Утилизация свалочного газа

Одна из основных причин, по которой многие страны Европы с 2010 г. прекратили размещение ТБО на свалках и полигонах устаревших конструкций, состоит в том, что при таком способе утилизации происходит биохимическая ферментация отходов с выделением в атмосферу свалочного газа (СГ или биогаза).

Макрокомпонентами СГ являются метан (СН4) и диоксид углерода (С02), их соотношение может меняться от 40—70 об. % до 30—60% соответственно. В существенно меньших концентрациях, на уровне нескольких процентов, присутствуют, как правило, азот (N2), кислород (02) и водород (Н2). В качестве микропримесей в состав СГ могут входить десятки различных органических соединений. Состав биогаза обусловливает ряд его специфических свойств. Прежде всего, СГ горюч, его средняя калорийность составляет примерно 23 МДж/м. В определенных концентрациях он токсичен. Конкретные показатели токсичности определяются наличием ряда микропримесей, таких, например, как сероводород (H2S). Обычно СГ обладает резким неприятным запахом.

Глобальная эмиссия СГ является важным параметром для расчета прогнозных моделей изменения климата Земли в целом. На оценках потоков свалочного метана строятся национальные стратегии природоохранной деятельности в некоторых развитых странах. Например, в США вступил в силу закон о необходимости оборудования всех без исключения полигонов страны системами добычи и обезвреживания биогаза, после того как американскими исследователями было показано, что свалки являются основным антропогенным источником метана в США.

Первые глобальные оценки потока свалочного метана начали проводиться в прошлом десятилетии. Так, в одной из первых наиболее авторитетных работ 1987 г. было показано, что глобальная эмиссия свалочного СН4 составляет 30—70 млн т в год, или 6—18% от его общепланетарного потока. При этом отмечалось, что данная величина превышает массу метана, выделяемого угольными шахтами. На основании роста объемов образования ТБО в развивающихся странах прогнозировалось, что в следующем столетии свалки будут основным глобальным источником метана.

В середине 1990-х гг. оценка глобальной эмиссии свалочного метана проводилась экспертной группой Межправительственной комиссии по изменению климата (IPCC), была получена величина, равная 40 млн т в год. Практически она подтвердила правильность прежних оценок и окончательно поставила свалочный метан в реестр основных источников парниковых газов планеты. Интересно отметить, что существенный вклад в глобальную эмиссию вносит Россия. По тем же оценкам IPCC, свалки России ежегодно выбрасывают в атмосферу 1,1 млн т метана, что составляет примерно 2,5% от планетарного потока.

Свободное распространение СГ в окружающей среде вызывает ряд негативных эффектов как локального, так и глобального масштаба, обусловленных его специфическими свойствами. При накоплении СГ могут формироваться взрыво- и пожароопасные условия в зданиях и сооружениях, расположенных вблизи захоронений ТБО.

Накопление СГ в замкнутых пространствах также опасно с токсикологической точки зрения. Известно довольно много случаев отравлений при техническом обслуживании заглубленных инженерных коммуникаций, которые сопровождались смертельными исходами. К сожалению, открытая статистика таких инцидентов отсутствует. Высока вероятность того, что причиной несчастий было накопление СГ, источником которого являлись старые насыпные грунты. СГ также оказывает гибельное воздействие на растительный покров. Так, причиной подавления растительного покрова, которое регулярно наблюдается вокруг свалочных тел, является накопление СГ в поровом пространстве почвенного покрова, вызывающее асфиксию корневой системы. Свободное распространение СГ приводит также к загрязнению атмосферы прилежащих территорий токсичными и дурно пахнущими соединениями.

Добиться снижения вышеупомянутых негативных воздействий биогаза можно, либо организованно собирая и используя его (на несанкционированных свалках это невозможно), либо предотвращая образование метана как наиболее опасного компонента.

Технологии дегазации существенно различаются по величине капитальных и текущих затрат, наличию блоков для утилизации биогаза (получение тепловой или электрической энергии), факельного хозяйства, устройств по рассеянию биогаза в атмосфере. В связи с этим особенно важен строго дифференцированный подход к выбору способа и технологии дегазации полигона.

Вопрос об использовании биогаза в качестве источника энергии решается после тщательного изучения процесса мета- ногенеза на полигоне. Максимальное выделение газа с оптимальным для коммерческого использования соотношением метана и углекислого газа может продолжаться от 5 до 50 лет. Оценка газоносного потенциала полигона является первым шагом в решении вопроса об утилизации биогаза.

Опыт развитых стран в области утилизации биогаза показал, что положительное решение об использовании полигона в качестве источника энергии принимается в том случае, если выполняются следующие условия:

  • полезный потенциал газа составляет не менее 100 млн м3, что соответствует мощности полигона 300—500 тыс. м3;
  • период использования полигона как источника биогаза составляет не менее 20 лет;
  • содержание метана в биогазе не менее 45%;
  • имеются потребители энергии.

Для работы системы утилизации газа при производстве тепловой и электрической энергии минимальная скорость выделения газа должна быть 60 м3/ч, при более низком значении целесообразно использовать принудительную дегазацию со сжиганием биогаза или рассеянием его в атмосфере. Такая скорость эмиссии возможна только при соответствующей мощности полигона, высоком содержании органического углерода в отходах, а также при условии, что с момента закрытия полигона нс произошло существенного снижения метанообразования.

Одним из способов снижения отрицательного воздействия на окружающую среду полигонов, утилизация С Г которых по различным причинам невозможна, является разработанная и внедренная специалистами ГУП «Экотехпром» (г. Москва) технология снижения экологической и пожарной опасности свалок и полигонов захоронения ТБО, кото-

рая состоит в том, что преимущественно аэробная ферментация твердых бытовых отходов достигается за счет естественной вентиляции свалочного тела путем организации в нем приточно-вытяжной каналовой системы. Направленное движение газов происходит за счет естественной разницы температур и давлений в верхней и нижней частях системы.

По мере ферментации отходов в свалочном теле выделяются газообразные компоненты, которые реагируют с кислородом воздуха, протекающим по трубам. В результате образуется С02 и практически прекращается образование СН4. Расход воздуха регулируется за счет изменения температуры свалочного тела. Таким образом, при естественной вентиляции свалочного тела происходит подавление метаногенеза. Следует отметить, что одновременно образуются пары воды, что, в свою очередь, препятствует образованию сероводорода и меркаптанов.

На закрытых полигонах, находящихся на рекультиваци- онном или пострекультивационном этапе, могут использоваться системы пассивной дегазации на основе газосборных скважин или траншей. Граничные условия применения различных систем пассивной дегазации связаны с величиной избыточного давления внутри свалочного тела, которое, в свою очередь, зависит от времени разложения отходов и скорости эмиссий.

Если избыточное давление менее 0,5 кПа, в горизонтальных траншеях возможны подсосы воздуха с образованием взрывоопасных газовоздушных смесей, поэтому в таких случаях целесообразно устраивать вертикальные дегазационные колодцы. При избыточном давлении более 1 кПа во избежание опасных прорывов через изолирующее покрытие необходима принудительная откачка газа.

Для небольших «молодых» свалок и свалок промежуточного возраста с объемом свалочного тела менее 50 тыс. м3, не имеющих систем дегазации, эффективным средством регулирования эмиссии биогаза является изолирующее покрытие из рыхлого грунта в сочетании с такими относительно недорогими техническими средствами регулирования движения биогаза, как дренажные канавы, траншеи и т.п.

Одним из способов дегазации свалочного тела при низких скоростях эмиссий является обустройство окончательного покрытия в виде окислительного биофильтра, возможность применения которого ограничивается его максимальной окислительной способностью. Исследования показали, что эффективно биофильтр работает при скоростях эмиссий не более 30 м3/ч. Биосорбционные фильтры на основе таких сорбентов, как опил, кора длительного срока хранения, скоп (отход, образующийся в целлюлозно-бумажной промышленности), эффективны для очистки биогаза от токсичных и дурнопахнущих веществ — одорантов. Они могут применяться и при активной дегазации.

Каждая свалка ТБО является единственной в своем роде, и локальные условия могут в значительной мере осложнить использование того или иного способа дегазации. Надежная работа систем дегазации, контроль эмиссий, эффективная реализация биогаза как энергоносителя возможны в том случае, если способ дегазации подходит не только для стадии метаногенеза, но и для общей концепции эксплуатации и рекультивации свалки.

Биогаз обладает значительным энергетическим потенциалом и может быть использован в теплосиловых установках, а в очищенном виде — в газовых турбинах. В мире в настоящее время эксплуатируется более 220 установок по извлечению и использованию биогаза, получаемого в результате анаэробного разложения органических веществ на свалках городских отходов.

Сооружение газодренажной системы может осуществляться как целиком на всей территории полигона ТБО после окончания его эксплуатации, так и на отдельных участках полигона в соответствии с очередностью их загрузки. При этом надо учитывать, что для добычи СГ пригодны свалочные тела мощностью не менее 10 м. Желательно также, чтобы территория полигона ТБО, на которой намечается строительство системы сбора С Г, была рекультивирована, т.е. перекрыта слоем грунта толщиной не менее 30—40 см. Для добычи СГ на полигонах ТБО применяются вертикальные скважины. Обычно они располагаются равномерно по территории свалочного тела с шагом 50—100 м между соседними скважинами. Их диаметр колеблется в интервале 200—600 мм, а глубина определяется мощностью свалочного тела и может составлять несколько десятков метров.

Инженерное обустройство скважины включает несколько этапов. На первом этапе в скважину опускается перфорированная стальная или пластиковая труба, заглушенная снизу и снабженная фланцевым соединением в приустьевой части. Затем в межтрубное пространство засыпается пористый материал (например, гравий) с послойным уплотнением до глубины 3—4 м от устья скважины. На последнем этапе сооружается глиняный замок мощностью 3—4 м для предотвращения попадания в скважину атмосферного воздуха. После завершения строительства скважины приступают к установке оголовка скважины, представляющего собой металлический цилиндр, снабженный газозапорной арматурой для регулировки дебита скважины и контроля состава СГ, а также патрубком для присоединения скважины к газопроводу. На заключительной стадии на оголовок скважины устанавливается металлический или пластмассовый короб для предотвращения не- сакционированного доступа к скважине.

Температура СГ в толще отходов может достигать 40—50°С, а содержание влаги — 5—7 об. %. После экстракции СГ из свалочного тела и его поступления в транспортные газопроводы происходит резкое снижение температуры, что приводит к образованию конденсата, который может выделяться в значительных количествах. Ориентировочно при добыче СГ в объеме 100 м3/ч образуется около 1 м3 конденсата в сутки. Поэтому отвод конденсата с помощью специальных устройств является задачей первостепенной важности, так как его наличие в газопроводе может затруднить или сделать невозможной экстракцию СГ.

По системе трубопроводов свалочный газ поступает на пункт сбора. Газосборный пункт предназначен для принудительного извлечения СГ из свалочной толщи. Для этого с помощью специального электровентилятора в системе газопроводов создается небольшое разряжение (около 100 м/бар).

В мировой практике известны следующие способы утилизации СГ: факельное сжигание, обеспечивающее устранение неприятных запахов и снижение пожароопасности на территории полигона ТБО, при этом энергетический потенциал СГ нс используется в хозяйственных целях; прямое сжигание СГ для производства тепловой энергии; использование СГ в качестве топлива для газовых двигателей с целью получения электроэнергии и тепла; использование СГ в качестве топлива для газовых турбин с целью получения электрической и тепловой энергии; доведение содержания метана в СГ (обогащение) до 94—95% с последующим его использованием в газовых сетях общего назначения. Целесообразность применения того или иного способа утилизации СГ зависит от конкретных условий хозяйственной деятельности на полигоне ТБО и определяется наличием платежеспособного потребителя энергоносителей, полученных на основе использования СГ. В большинстве развитых стран этот процесс стимулируется государством с помощью специальных законов. Так, во многих странах ЕЭС и США существуют законы, обязывающие потребителей покупать альтернативную энергию. Мало того, 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.). В России подобная нормативно-правовая база отсутствует. Следствием этого являются большие трудности, связанные со сбытом энергии, полученной из свалочного газа. Такое положение сдерживает широкое распространение этих технологий в России.

В заметных объемах биогаз добывается и утилизируется в ряде развитых западных стран. К их числу относятся США (500 млн м3/год), Германия (400 млн м3/год), Великобритания (200 млн м3/год), Нидерланды (50 млн м3/год), Франция (40 млн м3/год), Италия (35 млн м3/год), Дания (5 млн м3/год). Глобальная утилизация СГ составляет примерно 1,2 млрд м3/год, что эквивалентно 429 тыс. т метана, или 1% его глобальной эмиссии. Таким образом, объем извлекаемого газа ничтожен по сравнению с объемом его образования. Это открывает широкие возможности для развития отрасли использования биогаза.

Так, на свалке в Бирмингеме (Великобритания) отходы загружают в отдельно расположенные бункера, врытые в землю. Выделение биогаза начинается через три месяца и продолжается в течение 15—20 лет.

Каждый бункер производит 17 м3/мин биогаза. После очистки биогаза от органических включений и конденсата его подают под давлением 1,75 МПа в газотурбинную установку мощностью 64,5 МВт.

В Германии неподалеку от г. Эрфурта, в Шверборне, построена промышленная установка по переработке мусора, включающая электростанцию. Она работает на биогазе, который получают здесь искусственно, ускоряя процесс разложения органических веществ. На 2/3 газ состоит из метана. Используя пятую часть свалки, в Шверборне ежедневно получают 5700 м3 газа. Он идет на обогрев жилых домов. Кроме того, заводы в Нордхаузене и Финстерварде освоили комплексное оборудование, которое, сжигая биогаз, также вырабатывают электроэнергию. Полученное тепло идет на обогрев близлежащих теплиц. Завоз мусора на свалку предлагается прекратить в 2030 г., после чего, как считают специалисты, она будет способна давать биогаз еще 20 лет.

Самая крупная из электростанций, работающих на биогазе ТБО, находится в Лос-Анджелесе (США). Эта станция с паровым котлом-утилизатором производительностью 200 т/ч и турбиной мощностью 50 МВт эксплуатируется с 1986 г. Сопоставление разных вариантов утилизации ТБО показывает, что наиболее бурно развивается и имеет минимальное количество ограничений по экологическим и другим условиям технология получения биогаза на полигонах ТБО.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >