Фев 20 2004

перспективы строительства систем сбора  и утилизации биогаза на полигонах твердых бытовых отходов украины

Опубликовано в 10:46 в категории Сбор и переработка отходов

перспективы строительства систем сбора  и утилизации биогаза на полигонах твердых бытовых отходов украины

Гелетуха Г.Г., Матвеев Ю.Б., Уланов М.Н.

НТЦ «Биомасса»,
Институт технической теплофизики НАН Украины,

Киев, Украина

Проблема обращения с твердыми бытовыми отходами (ТБО) в течение полного периода их существования является чрезвычайно актуальной для Украины. Ежегодно в городах и посёлках городского типа Украины образуется около 40 млн м3 (10 млн т) ТБО. На одного жителя приходится около 0.8 м3 ТБО ежегодно. По крайней мере, 90% ТБО вывозятся на более чем 700 официально существующих полигонов и свалок. По данным Министерства экологии и природных ресурсов Украины, на 80% из них не соблюдаются требования экологической безопасности в отношении загрязнения подземных вод и воздушного бассейна.

Экологические аспекты образования биогаза на полигонах ТБО

Любой полигон твердых бытовых отходов (ТБО) представляет собой большой биохимический реактор, в недрах которого в процессе эксплуатации, а также в течение нескольких десятилетий после закрытия в результате анаэробного разложения отходов растительного и животного происхождения образуется биогаз, представляющий собой смесь метана и углекислого газа примерно в равной пропорции.

Кроме метана и углекислого газа, в биогаз входят органические добавки, суммарное содержание которых обычно не превышает долей процента и в общем случае зависит от морфологического состава ТБО и физико-химических условий в теле полигона. Неизбежное попадание биогаза в атмосферу сопровождается выбросами загрязняющих органических веществ. Наличие неметановых органических соединений является причиной неприятного запаха, распространяющегося в окрестностях полигона. Некоторые из органических веществ обладают выраженным токсичным действием. Список основных органических веществ, входящих в биогаз, составляет от нескольких десятков до нескольких сотен наименований.

Эмиссия органических веществ может отличаться в несколько раз для разных полигонов ТБО. Действительная величина эмиссии органических веществ может быть определена только на основании измерений, реализованных после начала стабильного метаногенеза. Для грубой оценки величины эмиссии можно использовать рекомендуемые данные Американского агентства защиты окружающей среды (US EPA) [1], представляющие собой обобщение измерений выбросов органических веществ, проведенных на 23 полигонах ТБО в США. В процессе проведения программы измерений было подтверждено, что величина концентрации органических веществ в выбросах в атмосферу зависит от полигона и может изменяться от 0.024 до 1.43 об. %. Для проведения предварительных оценок в США рекомендуется следующие значения суммарной концентрации органических веществ: 0.0595 об. % для полигонов с раздельным захоронением бытовых и опасных отходов и 0.242 об. % для совместного захоронения.

Процедура сбора и сжигания биогаза позволяет существенно (в 2-4 раза) снизить эмиссию органических веществ в атмосферу. Поэтому, даже простое сжигание биогаза в факеле является мощным экологическим мероприятием.

Существующие в Европе законодательные и нормативные требования к полигонам ТБО в концентрированном виде содержатся в Директиве Европейского Союза 1999/31/ЕС о полигонах отходов от 26 апреля 1999 года. Европейская директива также соответствует  практике, принятой в других развитых странах мира. Общие требования директивы для всех классов отходов касаются выбора места полигона, контроля вод и фильтратов, защиты почвы и воды. Относительно газообразных выбросов документ содержит следующие положения:

· На полигонах должны быть приняты необходимые меры по контролю за образованием и миграцией образующегося на полигоне газа.

· Газ, образующийся на полигонах, принимающих биодеградирующие отходы, должен собираться, обрабатываться и использоваться, по возможности в энергетических целях. Если энергетическое использование невозможно, он должен сжигаться в специальных факелах (свечах).

· Сбор, обработка и использование выделяющегося на полигонах газа должны проводиться при условиях, обеспечивающих минимальное воздействие на окружающую среду и здоровье людей.

Проект государственных строительных норм Украины «Размещение и проектирование полигонов твердых бытовых отходов», разрабатываемый в настоящее время, также предусматривает необходимость сбора биогаза на полигонах любого размера. При этом целесообразность утилизации биогаза предполагается определять с помощью технико-экономического обоснования. В случае нецелесообразности утилизации биогаза с целью производства энергии он должен сжигаться в факельной установке.

Таким образом, в недалеком будущем в Украине системы сбора и, в некоторых случаях, утилизации биогаза должны стать естественной частью проектов рекультивации закрывающихся полигонов, а также проектов новых полигонов. Требование строительства таких систем будет все более актуальным по мере согласования законодательных и нормативных актов Украины и ЕС. 

Биогаз и проблема изменения климата

В последнее время особую актуальность приобрели парниковые свойства метана, содержащегося в биогазе,  в связи с проблемой изменения земного климата [2,3]. Велика вероятность того, что в период с 2008 по 2012 годы вступит в силу так называемый Киотский протокол, в рамках которого развитые страны возьмут на себя обязательства по ограничению выбросов парниковых газов (ПГ), вторым по значению из которых (после углекислого газа) является метан (СН4).

Основной природный источник метана в атмосфере – микробиологический распад органических веществ в анаэробных условиях. Антропогенные источники, в сумме превышающие естественные примерно в два раза, включают технологию выращивания риса, животноводство, анаэробное разложение органики на свалках и в канализационных системах, утечки метана из угольных шахт, нефтяных и газовых месторождений, а также газотранспортных систем.

Оценки, сделанные в конце 1980-х и 90-х годах, показали, что общая эмиссия метана со свалок и полигонов на Земле составляет 35-70 млн т/год, или 6-18% от его общего планетарного выброса в атмосферу. В середине 90-х годов глобальная эмиссия метана со свалок была оценена экспертной группой Межправительственной комиссии по изменению климата в 40 млн т/год. При этом отмечалось, что данная величина превышает массу метана, выделяемого угольными шахтами. Комиссия включила свалочный метан в реестр основных ПГ планеты. В опубликованном в 2001 году третьем отчете Комиссии (рабочая группа 1) приводятся данные разных авторов, полученные в 1997-1999 годах. По этим данным эмиссия метана находится в диапазоне от 35 до 73 млн т/год.

В феврале 2004 года парламент Украины ратифицировал Киотский Протокол. В случае, если  Протокол вступит в силу, а сегодня это зависит только от его ратификации Россией или США, присоединившиеся страны возьмут на себя обязательства по ограничению эмиссии ПГ. Одновременно с этим у них появится возможность участвовать в проектах на территории других стран, приводящих к снижению эмиссии ПГ. При этом инвестиции могут быть возвращены за счет передачи единиц снижения эмиссии (ЕСЭ)[1]. Стоимость ЕСЭ будет определяться рыночными механизмами, сегодня она прогнозируется в пределах 3-10 Евро.

Киотский протокол будет действовать в течение пяти лет с 2008 по 2012 годы включительно. Однако, уже сегодня для украинских организаций существует реальная возможность использовать так называемый проектно ориентированный механизм совместного внедрения. При использовании этого механизма, инвестиции в проект могут быть обеспечены за счет «климатических» денег. После реализации проекта инвестор является собственником единиц снижения эмиссии ПГ, полученных в процессе реализации проекта и может продать их на рынке. 

Уже сегодня существуют организации, готовые покупать ЕСЭ. Например, после ратификации Украиной Киотского протокола у украинских компаний появилась реальная возможность участия в программе ИРАПТ (Erupt), финансируемой Министерством Экономики Королевства Нидерланды. В январе 2004 г. были собраны предварительные заявки в четвертый раунд программы. Предполагается, что ЕСЭ ПГ, выраженные в тоннах СО2-эквивалента (1 т СН4 = 21 т СО2), будут покупаться по цене от 4  до 5 Евро при условии, что за период 2008-2012 г. сокращение выбросов составит не менее 250 тысяч тонн СО2-эквивалента.

Отметим, что проекты создания систем сбора и утилизации биогаза на полигонах ТБО чрезвычайно эффективны с точки зрения проблемы изменения климата. Снижение эмиссии ПГ, равное 50 тыс. тонн СО2-экв. в год или 250 тыс. тонн за 2008-2012 г.г., может быть достигнуто на полигоне, обслуживающем город с населением 350 тысяч жителей. Например, снижение эмиссии ПГ в атмосферу, достигнутое за счет реализации проекта по использованию биогаза на полигоне ТБО Луганска, города с полумиллионным населением, может составить около 70 тыс. т СО2-экв./год.

Программы, аналогичные ИРАПТ, развиваются в настоящее время и в других странах, например, Дании, Японии, Канаде, Австрии, Швеции и др.

Устройство систем сбора биогаза на полигонах ТБО

Наиболее распространенная система сбора биогаза состоит из сети вертикальных скважин, связанных между собой горизонтальными трубами, которые собирают получаемый биогаз и подают его на свечу или в оборудование для энергетического использования [4]. Скважины могут буриться, когда свалка полностью или одна из ее секций заполнены. Также скважины могут сооружаются постепенно, по мере заполнения отходами работающей свалки. При помощи горизонтальной связи вертикальных скважин в нижней их части извлечение биогаза может начаться уже во время заполнения свалки. Расстояние между скважинами обычно не превышает 50 метров (2-3 скважины на гектар). В зависимости от местных условий количество газа составляет от 5 - 50 м3/ч до 250 м3/ч на одну скважину.

В случае, если система сбора газа устанавливается в процессе заполнения свалки, для дегазации предпочтительнее создать сеть горизонтальных коллекторов. Горизонтальные системы для извлечения биогаза могут быть размещены в поверхностных слоях свалки на глубине 2-4 метра. На глубоких свалках с целью увеличения эффективности сбора совместно используют вертикальные скважины и горизонтальные коллекторы.

Предпочтительным материалом для трубопроводов является полиэтилен высокой плотности. В случае активной дегазации система газопроводов должна работать при разрежении до 800 мм  водяного столба. Диаметр труб рассчитывается исходя из размеров полигона и максимально допустимой скорости газа в трубах. Обычно минимальный диаметр используемых труб составляет 100 мм.

При заглубленном расположении трубы закладываются в вырытые в слое ТБО траншеи глубиной не менее 900 мм и обсыпаются гравием или песком слоем до 500 мм. Затем траншея вновь закладываются слоем ТБО. Минимальный наклон горизонтальных трубопроводов составляет 4 угловых градуса в пределах участка захоронения ТБО, и 1 градус за его пределами.  

Для соединения полиэтиленовых труб используется термическая сварка в стык или специальные термоэлектрические муфты. В некоторых случая вместо общего транспортного коллектора используются индивидуальные коллекторы от каждой скважины. Преимуществом этого варианта является возможность установки регулирующей арматуры в одном месте за пределами полигона и обеспечение удобного доступа для оператора. К недостаткам можно отнести относительную дороговизну строительства, связанную с большим расходом труб.

Система сбора биогаза должна включать конденсатосборники (КС), количество которых определяется геометрией свалочного тела и газосборных коллекторов. В случае расположения КС за пределами участка захоронения ТБО, конденсат должен возвращаться на полигон или же подаваться в систему обработки и удаления фильтрата.

Монтаж полиэтиленовых трубопроводов может быть выполнен сертифицированными компаниями, специализирующимися на прокладке транспортных сетей природного газа. Для бурения вертикальных шурфов необходимо привлечь местную строительную или геолого-разведывательную компанию.

Стоимость работ по сооружению системы сбора биогаза ориентировочно составляет 50 тыс. гривен на гектар площади полигона, занятой ТБО.

Количество и скорость образования биогаза

Потенциал образования метана зависит от морфологического состава ТБО и климатических условий региона, в котором расположен полигон и может изменяться от 6.2 до 270 м3/т ТБО для разных полигонов.

Для того, чтобы определить количество биогаза, образующегося из одной тонны ТБО конкретного полигона, необходимо учесть массовую долю органического углерода в ТБО (т С/ т ТБО) и долю углерода, участвующего в образовании метана и углекислого газа (коэффициент разложения углеродосодержащих соединений). Использование в расчетах справочных данных о морфологическом составе ТБО, типичных для Украины и России, приведенных в [5] для средней климатической зоны, приводит к величине 110-120 м3 биогаза/т ТБО.

Скорость образования биогаза является функцией влажности ТБО, содержания в ТБО органических (питательных) веществ, в основном целлюлозы и гемицеллюлозы, кислотности (pH) и температуры. Для того, чтобы достаточно точно определить динамику образования биогаза, необходимо учесть, что ТБО состоят из фракций, скорость разложения и  потенциал газообразования которых существенно отличаются. Частным случаем может быть четырехкомпонентная модель, в которой ТБО делятся на четыре фракций – легкоразлагаемые (I), среднеразлагаемые (II), трудноразлагаемые (III) и инертные (IV). Если влажность ТБО равна 50%, то период полураспада ТБО составляет для фракций 1-3 – 6, 9 и 15 лет соответственно [6].

На рисунке приведены результаты расчетов, проведенные авторами для Дергачевского полигона ТБО (г. Харьков) в пределах периметра нового полигона, открытого в 1999 году. Показана эмиссия биогаза на старом (первый максимум) и новом полигоне, а также суммарная величина эмиссии. Видно, что количество образующегося биогаза растет с увеличением общего количества ТБО на полигоне вплоть до момента предполагаемого закрытия полигона в 2005 году. Провал в период с 1990 по 1999 годы вызван переносом зоны складирования ТБО за пределы периметра нового полигона.

Следует отметить, что погрешность расчета газообразования составляет не менее 30%. В случае отсутствия надежных данных о морфологическом составе ТБО и регистрации количества завозимых ТБО погрешность может увеличиться в несколько раз. Если дегазация полигона планируется в качестве экологического мероприятия, а биогаз предполагается сжигать в факельной установке, то большая погрешность оценки количества биогаза не имеет критического значения. Если же биогаз планируется использовать в энергетических целях, такая погрешность недопустима. Поэтому до принятия решения о строительстве полномасштабной системе сбора и утилизации биогаза на полигоне ТБО рекомендуется проводить программу мониторинга, включающую строительство трех тестовых скважин и мониторинг количества и состава газа по крайней мере в течение трех месяцев. Ориентировочная стоимость работ составляет 100 тыс. гривен, общая продолжительность работ – 4-5 месяцев.  

В настоящее время такая программа реализована при участии авторов на Луганском полигоне ТБО и планируется на полигоне Одессы.

Оборудование для утилизации

            Потенциальным изготовителем факельной установки открытого типа для сжигания избытка биогаза (до 1000 м3/час) является Институт газа НАН Украины, г. Киев (руководитель работ проф. Сигал И.Я.). Общие затраты на изготовление факельного устройства и опорной колонны (высота 10-12 м, диаметр 150 мм), транспортировку, строительство фундамента, а также работы по установке и подсоединению факела к трубопроводу биогаза могут составить до 100 тыс. гривен. Затраты на аналогичную факельную установку европейского производства составляют 27-150 тыс. $ [7].

Для получения тепловой энергии биогаз может сжигаться в модернизированных котлах, мощность которых определяется количеством биогаза. Для сжигания биогаза Институт газа НАН Украины рекомендует специально разработанные под биогаз подовые горелки МПИГ-3б (модернизированная подовая излучающая горелка для сжигания биогаза). Горелки хорошо зарекомендовали себя в течение двухлетней эксплуатации на котле ДКВР-6,5 Бийского завода (Россия) на Бортнической станции аэрации (Киев). Институт предлагает горелки для серийных котлов ДКВР (мощность более 1 МВтт), а также собственные водогрейные котлы ИГ-08 для работы на биогазе, полученном на средних и малых полигонах ТБО (мощность 800 кВтт). Стоимость одной горелки составляет около 30 тыс. гривен.

Для комбинированной выработки теплоты и электроэнергии из биогаза могут использоваться стационарные газопоршневые мини-ТЭЦ  ТАП-200Я/300-1 по 0,2 МВтэл + 0,286 МВтт каждая на базе двигателей ЯМЗ-240 Ярославского моторного завода. Стоимость одной такой мини ТЭЦ, работающей на природном газе, составляет 990 тыс. руб. с НДС без пусконаладочных работ для ТАП-200Я/300-1 на базе двигателей ЯМЗ-240 и 980 тыс. руб. с НДС без пусконаладочных работ для ТАП-200Б/300-1 на базе двигателей 1 Г12 Барнаульского завода «Трансмаш». Двигатели необходимо перевести на биогаз. Работы по переводу мини-ТЭЦ ТАП-200Я/300-1на биогаз также могут быть выполнены в Институте газа НАН Украины, г. Киев. Здесь имеется значительный опыт создания миниэлектростанций мощностью 30-1000 кВтэ на природном газе (более 100 установок), в том числе двух миниэлектростанций на биогазе.

 Затраты на аналогичные специализированные мини-ТЭЦ для работы на биогазе западного производства значительно выше. Например, стоимость двигателей австрийской компании Jenbacher составляет 600 Евро/кВтэ (300 тыс. Евро за электростанцию мощностью 500 кВтэ) со склада завода в Австрии.

Одно из возможных направлений утилизации избыточной теплоты и электроэнергии произведенной из биогаза является создание внутриполигонного хозяйства, производящего пользующуюся спросом продукцию с использованием образующегося избытка энергии. Наиболее очевидным является развитие тепличного хозяйства с выращиванием овощей или цветов. Подобный проект разрабатывается в настоящее время с участием авторов для нового полигона твердых бытовых и промышленных отходов в г. Сургут (Россия).

Потенциально привлекательным является получение биометана из биогаза полигонов ТБО и использование его в качестве моторного топлива. На Западе существуют многочисленные демонстрационные проекты получения моторного топлива из биогаза, финансирующихся из различных фондов. Работы по получению биометана из биогаза проводятся в Украине в Харьковском физико-технологическом институте. Однако стоимость получаемого биометана пока не может конкурировать со стоимостью природного газа, по крайней мере, при существующих в настоящее время ценах на природный газ. 

Выводы: Системы сбора и утилизации биогаза на полигонах ТБО обладают значительным потенциалом коммерческого использования в Украине. Их широкому внедрению будет способствовать гармонизация норм проектирования и эксплуатации полигонов ТБО в Украине и странах ЕС. 

Литература

1. Pelt, W.R., 1993. Memorandum. Radian Corporation to Municipal Solid Waste Landfills Docket A-88-09. Methodology Used to Revise the Model Inputs in the Municipal Solid Waste Landfills Input Database (Revised). April 28, 1993. Public Docket No. A-88-09.

2. Матвеев Ю.Б. Перспективы добычи и использования биогаза на украинских полигонах твердых бытовых отходов. Матеріали міжнародної конференції “Інвестиції та зміна клімату: можливості для України”, 10-11 липня 2002 року, Київ, С. 186-190 .

3. Матвеев Ю.Б., Гелетуха Г.Г. Зелене світло Кіото. Зелена енергетика. – 2. – 2002.  – С.4, 17.

4. Гелетуха Г.Г., Марценюк З.А. Обзор технологий добычи и использования биогаза на свалках и полигонах твердых бытовых отходов и перспективы их развития в Украине. Экотехнологии и ресурсосбережение. – 4. - 1999, С. 6-14.

5. А.Н. Мирный и др. "Твёрдые бытовые отходы", М, 2001

6. Environment Agency (2002a). GasSim  User Manual.  Colder Associates (UK)  Limited, Edwalton, Nottingham, UK.

7. Biogas Flares. State of the Art and Markey Review. IEA Bioenergy. December 2000.

[1] 1 ЕСЭ = 1 тонна СО2-эквивалента

Нет пока ответов

Комментарии закрыты.