Из толщи ТБО спустя 3-4 года начинается образование биогаза в течение 10-30 лет. 1 т ТБО выделяет 100-250 м3 газа.
При близком расположении элементов системы сбора биогаза к краю или поверхности полигона в составе газа появляется воздух, т.е. кислород и азот. При высоком уровне грунтовых вод биогаз насыщается водяными парами. Доля избыточного воздуха или водяных паров может быть обусловлена как местными условиями (степенью уплотнения отходов, наличием изоляции основания, открытой или изолированной поверхностью полигона), так и типом и способом эксплуатации установки сбора биогаза (например, величиной создаваемого разрежения). С возрастанием количества подсасываемого воздуха уменьшается содержание метана в биогазе, тем самым снижается теплота сгорания газовой смеси.
Для экономичного использования биогаза свалок в качестве нижнего предела содержания метана можно назвать следующий порядок значений: при использовании в двигателях внутреннего сгорания – около 35 %, а в тепловых установках – около 25 %. Из требований взрывопожарной безопасности система сбора биогаза отключается при снижении концентрации метана до 25 % (предупредительный сигнал при 30 %) или повышении концентрации кислорода до 5 % (предупредительный сигнал при 3 %).
Для получения более качественного биогаза с содержанием метана 50-60 % и низшей теплотой сгорания 18-24 МДж/м3 необходимо правильно организовать процесс его сбора.
Газ свалок во многих странах используется для получения электроэнергии и тепла для отопления помещений и технологических нужд. Получение электроэнергии в газовых турбинах, обогащение биогаза с последующим сжатием и применение как моторного топлива, обработка до качества природного газа и подпитка сетей общественного газоснабжения получили меньшее распространение.
На рис. 6.4 в качестве примера приведена предпроектная схема сбора и утилизации биогаза на полигоне ТБО «Центральный» (г. Волгоград).
Рис. 6.4. Предпроектная схема сбора и утилизации биогаза на полигоне «Центральный»: 1 – тэрмоэластомеровая плёнка; 2 – газодренажная скважина; 3 – трубопровод; 4 – термозапорный клапан; 5 – вентиль; 6 – здание, оборудованное узлами очистки и одорации биогаза; 7 – газгольдер; 8 – заправка газовых баллонов; 9 – блочно-модульная котельная; 10 – здания
Утилизация биогаза в двигателях подразумевает следующие технологические элементы: система сбора и подготовки газа, узел учета расхода газа и определения состава, газовый двигатель с автоматикой регулирования, генератор, система охлаждения, система отходящих газов при необходимости с очисткой, трансформаторная подстанция, аварийная факельная установка.
Преимуществом сжигания газа в двигателях внутреннего сгорания является, прежде всего, возможность передачи электроэнергии в сеть общественного электроснабжения, а также возможность реализации проекта в модульных конструкциях со ступенчатым регулированием производительности установки; при увеличении расхода газа систему утилизации можно расширить.
Недостаток состоит в низком температурном уровне охлаждающей воды двигателя (порядка 70-90 °С), вследствие чего исключается использование теплоты для технологического процесса. Для этих целей можно использовать только тепло отходящих газов, составляющее только около 20 % общего энергосодержания газа свалок. Производимое количество электроэнергии, подаваемой в сеть, составляет примерно 30 %.Таким образом, при средней возможности использования двигателя 85 %, чистое производство электроэнергии без утилизации отходящего тепла общий КПД составляет 25%. Если отходящее низкопотенциальное тепло использовать для отопления зданий или подавать потребителям тепла, общий КПД соответственно повышается.
Другой недостаток при использовании двигателей внутреннего сгорания – образование полициклический ароматических углеводородов (ПАУ). Они появляются вследствие создания в камере сгорания недостаточных условий для развития реакции, что обусловливает неравномерное выгорание. Исследовательские программы в различных системах утилизации газа подтверждают это высказывание. Если концентрация ПАУ в отходящих газах ограничивается, то требуется обработка отходящих газов.
Для соблюдения требований ПДК по оксидам азота используется эксплуатация по способу сжигания обедненной смеси. При застехиометрическом сжигании (значении коэффициента избытка воздуха более 1,5) концентрации азота в продуктах сгорания находятся ниже значений ПДК. Из-за большого избытка воздуха снижается температура горения, но в связи с этим повышается опасность образования ПАУ, а также снижение КПД. Максимальная величина коэффициента избытка воздуха ограничивается пределами воспламенения бедной газовоздушной смеси (при a ≈ 1,6).
Колебания концентраций метана в газе свалок необходимо выравнивается путем регулирования подвода воздуха. При изменении концентрации метана изменяется концентрация остаточного кислорода в отходящих газах двигателя. По сигналу кислородного зонда изменяется соотношение газовоздушной смеси, так что заданная доля кислорода в отходящих газах двигателя остается постоянной независимо от содержания метана в сжигаемом газе.
На малых и средних полигонах получение электроэнергии в двигателях внутреннего сгорания получило в настоящее время наибольшее распространение, оно экономично только в случае, если газ свалок содержит небольшое количество примесей.
На средних и крупных полигонах для использования газа свалок в двигателях кроме обычных двигателей внутреннего сгорания используются газожидкостные двигатели (дизельные двигатели). Эти двигатели очень надежны в работе и характеризуются высоким механическим и электрическим КПД. Характерным отличием для них является также, по сравнению с обычными двигателями, чрезвычайно долгий срок службы. В качестве запала для них требуется дополнительно к газу еще около 10 % жидкого топлива (дизельное топливо или мазут). Общий КПД этих двигателей составляет примерно 40-42 %, степень использования может достигать 95 %.
Припроизводстве электроэнергии на конденсационных ТЭСпредусматривается использование газа свалок в технологической комбинации: камера высокотемпературного сгорания/ котел-утилизатор/ паровая турбина/ генератор. Газ сжигается в камере высокотемпературного сгорания при определенной температуре 1200 °С в течение 3 с. Горячие продукты сгорания проходят через котел-утилизатор и далее через дымовую трубу в атмосферу. В котле-утилизаторе получается перегретый пар высокого давления, который подводится к паровой турбине и там расширяется. В турбине происходит снижение давления и температуры, к турбине присоединяется генератор. Произведенная электроэнергия через трансформаторную подстанцию подается в сеть. Принципиальная схема установки приведена на рис 5.5. Возможен отбор пара при высоком уровне температур и использование его для выпаривания фильтрата или сушки шлама, в этом случае снижается производимая электрическая мощность.
Рис. 5.5 Принципиальная схема конденсационной теплоэлектростанции
Благодаря контролю процесса сжигания описанная технологическая комбинация подходит также для утилизации сильно загрязненного газа с содержанием общего хлора до 200 мг/м3.
По экономическим соображениям конденсационные электростанции при расходах газа, характерных для полигонов ТБО, могут состоять только из одного блока ТЭЦ. Поэтому при использовании концепции конденсационной электростанции необходимо принимать во внимание отношение минимальной и максимальной тепловой мощности (≈ 0,3). Электрический КПД составляет 16-18%. Этот сам по себе небольшой КПД смягчается высокой степенью использования (≈ 95 %). В качестве недостатка такой электростанции следует назвать высокие инвестиционные затраты. Поэтому концепция конденсационной электростанции для утилизации газа свалок появляется только на полигонах с высоким потенциалом газа, высокой степенью загрязнения газа примесями или высокой потребностью в тепловой энергии. Несмотря на высокие капитальные затраты этот способ может иметь значение, если в общее рассмотрение принимать обработку дренажных вод и шлама. Т.к. и выпаривание фильтрата, и сушка шлама характеризуются высоким уровнем потребления тепловой энергии, он может покрываться за счет сжигания газа с последующим производством и использованием пара.
Вопросы для самоконтроля
1. Назовите основные направления использования биогаза.
2. Как производится получение и использование биогаза метантенков в котельных очистных канализационных сооружений?
3. Как производится получение и использование и биогаза сельскохозяйственного производства?
4. Как производится сбор и использование и биогаза с полигонов и свалок ТБО?
7. Расчёты биогазовых установок
