Расчет количественного выхода биогаза

Уравнения для эмиссии биогаза и газоэнергетического потенциала приведены в работе [19]. Им предложено полуэмпирическое уравнение, учитывающее условия их эксплуатации.

Массу биогаза m выделяющегося с полигона за период полного сбраживания T быстро разлагающейся органической части отходов массой M ₀, можно найти, интегрируя ДУ распада 1-го порядка в диапазоне 0 ≤ t ≤ Т:

m ^T kL _m M ₀ e ^kt dt L _m M ₀(1 e ^kT)	(2.9)
0

где L _m – масса биогаза, т, выделившегося при разложении 1 т отходов.

С другой стороны массу выделившегося биогаза за период Т приближённо найти по методике ОАО «АКХ им. К.Д. Памфилова»:

m ≈ Q _w M ₀

Тогда, приравнивая выражения (2.9) и (2.10):

можно получить приближённую зависимость для определения Lm:

L _m Q _w /(1 e ^kT)

Если отходы не содержат жироподобных, углеводоподобных, белковых веществ, то выражение (2.11) для расчёта L _m не применимо. В этом случае значение L _m следует определять экспериментально или по справочным данным

[19].

Если полигон ТБО и ПО оснащён системой утилизации биогаза, то это можно учесть путём введения коэффициента, учитывающего долю утилизации биогаза ξ. При полном отсутствии утилизации принимается ξ =1, при её наличии ξ близок к нулю. Тогда уравнение годового выхода массы l -го компонента биогаза m _l, т/год, в дискретной форме примет следующий вид [19]:

		c _l Q _w	n	1
m _l 0,1 k		c _l Q _w	M _i e ^kt ^tj		(2.12)
m _l 0,1 k	1	kT	M _i e ^kt ^tj		(2.12)
	1	e	i 1	j 0,1

где с _l – массовая доля компонента в составе биогаза при его образовании, численные значения которой приведены в источнике [31].

Учёт аэробных и анаэробных процессов, протекающих в теле полигона, предлагается осуществлять путём ввода в уравнение (2.12) поправочных коэффициентов, приведённых в источниках [18,12]:

^m CH ₄	0,1 c _CH ₄ fkQ _w	¹ ^ОХ _kT M _i e ^kt ^tj
		n	1
		1 e _i ₁	j 0,1	(2.13)

где m _CH ₄ = 0,7 – максимальная массовая доля метана в биогазе; f –коэффициент условий эксплуатации полигона:

для полуанаэробных полигонов, оснащённых системой дренажа биогаза, имеющих проницаемый покрывающий слой f = 0,5;

для свалок с глубиной от 5 м и/или вблизи залегания грунтовых вод, при размещении отходов в водной среде f = 0,8;

для свалок с глубиной до 5 м f = 0,4 [17];

ОХ –коэффициент,зависящий от слоя изоляции:для управляемыхполигонов с использованием грунта ОХ = 0,1; для остальных ОХ = 0 [13,17].

По уравнениям 2.12-2.13 выполнен расчёт в программном пакете «Langem 3.2» для полигона города Ижевска по Сарапульскому тракту. Содержание органической составляющей R = 55%, жироподобных веществ Ж = 2 %,углеводоподобных У = 83%,белковых Б = 15%,влажностьW =53%.

Информация об объёме отходов, поступивши на полигон приведена в [4]. Средняя плотность неуплотнённых отходов равна 200 кг/м³[16]. Подробные данные приведены в табл. 2.3.

К закрытию полигона количество захороненных отходов составило 10,455 млн. м³ (или 2,091 млн. т). Примем, что в течение существования полигона на него ежегодно свозился примерно равный объем отходов 30,750 тыс. т.

Удельный выход биогаза за период его активной стабилизированной генерации при метановом брожении определяется по уравнению:

Q 10⁴ R (0,92 Ж 0,62 У 0,34 Б)

(2.14)

где: Q - удельный выход биогаза за период его активной генерации, кг/кг отходов;

R - содержание органической составляющей в отходах, %;

Ж - содержание жироподобных веществ в органике отходов, %; У - содержание углеводоподобных веществ в органике отходов, %; Б - содержание белковых веществ в органике отходов, %.

R, Ж, У и Б - определяются анализами отбираемых проб отходов.

Жиры и белки определяются по стандартным методикам аналитического анализа (жиры - экстрагированием, белки - с применением гидролиза). Методика определения углеводов описана в трудах АКХ им. К.Д. Памфилова «Методика исследования свойств твердых отбросов» [10].

Уравнение (2.14) составлено применительно к абсолютно сухому веществу отходов. В реальных условиях отходы содержат определенное количество влаги, которая сама по себе биогаз не генерирует. Следовательно, выход биогаза, отнесенный к единице веса реальных влажных отходов, будет

меньше, чем отнесенный к той же единице абсолютно сухих отходов в

10^-

²(100- W) раз, так как в весовой единице влажных отходов абсолютно сухих отходов, генерирующих биогаз, будет всего 10^-2(100- W) от этой единицы.

Здесь W - фактическая влажность отходов в %, определенная анализами проб отходов.

С учетом вышесказанного уравнение выхода биогаза при метановом

брожении реальных влажных отходов принимает вид:
Q _w 10⁶ R (100 W)(0,92 Ж 0,62 У 0,34 Б)	(2.15)

где сомножитель 10^-2(100 -W) учитывает, какова доля абсолютно сухих отходов, для которых составлено уравнение (2.14), в общем количестве реальных влажных отходов.

Q _w 10 ⁶ 66(100 53)(0,92 2 0,62 83 0,34 15) 0,181 кг / кг отх

Количественный выход биогаза за год, отнесенный к одной тонне отходов, определяется по формуле:

P	Q _w	10³
P		10³
уд	^t сбр		, кг/т отходов в год	(2.16)
	^t сбр		, кг/т отходов в год	(2.16)
где: t _c6p - период полного сбраживания органической части отходов, в
годах, определяемый по приближенной эмпирической формуле:
^t сбр			10248
^t сбр	Т _тепл (t _ср _{. тепл})^0,301966^,^год			(2.17)
	Т _тепл (t _ср _{. тепл})^0,301966^,^год			(2.17)

где: t _cp.тепл. - средняя из среднемесячных температура воздуха в районе полигона твердых бытовых и промышленных отходов (ТБО и ПО) за теплый период года (t _{.ср.мес.} >0), в °С; Для Ижевска t _cp.тепл. = 11,3^оС;

Т _тепл. - продолжительность теплого периода года в районе полигона ТБОи ПО, в днях; Для Ижевска T _тепл. = 205 дней;

10248 и 0,301966 - удельные коэффициенты, учитывающие биотермическое разложение органики.

^t сбр

10248

24 года

205 11,3^0,301966

0,181

10³ 7,54 кг / т

уд

Органические вещества, содержащиеся в отходах, обладают различной интенсивностью разложения. Так, резина, кожа, полимерные материалы и т.п. разлагаются микроорганизмами очень медленно, в то время как органические составляющие отходов, содержащие белковые вещества, крахмал, разлагаются очень быстро. Таким образом, можно считать, что органическая составляющая отходов состоит из «пассивного» (не генерирующего или очень медленно генерирующего) органического вещества и «активного» (генерирующего) органического вещества. Следовательно, от морфологического состава отходов зависит интенсивность образования и выделения биогаза и в зависимости от него и от климатических условий колеблется продолжительность периода стабилизированного активного выхода биогаза.

Плотность биогаза определяется по закону аддитивности как суммарная величина произведений объемных концентраций его компонентов на их плотности:

	n
	^C об. i	_i
^Р б. г.	i 1
^Р б. г.	100		, кг/м³	(2.18)
	100		, кг/м³	(2.18)

где: С _об.i - содержание i -го компонента в биогазе, объемные %; P _i -плотность i -го компонента биогаза,кг/м³;

П - количество компонентов в биогазе.

Расчет плотности биогаза представлен в таблице 2.5.

Таблица 2.5. Расчет плотности биогаза

Наименование	Плотность кг/м³	С _i,мг/м³	С _об.i,мг/м³	С _об * ρ	М _i, г/с
вещества	Плотность кг/м³	С _i,мг/м³	С _об.i,мг/м³	С _об * ρ	М _i, г/с
вещества

Метан	0,717	816489	113,88	81,65	557,6

Углерода диоксид	1,977	418640	21,18	41,86	0,29

Толуол	0,867	9029	1,04	0,90	0,0000

Аммиак	0,771	6659	0,86	0,67	0,0000

Ксилол	0,869	5530	0,64	0,55	0,0000

Углерода оксид	1,25	3148	0,25	0,31	0,0000

Азота диоксид	1,49	1392	0,09	0,14	0,0011

Формальдегид	0,815	1204	0,15	0,12	0,0019

Ангидрид сернистый	2,93	878	0,03	0,09	0,0021

Этилбензол	0,867	1191	0,14	0,12	0,0038

Бензол	0,869		0,00	0,00	0,0000

Сероводород	1,54	326	0,02	0,03	0,0015

Фенол	1,071		0,00	0,00	0,0000

Плотность биогаза ρ_б.г= 1,26 кг/м³

Удельный выход биогаза, Q t, м³/т, определяется как [14]:

Q 1,85 13⁴	P (1 10		^kt) /(59 W)⁴	,	(2.19)
t	уд			,	(2.19)
где G 0 – удельная эмиссия биогаза,		м³/т отходов; t – время с момента

открытияполигона ТБО и ПО, лет; W – естественная влажность отходов, %.

Q _t 1,85 13⁴ 7,54 (1 10 ^{0,05 24}) /(59 53)⁴ 228 м ³ / т

Максимальные разовые выбросы i -го компонента биогаза с полигона определяются по формуле:

^М сум	^Р уд ^D		г / с
	86,4	^T тепл		(2.20)

М _i = 0,01 ·С _вес.i ·М _сум				(2.21)

где ∑D – количество активных стабильно генерирующих биогаз отходов, т. Полигон функционирует более периода полного сбраживания (t _c6p). В этом случае подсчитываются отходы без учета отходов, завезенных в последние два года.

Т _тепл _.-продолжительность теплого периода года в районе полигона ТБО иПО, в днях;

_М сум ^{7,54 2029500} _863,5 _г _/ _с 86,4 205

Максимальные разовые выбросы i-го компонента представлены в табл

2.5.

Результаты расчетов эмиссий за 2014 год приведены в таблице 2.6.

Полный период сбраживания поступающей органической части отходов t_сбр составляет 24 года. На рисунке 2.3 показана схема графика выхода биогаза от года измерения. Поступающая единица массы отходов к моменту поступления следующей единицы находится в процессе разложения.

График выхода компонентов биогаза представлен на рисунке 2.4. Из графика видно, что после окончания поступления отходов на полигон, то есть в 2014 году, объем выхода биогаза пошел на спад.

Количество биогаза, м3/год
26,7	6	N-я тонна
26,7	·10
	·10
1-я тонна
	1946	2014	2030	Года
				Года
	Рисунок 2.3. Зависимость объема вышедшего биогаза от рассматриваемого года.
	Рисунок 2.4. Количественный выход биогаза и его компонентов, т/год.

Таблица 2.6. Количественный выход биогаза и его компонентов

Газ/составляющая

Эмиссия

т/год

м³/год

Весь биогаз

14099

10452272

Метан

4533

6793977

Диоксид углерода

6697

3658295

Примеси, в т.ч.:

22,48

6271,36

Аммиак

0,22

32,40

1,1,1-Трихлорэтан

0,03

5,02

1,1-Дихлорэтан

0,10

25,09

1,1-Дихлорэтен

0,01

2,09

1,2-Дихлорэтан

0,02

4,29

1,2-Дихлорпропан

0,01

1,88

2-Пропанол

1,31

522,61

Ацетон

0,18

73,17

Акрилонитрил

0,15

65,85

Бензол

0,06

19,86

Бензин

0,37

114,97

Бутан

0,13

52,26

Сероуглерод

0,02

6,06

Монооксид углерода

1,70

1463,32

Хлорбензол

0,01

2,61

Хлороформ

0,002

0,31

Дихлорфторметан

0,12

27,18

Диметилсульфид

0,21

81,53

Этанол

0,54

282,21

Этилбензол

0,21

48,08

Гексан

0,25

68,98

Газ/составляющая		Эмиссия

	т/год	м³/год
	т/год	м³/год
Сероводород	0,53	376,28

Метилэтилкетон	0,22	74,21

Метилмеркаптан	0,05	26,13

Пентан	0,10	34,49

Тетрахлорэтилен	0,27	38,67

Толуол	6,81	1776,89

Трихлорэтилен	0,16	29,27

Винилхлорид	0,20	76,30

Ксилолы	0,55	125,43

С полигона г. Ижевска по Сарапульскому тракту в пиковый год выделяется 10452272 м³ биогаза, в том числе 6793977 м³ метана.