Использование биогаза из захоронения отходов

Захоронение подверженных гниению отходов в поверхно­стных хранилищах неизбежно ведет к образованию биогаза, яв­ляющегося продуктом процесса анаэробного разложения, протекающего внутри массы захороненных отходов.

Обычно этот газ содержит 60 % метана, а также азот и углекис­лый газ. Кроме того, в нем могут содержаться и другие вещества, наносящие урон окружающей среде: сероводород и галогенсодержащие углеводороды. Энергетический потенциал биогаза составляет 21 МДж/м3. При наличии непроницаемого верхнего слоя повышается возможность горизонтальной миграции газа из зоны захоронения.

Биогаз необходимо отводить для того, чтобы предотвратить его миграцию с полигона, так как он токсичен и взрывоопасен. Иго опасность распространяется не только на территорию полигона, но и за ее пределы в связи со значительным объемом образования.

Методы контроля и отвода биогаза в настоящее время достаточно разработаны и за рубежом широко используются. Газ обычно отводится путем отсоса и направляется на сжигание в открытом факеле или при значительных количествах и со­ответствующем качестве утилизируется. Сбор биогаза осуществляется из вертикальных скважин, пробуренных на месте уже заполненных хранилищ, или горизонтальных скважин-коллек­торов, сооруженных в процессе складирования отходов.

В пробуренный ствол скважины на глубину не менее 10 м (лучше 20—30 м) помещается перфорированная в нижней части стальная труба. Затрубное пространство хранилища заполняется гранулированным материалом. Верхняя часть затрубного прост­ранства бетонируется для предотвращения поступления в скважину воздуха. Типичное оборудование для сбора биогаза состоит из соединения с всасывающим трубопроводом, диафрагменного расходомера и задвижки для регулирования потока.

На количество образующегося биогаза влияют:

• состав, возраст, плотность, температура и влажность отхо­дов;
• площадь, глубина, способы эксплуатации и рекультивации хранилища отходов;
• водный баланс хранилища.

В наиболее простом случае газы могут собираться и направ­ляться по трубопроводам потребителю в качестве топлива вместо других источников энергии.

Другим простым вариантом использования биогаза является сжигание его в специальных установках для получения элект­роэнергии. Это могут быть газовые двигатели с искровым зажиганием, газовые турбины. Газовые двигатели позволяют соз­давать маломощные установки. Наиболее целесообразно при­менение двухтактных газовых двигателей без впускающих и выпускающих клапанов.

Газовые турбины эффективны при мощности более 2 МВт КПД газовых турбин составляет 32 %. Более дорогостоящим является получение высококачественного газа. Это требует удалении неметановых компонентов, что достигается химическими или физическими методами сепарации.

Поскольку биогаз может содержать сероводород и галогенпроизводные углеводороды, то для использования и качестве топлива для газовых двигателей необходима его очистки По методу фирмы “Карбо-Тех” (Германия) очистка биогаза производится в две стадии. На первой стадии извлекаеться сероводород, а на второй производится удаление галогеносодержащих углеводородов.

В обеих стадиях в качестве очищающего вещества используется активированный уголь. В первой — он играет роль катализатора превращения сероводорода в элементарную серу. Процесс протекает по реакции:

2Н₂S + О₂-> 2Н₂О + 2S.

Остаточное содержание сероводорода после прохождения газом первой стадии очистки равно 5 мг/м³.

Активированный уголь, на котором осаждается элементарная сера, периодически заменяется на свежий.

На второй стадии активированный уголь играет роль адсорбента.

По достижении емкости насыщения активированный уголь со второй стадии восстанавливается путем десорбции адсорбированных галогенсодержащих углеводородов. Десорбции производится с помощью пара, нагретого до температуры 130°С, паро-газовая смесь конденсируется, а конденсат утилизируется.

Для выработки 1 МВт энергии необходима подача биогаза н количестве 525 м3/ч. Считают, что одна скважина дает 80 м³/ч газа.

Высокая плотность мусора позволяет извлекать газ с большой скоростью. Обычная свалка может выдавать газ в течение 10— 11 лет. Максимум производительности приходится на четвертый год, затем происходит медленное ее понижение.

После окончания эксплуатации скважины, т. е. когда сбор образовавшегося биогаза становится экономически неэффективным (так как концентрация метана становится слишком низкой), необходим контроль за его образованием и обезвре­живанием. Один из способов обезвреживания заключается в окислении метана воздухом в поверхностных слоях почвы в присутствии бактерий. В результате образуется углекислый газ, который диффундирует из почвы в атмосферу.

Одно из первых в США захоронений отходов с выработкой биогаза площадью 14 га функционировало с 1978 по 1985 г. В нем находились вперемешку 1 млн. т мусора и 0,5 млн. т про­мышленных отходов. Свалка давала 60 млн. м3 газа в год, или (>868 м3/ч. Полный ресурс мощности такой свалки составил 13,1 МВт.

С 1983 г. фирма “Блю Серкл” (США) применяет газ из хранилищ отходов для обжига цемента.

Другое хранилище, “Стоун” (США), имеет площадь 40 га, объем полости 10 млн. м3, глубину от 25 до 45 м. Продуктивность хранилища 7500 м3 газа в 1 ч при содержании метана 50 %, что позволяет получить электроэнергию в количестве 5—7 МВт с применением двигателей электроискрового зажигания и газовых турбин, а также тепловую энергию от отработанных газов.

Установка состоит из 20 скважин, соединенных трубопро­водом длиной 2200 м, газокомпрессорной станции, включающей три поршневых компрессора, водяного холодильника, градирни и КИП.

Газ транспортируется потребителю по трубопроводу на расстояние 5000 м.

В 1985 г. в США работало более 30 установок, использовавших биогаз, вырабатываемый на полигонах отходов.

В Германии имеется в частной коммерческой эксплуатации ряд установок малой мощности, вырабатывающих электроэнергию путем сжигания биогаза из хранилищ отходов.

В Великобритании имеются установки по обжигу цемента и кирпича, использующие биогаз из хранилищ мусора.

Таким образом, к настоящему времени накоплен значи­тельный практический опыт по использованию биогаза из хранилищ мусора и отходов. В нашей стране таких установок мет, что помимо упускаемой экономической выгоды приводит к загрязнению газом окружающей среды.