накопителя
3. Определение эмиссии
биогаза из
геотехногенной системы
Карасайского полигона
ТКО по секторам путем
замеров
1. Физико-химический и
микробиологический
анализ отобранных
почвенных образцов,
техногенного грунта,
свалочного тела,
грунтовых вод и наземных
вод из фильтрационного
накопителя
2. Разработка технологии
компостирования ТКО
1. Расчет
количественных
характеристик
выбросов
загрязняющих
веществ в атмосферу
Карасайским
полигоном ТКО
2. Математическое
моделирование
процесса образования
биогаза
Оценка биотехнологического
ресурса полигона ТКО
На уровне
метана
На уровне
микроорганизмов
 Метанотрофы участвуют в
выработке метана:
 В культурах, полученных
из
массы
ТКО,
заскладированных
не
более 5 лет, метанотрофы
составляли 1,5-6%, а при
захоронении 5-10 лет более
50% от общего числа
микроорганизмов.
 При
эксплуатации
Карасайского полигона
ТКО, валовый выброс
газообразных веществ в
атмосферный
воздух
составил:
 - биогаза - 70 307,79
т/год,
 - метана - 37204,54 т/год.
Математическое моделирование
процесса образования биогаза
Анализ показал, что
при
оптимальных
технологических
параметрах
степень
образования биогаза
достигает 97,9 %.
Эмиссия биогаза на Карасайском полигоне
имеет активный период с 1999 по 2022 гг
Физические свойства биогаза,
очищенного от примесей
Показатель
Наименов
ание
Биогаз,
очищенны
й от
примесей
Плотность
(ρ), кг/м3
Вязкость
(μ), Нс/м2
1,07 х 10-4
1,15 х 10-5
Теплота
Влагосодер
сгорания,
-жание, %
3
кДж/м
1800–
25100
25–45
Эмиссия биогаза с поверхности
разновозрастных участков
Карасайского полигона коммунальных отходов
Возраст захоронения, лет
Показатель
Исследуемая
площадь, га
Эмиссия
биогаза
с
поверхности
участка, мг/м 3
Концентрация
метана в %
5
10
15
4,0
2,7
1,6
18,1 ± 0,2
6,9 ± 0,75
4,0 ± 0,96
68
91
73
Разработка схемы комплексного
энерготехнологического
обеспечения полигона ТКО
 Любой
полигон коммунальных отходов (КО)
представляет собой биохимический реактор,
своего рода метантенк, в котором в процессе
эксплуатации и, десятилетиями после закрытия, в
результате анаэробного разложения отходов
растительного и животного происхождения,
образуется биогаз. Биогаз, или как его иногда
называют, свалочный газ, представляет собой
смесь метана и углекислого газа, примерно, в
равной пропорции. Примеси других газов
незначительны и обычно не превышают 1% – это
пары воды, оксид углерода, оксиды азота, аммиак,
углеводороды,
сероводород,
фенол
и
незначительные количества других примесей,
обладающих вредным для здоровья человека и
окружающей среды воздействием.
 Системы сбора и утилизации биогаза на полигонах
КО получили в мире широкое распространение. По
данным европейской биогазовой ассоциации
количество таких систем в 2002 году составляло: в
Германии – 409, Италии – 89, Швеции –83, Дании –
17. В США существует около тысячи полигонов, на
которых биогаз собирается и сжигается в факеле.
Примерно, третья часть этих полигонов использует
биогаз для получения тепловой или электрической
энергии. Наличие системы сбора и утилизации
биогаза является обязательным требованием при
строительстве полигонов КО в большинстве
развитых стран мира.
Определение оптимальных параметров
системы сбора биогаза на полигонах ТКО
 Для того чтобы создать оптимальную систему
сбора биогаза необходимо рассчитать
оптимальные параметры данной системы, которые
привели бы к минимальным потерям и тем самым
обеспечили экологическую безопасность на
полигонах ТКО и дали возможность получения
экологически чистого газообразного топлива.
 На рассмотрение были выбраны следующие параметры:
 влияние влажности и температуры на процесс




образования биогаза;
зависимость содержания газа в толще полигона от
физико-механических свойств грунтов;
влияние параметров перфорированных газосборных
труб и системы сбора биогаза на характеристики
системы;
физических характеристик процесса сбора биогаза через
перфорированные трубы;
определение потерь давления на трение и в местных
сопротивлениях при движении двухфазного потока
«биогаз - вода» путем сравнения с потерями давления
при движении сухого биогаза;
Выводы
 Полигоны ТБО представляют собой экологическую и пожарную опасность не
только в процессе эксплуатации, но и на протяжении десятилетий после их
закрытия. Это связано с образованием в теле полигонов биогаза, выходом его в
атмосферу в виде неконтролируемых эмиссий, миграции в грунте близлежащих
территорий, самовозгорании при высоких температурах.
 Для эффективной дегазации полигонов ТБО необходимо применять только
активные способы, предусматривающие прокладку системы вертикальных или
горизонтальных трубопроводов, находящихся под разрежением, создаваемым
воздуходувным устройством (компрессором).
 Эффективность извлечения биогаза из тела полигона ТБО зависит от физикомеханических свойств грунта, которые в свою очередь зависят от возраста
полигона ТБО, фракционного состава и степени уплотнения складируемых
отходов.
 Движение биогаза при притоке к газосборной трубе может быть ламинарным
или турбулентным. Независимо от режима движения объем газа, всасываемого
через отверстия газосборных труб, зависит от отношения давлений газа в
газосборной трубе и теле полигона. Извлечение определенного объема биогаза
через сеть перфорированных труб возможно при создании в системе
определенного разрежения.
 Потери давления при движении биогаза по перфорированным трубам зависят
как от потерь давления на трение, так и от потерь давления, возникающих из-за
гидродинамического несовершенства газосборных труб.
 Отбор
биогаза осуществляется из тела полигона,
обладающего достаточно высокой влажностью. Вода в
биогазе может находится как в паровой фазе, так и виде
конденсата. Поэтому движение влажного биогаза в
газосборной системе представляет собой движение
двухфазного потока «газ - вода». Существуют различные
методики определения потерь давления на трение при
движении двухфазных потоков, имеющие разный
диапазон параметров и различную погрешность
результатов. Выбор методики зависит от соотношения
коэффициентов динамической вязкости и массовой
скорости двухфазного потока. Потери давления на
местные сопротивления в системах, транспортирующих
двухфазные потоки, составляют до 87% от общих потерь
давления и зависят не только от коэффициентов местных
сопротивлений, но и от компонентного состава и
физических характеристик двухфазного потока.