Энергетические аспекты утилизации промышленных и бытовых отходов

Министерство образования республики беларусь

Белорусская государственная политехническая академия

Энергетический факультет

Кафедра «Промышленная теплоэнергетика и теплотехника»

Расчётно-пояснительная записка к дипломному проекту на тему:

«Энергетические аспекты утилизации

Промышленных и бытовых отходов»

Студент Кузьмич Г.В.

Проект допущен к защите:

Заведующий кафедрой ПТЭиТ д.т.н. профессор Малевич Ю.А.

Руководитель проекта к.т.н. профессор Седнин В.А.

Консультанты по вопросам: теплотехнической части

к.т.н. профессор Седнин В.А.

экономической части д.т.н. профессор Бокун И.А.

электроснабжения ст. преподаватель Сацукевич В.Н.

охраны труда д.т.н. профессор Поспелова Т.Г.

автоматики к.т.н. доцент Мигуцкий Е.Г.

Нормоконтролер к.т.н. доцент Романюк В.Н.

Объём проекта:

Расчётно-пояснительная записка страниц.

Графическая часть листов.

Минск, 2000 г.

Белорусская Государственная Политехническая Академия

Факультет Энергетический

Кафедра «ПТЭ и Т»

«Утверждаю»

Зав. кафедрой ______________

(подпись)

_____ _______________ 2000 г.

ЗАДАНИЕ

ПО ДИПЛОМНОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ

Студенту Кузьмичу Григорию Владимировичу

1. Тема проекта: Энергетические аспекты утилизации промышленных и бытовых отходов.

(Утверждена приказом по вузу от ____________________ № ________)

2. Сроки сдачи студентом законченного проекта ___________________

3. Исходные данные к проекту ___________________________________

_______________________________________________________________________________________________________________________________

4. Содержание расчётно-пояснительной записки:

Введение

Анализ методов и перспектив использования ТБО в системах энергоснабжения

Добыча и утилизация свалочного газа

Технико-экономическое сопоставление вариантов энергоснабжения

Синтез технологической схемы источника энергоснабжения

Оптимизация работы установки по обогащению биогаза

Выбор, тепловой и аэродинамический расчёт отдельных элементов технологической схемы

Схема КИП и автоматики

Технико-экономические показатели

Электроснабжение насосов основного контура мини-ТЭЦ

Охрана труда

5. Перечень графического материала

План и разрезы цеха - 3 листа;

Технологические схемы - 2 листа;

Схемы вариантов энергоснабжения - 1 лист;

Схема энергоснабжения - 1 лист;

КИП и А - 1 лист;

Технико-экономические показатели - 1 лист;

Электроснабжение - 1 лист;

6. Консультанты по проекту:

Теплотехнической части Седнин В.А.

Экономической части Бокун И.А.

Электроснабжения Сацукевич В.Н.

Охраны труда Поспелова Т.Г.

Автоматики Мигуцкий Е.Г.

Руководитель проекта __________________ Седнин В.А.

(подпись)

Задание принял к исполнению (дата) _______________

(подпись студента) ________________________ Кузьмич Г.В.

Аннотация

В данном дипломном проекте рассмотрена проблема утилизации твёрдых бытовых отходов, а также различные способы их переработки. Наиболее подробно рассмотрена схема мини теплоэлектроцентрали на базе дизельного двигателя для теплоэнергетической системы промышленного предприятия. Топливом для мини-ТЭЦ служит обогащённый, путём удаления из него углекислого газа, биогаз, получаемый из отходов. Приведено технико-экономическое обоснование выбора данной схемы и рассчитаны основные экономические показатели. В схему входит углекислотная станция для абсорбции углекислого газа из биогаза и отработавших дымовых газов и тепловой насос для утилизации низкопотенциального тепла. Схема синтезирована на базе основных элементов: двигатель, электрогенератор, теплообменники, насосы и др.

Выбраны и рассчитаны отдельные элементы схемы: теплообменники, углекислотная станция. Также произведён расчёт горения топлива.

В расчетно-пояснительную записку входят также разделы охраны труда и пожарной безопасности, электроснабжения, КИП и автоматики.

Содержание

Введение

1. Анализ методов и перспектив использования твёрдых бытовых отходов в системах энергоснабжения

1.1. Твёрдые бытовые отходы и их свойства

1.2. Получение компоста из ТБО

1.3. Сжигание ТБО

1.4. Анализ технологической схемы утилизации ТБО осуществлённой на Минском ОЗПБО

1.5. Получение биогаза из ТБО

1.6. Переработка ТБО с помощью пиролиза

1.7. Вторичная переработка ТБО

2. Добыча и утилизация свалочного газа (СГ)

2.1. Процессы газообразования

2.2. Масштабы газообразования

2.3. Виды негативного влияния СГ

2.4. Технологическая схема экстракции и утилизации СГ

2.5. Масштабы мировой экстракции СГ

2.6. Перспективы добычи и утилизации СГ в России

2.7. Пилотный проект по экстракции и утилизации СГ на полигонах Московской области

3. Технико-экономическое сопоставление вариантов энергоснабжения

4. Синтез технологической схемы источника энергоснабжения

5. Оптимизация работы установки по обогащению биогаза

5.1. Технологическое описание объекта исследования

5.2. Синтез расчётной структуры исследуемого объекта

5.3. Составление математической модели

5.4. Разработка алгоритма и его программной реализации для ПЭВМ для анализа системы

5.5. Программа на языке программирования PASCAL

5.6. Таблица идентификаторов

5.7. Численное исследование и анализ полученных результатов

6. Выбор, тепловой и аэродинамический расчёт отдельных элементов технологической схемы

6.1. Выбор и расчёт водо-водяного теплообменного аппарата

6.2. Выбор и расчёт водо-масляного теплообменного аппарата

6.3. Расчёт горения топлива

7. Схема КИП и автоматики

8. Технико-экономические показатели

8.1. Основные технико-экономические показатели

8.2. Расчёт сетевого графика капитального ремонта дизельного двигателя

8.3. Структура управления мини-ТЭЦ

9. Электроснабжение насосов основного контура мини-ТЭЦ

10. Охрана труда

10.1. Техника безопасности и производственная санитария

10.2. Пожарная безопасность

Литература

Введение

Исторически «на виду» всегда были жидкие и газообразные отходы - промышленные загрязнения воды и воздуха - и они становились объектом первоочередного контроля и регулирования, в то время, как твердые отходы всегда можно было увезти подальше или закопать - попросту тем или иным способом убрать «с глаз долой». В прибрежных городах отходы довольно часто просто сбрасывались в море. Экологические последствия захоронения мусора - через загрязнение подземных вод и почв - проявлялись иногда через несколько лет или даже несколько десятков лет, однако были от этого не менее разрушительны. В общественном сознании постепенно сформировалась идея о том, что закапывание отходов в землю или сброс их в море - это недопустимое перекладывание наших проблем на плечи потомков. Параллельно наметилась и другая тенденция: чем жестче было законодательство по контролю воды и воздуха, тем больше производилось твердых токсичных отходов, так как все методы очистки газообразных и жидких сред приводят к концентрации загрязнителей в твердом веществе: в илах, осадках, золе и т.д.

В настоящее время в развитых странах производится от 1 до 3 кг бытовых отходов на душу населения в день, что составляет десятки и сотни миллионов тонн в год, причем, в США, например, это количество увеличивается на 10% каждые 10 лет. В связи с отсутствием мест для захоронения этого огромного количества отходов на Западе заговорили о кризисе отходов или кризисе свалок. В японских гаванях насыпаны «мусорные острова» из гор бытовых отходов, производимых в метрополиях; в США города на Северо-Восточном побережье отправляют свой мусор в другие страны в океанских баржах. История самой злополучной из таких барж - Munroe - которая в течение года плавала от порта к порту, пытаясь пристроить мусор из Нью-Джерси, и вернулась домой, так и не сгрузив ни тонны, попала во все экологические хрестоматии и учебники, как наиболее яркая иллюстрация кризиса свалок.

При внимательном рассмотрении проблема отходов представляется более сложной, чем просто нехватка места для новых свалок. Мест для новых свалок всегда не хватало: по свидетельству журнала Waste, еще в 1889 году американский федеральный чиновник жаловался, что «мусор становится некуда выбрасывать и скоро мы должны будем придумать новый метод избавляться от него». В то же время свалки занимают не так уж много места, по крайней мере, в географическом масштабе: например, все бытовые отходы, производимые в России современными темпами в течение 500 лет можно было бы уместить на площадке 20 на 30 км при толщине слоя мусора всего в 25 метров.

Таким образом «физическое» измерение проблемы ТБО - не только не единственное, но даже и не самое важное. Существуют другие взаимосвязанные аспекты этой проблемы, которые делают ее насущной именно в наше время:

Объем ТБО

... непрерывно возрастает как в абсолютных величинах, так и на душу населения;

Состав ТБО

... резко усложняется, включая в себя все большее количество экологически опасных компонентов;

Отношение населения

... к традиционным методам сваливания мусора на свалки становится резко отрицательным;

Законы

... ужесточающие правила обращения с отходами, принимаются на всех уровнях правительства;

Новые технологии

... утилизации отходов, в том числе современные системы разделения, мусоросжигательные заводы-электростанции и санитарные полигоны захоронения, все более широко внедряются в жизнь;

Экономика

... управления отходами усложняется. Цены утилизации отходов резко возрастают. Современное управление отходами невозможно представить без частных предприятий и крупных инвестиций.

Все эти аспекты проблемы завязаны в узел, который затягивался в развитых странах на протяжении последних 20-30 лет все туже и туже.

Традиционно бытовые отходы вывозились на свалки, расположенные вблизи населенных пунктов, и работающие за счет муниципальных бюджетов. Со временем вследствие постоянной угрозы здоровью населения, исходившей от свалок (отравление грунтовых вод, размножение переносчиков заболеваний, неприятный запах, дым от частых самовозгораний), во многих странах стали принимать более строгие правила их размещения, конструкции и эксплуатации. Отрицательное отношение населения и новые стандарты делали открытие новых свалок (или «полигонов по захоронению ТБО», как они стали именоваться) все более сложным делом.

В это время как раз и заговорили о ранее упоминавшемся кризисе свалок. Хотя кризис свалок - это проблема скорее «политическая», чем «физическая», однако, независимо от того, является ли нехватка места «реальной» или «кажущейся», строительство новых полигонов в определенный момент резко дорожает: в США, например, только получение лицензии на строительство полигона (еще до того как куплен участок) может обойтись в $500,000.

Ситуацию не изменило появление в начале 80-х годов мусоросжигательных заводов (МСЗ) «нового поколения» (снабженных высокотехнологичными устройствами очистки выбросов). МСЗ, подобно свалкам, были встречены населением в штыки из-за боязни диоксинов и других загрязнителей воздуха, а также из-за нерешенности проблем с захоронением токсичной золы, образующейся при сжигании ТБО. Находить площадки для МСЗ оказалось ничуть не легче, чем для полигонов, а себестоимоть сжигания отходов даже в таких густонаселенных странах, как Голландия, оказывается ничуть не ниже, чем себестоимость закапывания их в землю (Рис. 1).

Рис. 1. Стоимость сжигания отходов и захоронения на полигонах.

В странах с развитым экологическим законодательством до половины капитальных расходов при строительстве МСЗ уходит на установку воздухоочистительных систем. До 1/3 эксплуатационных расходов МСЗ уходит на плату за захоронение золы, образующейся при сжигании мусора, которая представляет из себя гораздо более экологически опасное вещество, чем ТБО сами по себе.

Когда стоимость (а значит, и цена) утилизации отходов значительно возрастает, рынок утилизации начинает привлекать крупные частные компании. Такие компании в основном строят и эксплуатируют гигантские «мусороуничтожающие» предприятия, размещенные на дешевой земле вдалеке от городов, где производится наибольшее количество ТБО. Строительство таких предприятий обычно встречает гораздо большую враждебность местного населения, чем строительство муниципальных свалок, поскольку никто не хочет иметь под боком свалку «чужого мусора» из метрополии. Кроме того, свалка, принадлежащая частной компании, воспринимается населением, как правило, более враждебно, чем муниципальная свалка тех же размеров, расположенная в том же месте. Под давлением общественности политики настаивают на принятии более жестких стандартов, что в свою очередь увеличивает стоимость утилизации отходов. Это приводит к тому, что все большее количество отходов попадает в руки крупных корпораций, имеющих не только финансовые средства выполнить жесткие экологические стандарты, но и возможность преодолеть (не всегда законными средствами) сопротивление местных политиков при решении вопроса о размещении свалки. Враждебность населения к огромным корпорациям растет и... мы попадаем в исходную точку порочного круга, узел «мусорного кризиса» затягивается еще туже.

Рис. 2. Замкнутый круг "мусорного кризиса"

Практика показывает, что подобный круг увеличения масштабов, стоимости и враждебности населения невозможно разорвать путем простого ужесточения экологических стандартов или внедрения новых технологий утилизации отходов. Попытки выйти из этого круга, решая в комплексе социальные, экономические и технологические проблемы, связанные с ТБО, привела к разработке концепции Комплексного управления отходами. Эта концепция служит ориентиром для правительственных и общественных организаций во многих странах; например, она официально принята Агентством по охране окружающей среды США.

1. Анализ методов и перспектив использования твёрдых бытовых отходов в системах энергоснабжения

1.1. Твёрдые бытовые отходы и их свойства

Бытовой мусор является одним из видов хозяйственно-бытовых отбросов жизнедеятельности человека. Бытовой мусор состоит из органических и неорганических частей. Полная характеристика ТБО предполагает рассмотрение их фракционного и морфологического состава, средней плотности, количества, химическую и бактериологическую характеристику. Ниже приведена сводная таблица состава ТБО табл.1.1.1. На соотношение составляющих бытовых отходов оказывают большое влияние: степень благоустройства жилищного фонда, сезоны года, климатические и другие условия. Так, в осенний период содержание пищевых отходов значительно выше, чем в другие периоды, что связано с большим использованием овощей и фруктов в рационе питания населения. Отечественный и зарубежный опыт показывает, что с течением времени в составе и свойствах мусора происходят существенные изменения. В составе мусора постоянно увеличивается содержание бумаги благодаря развивающемуся производству и растущему использованию её прежде всего из-за повышения культурного уровня и распространения упаковок в торговле.

Рис.1.1.1. Примерный состав ТБО в СССР в 1989 г.

В связи с вредными свойствами бытового мусора, обусловленными наличием в нем быстроразлагающихся органических веществ, болезнетворных организмов и т.д. возникает важнейшая задача санитарной очистки городов. При этом целесообразно использовать полезные свойства отбросов.

Можно выделить следующие основные методы обезвреживания и переработки ТБО:

Утилизационные - с максимальным использованием всех полезных свойств путём переработки основной части мусора в органическое удобрение и биотопливо, выделения вторичного сырья и использование горючих неутилизируемых частей (в качестве топлива) на мусороперерабатывающих заводах;

Ликвидационные, не предусматривающие использование полезных свойств отходов: захоронение на усовершенствованных свалках с засыпкой землёй, сброс в болота, выработанные шахты, карьеры, вывоз в море, а также сжигание отбросов без использования тепла.

С точки зрения использования твёрдых бытовых отходов в системах энергосбережения для нас конечно представляет интерес утилизационные способы переработки.

1.2. Получение компоста из ТБО

Одним из наиболее распространенных методов утилизации бытового мусора является его биологическая переработка с получением компоста и биотоплива. Процесс обезвреживания и переработки осуществляется за счёт саморазогревания мусора, и поэтому называется биотермическим. Этот процесс происходит в результате роста и развития разнообразных, в основном теплолюбивых (термофильных), микроорганизмов в аэробных условиях, то есть при достаточном доступе воздуха.

В ходе процесса мусор разогревается до температуры 60 С, что губительно действует на болезнетворные микроорганизмы и обеспечивает надёжное обезвреживание мусора. Под действием развивающейся микрофлоры сложные, быстрогниющие органические вещества разлагаются с образованием форм, легко усваиваемых растениями, получается компост.

Схематически основные фазы микробиологического процесса разложения органического вещества отбросов можно представить следующим образом. Сначала компостируемая масса имеет температуру окружающего воздуха. Затем с ростом микроорганизмов растёт и температура компоста. До 40 С в нём усиленно размножаются мезофильные организмы (оптимальная температура их развития 25 - 30 С). Повышение температуры в компостируемой массе свыше 40 С приводит к гибели мезофилов и размножению более теплолюбивых микробов - термофилов. Это наиболее важная стадия в процессе компостирования, так как микроорганизмы проявляют здесь наибольшую активность и окислительные процессы интенсифицируются. Затем температура постепенно снижается, доходит до мезофильной стадии и процесс затухает.

При компостировании сложные белковые соединения легко разлагаются и переходят в более простые соединения - сначала в аминокислоты, конечная фаза расщепления которых сопровождается выделением аммиака. Аммиак окисляется сначала в азотистую, а затем в азотную кислоту. Процесс этот называется нитрификацией, так как его вызывают особые нитрифицирующие микроорганизмы.

При ускоренном механизированном компостировании, когда процесс органического вещества в установке длится несколько дней, обычно имеют место процессы аммонификации. Нитрификация может наступить лишь во время последующего дозревания в штабелях или в почве при соответствующих условиях.

На процесс компостирования наиболее влияют: влажность компостируемой массы, аэрация, температура и состав исходного мусора. Для создания лучших условий компостирования применяют различные способы подготовки отбросов или их сочетания: магнитная сепарация, просеивание для разделения по крупности и по составу, дробление. В ходе процесса осуществляют подачу воздуха, подсушку или увлажнение отходов, в ряде установок применяют биологические добавки, ускоряющие процесс разложения органических веществ. В некоторых установках извлечение металла и операции по обогащению компоста производят после процесса компостирования в конце технологической линии.

Существуют различные технологии компостирования:

Минимальная технология

Компостные кучи - 4 метра в высоту и 6 метров в ширину. Переворачиваются раз в год. Процесс компостирования занимает от одного до трех лет в зависимости от климата. Необходима относительно большая санитарная зона.

Технология низкого уровня

Компостные кучи - 2 метра в высоту и 3-4 в ширину. В первый раз кучи переворачиваются через месяц. Следующее переворачивание и формирование новой кучи - через 10-11 месяцев. Компостирование занимает 16-18 месяцев.

Технология среднего уровня

Кучи переворачиваются ежедневно. Компост готов через 4-6 месяцев. Капитальные и текущие затраты выше.

Технология высокого уровня

Требуется специальная аэрация компостных куч. Компост готов уже через 2-10 недель

1.3. Сжигание ТБО

Также очень распространённым методом является сжигание ТБО. В некоторых случаях оно получается наиболее целесообразно.

Специфика сжигания мусора состоит в том, что он состоит из частиц, разных по размеру и разнохарактерных по средней теплоте сгорания. Кроме того, топливные свойства мусора сильно изменяются в течение года. Средняя теплота сгорания достигает максимума зимой и минимума летом. Наибольшее влияние на этот показатель оказывает содержание влаги. Средняя теплота сгорания мусора составляет около 6300 кДж/кг.

При сжигании мусора расходуется большое количество кислорода воздуха, которое значительно увеличивается при повышении в мусоре доли пластмасс. Даже сложное и дорогостоящее очистное оборудование, применяемое на мусоросжигательных заводах, не исключает опасности загрязнения атмосферы вредными выбросами.

От сжигания мусора образуется остаток в виде шлака, масса которого составляет 15 - 25 % исходного мусора. Таким образом, значительная часть мусора остаётся не уничтоженной и вывозится на обычные свалки. Шлак от сжигания мусора содержит растворимые в воде минеральные и органические вещества, которые загрязняют почвы и грунтовые воды.

Существует ряд конструкций топок для сжигания мусора. Вне зависимости от конструкции топка должна обеспечивать:

хорошее перемешивание частей мусора для усреднения состава и выравнивания процесса горения;

перемещение составляющих мусора и его отдельных порций для обеспечения процесса воспламенения доступа воздуха в слой;

поддержание достаточно высоких температур, гарантирующих воспламенение и устойчивое горение мусора;

дожигание газообразных и твёрдых продуктов неполного сгорания мусора.

Мусоросжигание применяется в основном в следующих случаях: при содержании в бытовых отходах менее 30 % активного органического вещества (например, остаток разделения мусора при компостировании), при отсутствии гарантированных потребителей компоста, в условиях повышенных санитарных требований к обезвреживанию отходов. Также в крупных городах строят мусоросжигательные заводы в центре города и при этом выигрывают на транспорте отходов и на экономии земляных ресурсов. Но в данном случае очень большие затраты ложаться на долю очистных сооружений.

Также развивается направление маленьких мусоросжигательных установок, которые могут устанавливаться как в квартирах, так и на целые дома. Основная же проблема в данном случае опять таки состоит в очистке дымовых газов, а также в контроле за этим. Большое развитие это направление получило в Австралии и Новой Зеландии.

1.4. Анализ технологической схемы утилизации ТБО осуществлённой на Минском ОЗПБО

В 1978 году был построен Минский опытный завод по переработке бытовых отходов (МОЗПБО) и в 1986 году он был реконструирован и расширен. При этом в качестве основного объекта-аналога был принят действующий в г. Санкт-Петербурге опытный завод механизированной переработки бытовых отходов. Основными производственными процессами которого являются биотермическая переработка ТБО и сжигание некомпостируемых бытовых отходов (НБО).

За основу принят технологический процесс с биотермической переработкой ТБО в биобарабанах КМ 102А (4*60) совместно с механически обезвоженным ОСВ Минской станции аэрации, с сепарацией чёрных и цветных металлов, стекла и полиэтиленовой плёнки, а также со сжиганием некомпостируемых частей и частичным сжиганием исходных бытовых отходов для получения тепла в виде пара.

Технологическая схема утилизации твёрдых бытовых отходов на Минском опытном заводе по переработке бытовых отходов представлена на чертеже 1.

Мусоровозы въезжая на разгрузочную эстакаду выгружают отходы в приёмный бункер ТБО. На заводе имеется два приёмных бункера с пластинчатым питателем и один бункер для резервирования, из которого отходы переносятся в приёмный бункер грейферным мостовым краном. С пластинчатого питателя отходы попадают на ленточный конвейер, по которому загружаются в биобарабан. Для каждого конвейера установлено 2 биобарабана, которые загружаются по очереди.

После загрузки барабан начинает вращаться. Отходы находятся в биобарабане около 2 суток. При этом происходит их обезвреживание за счёт саморазогревания, так как происходит аэробный процесс разложения отходов. Температура отходов поднимается примерно до 50 60 С. Кроме того, в течении этого времени компостная масса истирается и измельчается.

Далее после выхода компостной массы из биобарабана, она по ленточному конвейеру попадает на грохот, где разделяется по фракционному составу. Мелкая фракция в которую попадают измельчённые пищевые продукты и бумага, мелкие отходы, измельчённое стекло и т.д. идёт на металлический сепаратор, далее на сепаратор для стекла, после чего дополнительно дробиться и складируется на полях дозревания компоста.

Крупная фракция, состоящая, в основном, из пластика, полиэтилена, ветоши, металлических предметов и прочих неорганических отходов попадают в приёмный бункер мусоросжигательной установке, куда добавляются ещё и свежие бытовые отходы. Из бункера грейферным краном отходы транспортируются в чешские котлы ЧКД Дукла, где и сжигаются.. Остающийся шлак подаётся на металлоотделитель, а после этого либо вывозится на свалку, либо используется в дорожном строительстве, как материал для поднятия уровня. Дымовые газы проходят через систему очистки и выбрасываются в атмосферу.

Для защиты окружающего воздуха от загрязнений дымовые газы от мусоросжигательных установок подлежат очистке. Традиционной схемой очистки дымовых газов от МСУ как у нас, так и за рубежом является очистка на высокоэффективных электростатических фильтрах с расчётным КПД до 99 - 99,5 % по летучей золе и твёрдым фракциям. Температура газов перед фильтрами не должна превышать 300 -350 С. Фильтры устанавливаются индивидуально к каждому котлу.

На сегодняшний день Минский ОЗПБО не работает по полному циклу из-за того что: во-первых из-за тяжёлого экономического положения наших колхозов производимый компост не находит сбыта, а во-вторых МСУ даёт слишком большие выбросы вредных веществ. В настоящее время на заводе ТБО загружаются в биобарабаны, где они обезвреживаются и измельчаются. Затем эта масса разделяется на компостную массу (полупродукт) и НБО. Из них сепарируется металл, а затем эти две фракции вывозятся на свалки и захороняются послойно.

В ближайшем будущем предполагается установки линии прессования ТБО. То есть отходы будут прессоваться в тюки и закапываться в таком виде. При прессовании отходов экологический ущерб окружающей среде растягивается на более долгое время, то есть одновременное воздействие на окружающую среду уменьшается.

Данный завод относиться к заводам ещё первого поколения. И по такой схеме он практически никогда не работал, так как компост получался низкосортный и потребителя на него не находилось, а мусоросжигательная установка давала слишком большие вредные выбросы в атмосферу. В настоящее время он просто разделяет компостную обезвреженную массу после биобарабана на две фракции, пропускает их через железоотделитель и вывозит на свалку, где крупная и мелкая фракция закапываются слоями.

В последнее время по всему миру идёт тенденция к отказу от мусоросжигательных установок. Так как они являются основными источниками диоксинов. А мусоросжигательные заводы по европейским нормам стоят очень дорого. Более 50% от стоимости МСЗ - это очистные сооружения.

Ниже на рис.1.4.1. показаны основные устройства для очистки газов, принятые на современных МСЗ (МСЗ в городе Алкмаар, Нидерланды).

Рис.1.4.1. Схема очистных сооружений на современном МСЗ в Алмааре (Нидерланды).

Условные обозначения:

1. Топка и бойлер.

2. Электростатические фильтры.

3. Распылитель (выпаривание загрязненной воды).

4. Охлаждение и кислая промывка газов (скруббер) 1 стадия.

5. Щелочная промывка газов (скруббер) 2 стадия.

6. Рециркуляция отходящих газов.

7. Нейтрализация, флоккуляция, осаждение.

8. Теплоообменник.

9. Реактор с инжекцией активного угля (кокса).

10. Пылевые фильтры.

11. Регенеративный теплообменник.

12. Разогрев газов.

13. Реактор каталитического дожига окислов азота (существует модификация для одновременного дожига диоксинов).

1.5. Получение биогаза из ТБО

Одним из наиболее перспективным методом утилизации твёрдых бытовых отходов является получение из него биогаза. Получение биогаза основано на том, что после захоронения предварительно уплотнённых отходов начинаются процессы их химико-биологического преобразования, которые можно подразделить на четыре фазы.

Аэробная фаза (продолжительность от нескольких недель до нескольких месяцев). Активизируется деятельность бактерий, потребляющих кислород.

Анаэробная фаза (продолжительность до нескольких месяцев). Активизируется деятельность бактерий, которые могут существовать без доступа или с минимальным количеством кислорода. Происходит изменение физико-химических свойств отходов (например, меняется рН), образуются органические кислоты.

Анаэробная «нестабильная метановая» фаза (продолжительность от нескольких месяцев до года). Активизируется деятельность метан-образующих бактерий. Химический состав отходов стабилизируется.

Анаэробная «стабильная метановая» (продолжительность от нескольких лет до десятилетий). Активизируется деятельность бактерий, разлагающих (без доступа воздуха) органические составные части отходов до метана, двуокиси углерода и воды.

Процесс анаэробного разложения отходов зависит от их состава и протекает с различной скоростью. Процесс газообразования зависит от продолжительности времени. Так, сначала количество образующегося метана резко возрастает, а затем с годами постепенно стабилизируется.

На неорганизованных свалках образующийся газ бесконтрольно поступает в атмосферу. При этом он вытесняет из почвы кислород, нанося значительный ущерб флоре и препятствуя росту растений. Кроме того, свалка становится потенциальным очагом пожароопасности.

В результате биохимических преобразований и разложения отходов до конечных продуктов образуется горючая газовая смесь, состоящая приблизительно из 55 % метана, 40 % двуокиси углерода и 5 % азота. Теплота сгорания этой смеси позволяет использовать ее для отопительных целей.

При разложении 1 т отходов выделяется 200 - 250 м³ биогаза. Разложение отходов начинается под действием кислорода воздуха, однако слои, расположенные на глубине котлована, разлагаются и без доступа кислорода. На глубине около 4 м температура достигает 35...40°С. Температура, необходимая для нормального протекания биохимических процессов, не должна быть ниже +15°С.

Высокий процент содержания в биогазе метана создает возможность применения его в энергетических целях. Образующийся биогаз может направляться в газопроводы подачи на сжигание для обогрева жилых помещений или же после соответствующей переработки использоваться для выработки электрической энергии.

Этот способ ещё хорош и тем что на его осуществление не нужно очень больших капитальных затрат и экологический ущерб от него минимален. Для реализации данного метода требуется только вырыть котлован, изолировать его от почвы, проложить трубопроводы в залежи мусора для выхода биогаза и использовать полученный газ по назначению.

1.6. Переработка ТБО с помощью пиролиза

Австрийские фирмы разработали технологию переработки отходов путем их высокотемпературной газификации (на основе модификации своей запатентованной технологии газификации угля).

Эта технология предусматривает переработку шлама сточных вод из коммунальных очистных сооружений, промышленного шлама. На переработку пойдут отходы: бытовые, синтетических материалов, измельченных волокнистых материалов, а также отходов химической и нефтехимической промышленности -- отработанных масел, жидких остатков переработки сырой нефти, кокса.

Особенностью указанной технологии термической переработки является получение из жидких и твердых отходов чистого газообразного продукта.

При газификации отходов с помощью воздуха, кислорода, водяного пара, двуокиси углерода, водорода и их смесей происходит превращение углерода в окись углерода (СО), двуокись углерода (CO2), водород (Н2), метан (СН4) и более высоководородные соединения (СnНm).

Такие элементы, как азот и сера, содержащиеся в отходах, превращаются (в зависимости от условий газификационного процесса) в аммиак (NН3), цианистый водород (HCN), окиси азота (NOx), сероводород (Н2S) и оксид-сульфид углерода (CSO).

Теплоту, необходимую для эндотермических реакций, получают, как правило, от сжигания части отходов, предназначенных для газификации.

Главными целями газификации являются: переработка отходов в аккумулируемую или неаккумулируемую тепловую энергию, которую можно использовать взамен дорогостоящих угля, нефти, газа. А также сводится к минимуму числа побочных продуктов переработки и выхода веществ, загрязняющих атмосферу.

Газификация отходов осуществляется при низких (менее 1200°С) и высоких (более 1200°С) температурах.

Разработан также технологический процесс высокотемпературной газификации отходов. Процесс проводится в одном реакторе, где происходит газификация в подвижном (кипящем) и неподвижном слоях.

В кипящем слое газифицируются жидкие или пылевидные отходы. Образующийся остаток в виде жидкого шлака непрерывно выводится из реактора.

В неподвижном слое газифицируются кусковые отходы. Возможна газификация отходов совместно с более ценными энергоносителями, такими, как уголь и нефть.

1.7. Вторичная переработка ТБО

Очень перспективным методом переработки твёрдых бытовых отходов являются системы механического отбора и переработки всего, что может быть использовано в промышленности и в сельском хозяйстве. Таким образом, утилизируется примерно 64-74 % мусора от общей его массы.

Возможные подходы к разделению отходов представляют собой спектр решений, заключенных между двумя полюсами: чисто «техническим» и чисто «социальным». Первый полюс - некая идеальная фабрика, на входе которой мы имеем неразобранный поток муниципального мусора, а на выходе - потоки материалов, удовлетворяющих требованиям рынка, и поток, идущий на свалку. Второй - население само разделяет свои отходы, доводит их перерабатываемую часть до рыночной кондиции (моют бутылки, удаляют крышки и т.п.), после чего доставляют эти отходы «куда надо».

Первый путь в чистом виде практически невозможен. Переработка неподготовленного потока ТБО подходит, как метод получения обогащенного топлива для МСЗ, и попутно решает некоторые задачи извлечения вторсырья (например, металлов), но как метод, имеющий основной целью выделение вторсырья из общего потока мусора, она не годится. Практически невозможно, например, отделить пластик от бумаги, бутылочное стекло окажется перемешанным с оконным и т.п. Качество материалов, полученных из общей смеси окажется невысоким. Разумеется, с чисто технической точки зрения можно сколь угодно качественно разделить поток мусора, как с помощью машинных технологий, так и с помощью ручной разборки. Однако такой процесс, естественно, окажется непомерно дорогим, и это сделает всю деятельность экономически бессмысленной. В частности, можно с уверенностью утверждать, что издержки, налагаемые на общество при таком способе разборки смешанного мусора окажутся значительно больше, чем если бы этот мусор разделялся или, точнее, не смешивался бы вовсе с самого начала.

В основном перерабатываются следующие виды отходов:

Стекло обычно перерабатывают путем измельчения и переплавки (желательно, чтобы исходное стекло было одного цвета). Стеклянный бой низкого качаства после измельчения используется в качестве наполнителя для строительных материалов (например, т.н. «глассфальт»). Во многих российских городах существуют предприятия по отмыванию и повторному использованию стеклянной посуды. Такая же, безусловно, положительная практика существует, например, в Дании.

Стальные и алюминиевые банки переплавляются с целью получения соответствующего металла. При этом выплавка алюминия из баночек для прохладительных напитков требует только 5% от энергии, необходимой для изготовления того же количества алюминия из руды, и является одним из наиболее выгодных видов «ресайклинга».

Бумажные отходы различного типа уже многие десятки лет применяют наряду с обычной целлюлозой для изготовления пульпы - сырья для бумаги. Из смешанных или низкокачественных бумажных отходов можно изготовлять туалетную или оберточную бумагу и картон. К сожалению, в России только в небольших масштабах присутствует технология производства высококачественной бумаги из высококачественных отходов (обрезков типографий, использованной бумаги для ксероксов и лазерных принтеров и т.д.). Бумажные отходы могут также использоваться в строительстве для производства теплоизоляционных материалов и в сельском хозяйстве - вместо соломы на фермах.

Переработка пластика в целом - более дорогой и сложный процесс. Из некоторых видов пластика (например, PET - двух- и трехлитровые прозрачные бутылки для прохладительных напитков) можно получать высококачественный пластик тех же свойств, другие (например, ПВХ) после переработки могут быть использованы только как строительные материалы. В России переработка пластика не производится.

Типы пластика и коды для них определены "Обществом пластиковой промышленности" (SPI) и приведены в табл.1.7.1. Коды SPI широко применяются для обозначения типа упаковочного материала. Такая практика является обязательной во многих странах и большинстве штатов США.

Табл.1.7.1.

На Западе широко распространена практика повторной переработки типов 1 и 2; несколько реже перерабатывается тип 4. Переработка остальных типов не практикуется (за исключением отдельных проектов малого масштаба).

Следует учесть, что значительное количество пластиковых упаковок, используемых сегодня, являются анти-экологичными, то есть включают в себя сразу несколько материалов: например, литровые пакеты, в которых продается сок, (т.наз. «асептические пакеты») состоят из фольги, пластика, картона; эластичные бутылки для кетчупа часто производятся из нескольких типов пластика. Такая упаковка практически не поддается вторичной переработке и зачастую не сгорает в мусоросжигательных печах.

Рис.1.7.1. Стоимость переработки вторсырья из муниципальных отходов на Западе

Представленная мной схема на рис.1.7.2. осуществляется на мусороперерабатывающем заводе в Германии. Вначале мусор попадает на грохоты 1 и 2, обеспечивающие его разделение на три фракции по крупности. Фракция по крупности частиц до 20 мм состоит из 60 % золы и песка, 38 % органических частей и около 2 % боя стекла и керамики. Этот мелкий материал в зависимости от содержания органики может поступать на компостирование.

Фракция с размерами частиц от 20 до 40 мм содержит примерно 85 % органических составных частей, а остальное - стекло, керамика, металл и пр. После отделения железа с помощью магнитного сепаратора 3 этот материал представляет собой очень хороший исходный материал для компостирования.

Предварительное отсеивание мелких частей мусора размером до 40 мм создаёт существенные преимущества для обработки крупного материала, так как при этом отделяются малоценные в качестве вторичного сырья компоненты, а также высоковлажные компоненты. Кроме того, благодаря этому на дальнейших этапах процесса при гидросепарации существенна облегчена очистка сточных вод.

Оставшийся материал крупностью более 40 мм при подготовке к дальнейшей сортировке должен быть грубо раздроблен. Грубо раздробленный на дробилке 4 мусор до фракции 100 мм подаётся в воздушный сепаратор 5. Лёгкие материалы из сепаратора можно практически без остатка отделить от воздушного потока в циклоне 6.

Тяжёлый отсепарированный материал падает через шлюзовой затвор в нижнюю часть сепаратора, где под действием сильной струи воздуха проходит дополнительную очистку от увлечённых им материалов, таких как пищевые отходы и загрязнённая, пропитанная водой бумага.

Лёгкие материалы, отделённые сепаратором, состоят примерно на 86 % из бумаги, на 8 % из лёгких пластмасс и на 6 % из текстиля и других лёгких выбросов. В составе лёгких фракций извлекается до 80 % бумаги и свыше 95 % лёгких пластмасс, содержащихся в исходном мусоре.

Тяжёлая фракция, содержащая ценные составляющие металл, стекло, тяжёлые пластмассы, вместе с другими тяжёлыми составляющими выгружается и подаётся для дальнейшей очистки и разделения в мокром классификаторе 9 и 10. Выделенные органические отбросы после механического обезвоживания добавляются к ранее отсеянным мелким фракциям (до 40 мм), поступающим на компостирование.

Из очищенного тяжёлого материала с помощью магнитного сепаратора 11 отделяются металлические части. На последующих ступенях 12 и 13, где осуществляется разделение по плотности, из оставшегося тяжёлого материала отсортировываются цветные металлы и керамика. Оставшаяся относительно чистая смесь стекла разделяется по цвету на оптико-механической установке 14 и 15. По расчётам немецких специалистов производительность такой установки должна быть не менее 30 т/ч.

Но наиболее экономически выгодным способом утилизации бытового мусора является разделения его на составляющие в источнике возникновения. Этот метод в развитых странах используется повсеместно. Для этого на улицах устанавливаются мусорные баки различных цветов: для пластика, для стекла, для бумаги, для металла, для органики и т.д. Зачастую даже стоят различные баки для стекла разного цвета. Намного сложнее с жилыми домами, оборудованными системами мусоропроводов.

Обычно считается, что разделение отходов самим населением и другими «производителями отходов» более приемлемо, чем «технологическое разделение» по следующим причинам:

в этом случае меньше суммарные издержки, налагаемые на общество;

как правило, меньше и издержки, налагаемые на городской бюджет и городские власти; в частности, не требуется значительных затрат на приобретение и эксплуатацию сложных технологий разделения;

в решении проблемы ТБО принимают непосредственное участие те, кто производит отходы - это (а) считается морально правильным и (б) создает стимул для уменьшения количества отходов.

Итак, в идеале отходы должны разделяться, или, точнее, не смешиваться, “у источника” - населением, или сотрудниками учреждений, производящих “коммерческие отходы”. Но никакая программа сбора вторсырья не будет работать «сама собой», без определенных усилий властей. Ниже рассмотрены возможные механизмы участия городских, региональных и национальных властей.

Например, в Нижнем Новгороде уже начали разрабатывать программу по внедрению прогрессивной системы сбора твердых бытовых отходов. Она заключается в раздельном сборе макулатуры, ветоши, пластика, металлов и стекла с их последующей переработкой или захоронением на полигоне. По мнению авторов программы, она позволит в несколько раз сократить пробег машин по уборке мусора (экономия до 200 тыс. долларов в год).

Эта программа уже действует в семи ЖЭКах, на территории которых установлено 80 специальных контейнеров для сортировки макулатуры - на переработку отправлено 15 тонн. В домах, которые оборудованы мусоропроводами, планируется установить пункты сортировки бытовых отходов, которые могут обрабатывать до 3 тонн мусора в сутки. Пока неизвестно как это нововведение отразится на санитарном состоянии подъездов.

Для того, чтобы обработать 120 тысяч тонн бытовых отходов, образующихся в одном из районов города, будет построен мусороперерабатывающий комплекс. Стоимость оборудования для переработки отходов примерно 500 тыс. долларов. Окупаемость комплекса 3-4 года.

Заметим, что эксперимент по раздельному сбору мусора уже проводился в г. Лиде и во Фрунзенском районе Минска. В столице эксперимент не удался. Нельзя сказать, что всему виной была безответственность жильцов. Говорят, что сначала мусор вывозился из домов каждый день, потом все реже и реже, и начавшим задыхаться людям пришлось вернуться к привычным мусоропроводам. Кстати, тогда эксперимент проводился при помощи немцев, а чтобы внедрить раздельный сбор отходов сейчас, нам придется наладить производство специальных контейнеров. Нужны и современные комплексы сан-очистки, обеспечивающие максимальную (до 80%) утилизацию вторичных сырьевых ресурсов (металл, стекло, макулатура, полимеры, текстиль, органика) и полное обезвреживание отходов производства. Главное создать правовую и экономическую базу для этого и заинтересовать народ в этом. А здесь возможна даже экономическая заинтересованность населения, так как вывоз и утилизация ТБО будет окупать сама себя, а возможно даже приносить прибыль и при этом наносить меньший урон окружающей нас окружающей среде. Правда, к сожалению пока почти ничего не делается в этом направлении.

2. Добыча и утилизация свалочного газа (СГ)

Резкий рост потребления в последние десятилетия во всем мире привел к существенному увеличению объемов образования твердых бытовых отходов (ТБО). В настоящее время масса потока ТБО, поступающего ежегодно в биосферу достиг почти геологического масштаба и составляет около 400 млн. тонн в год. Влияние потока ТБО остро сказывается на глобальных геохимических циклах ряда биофильных элементов, в частности органического углерода. Так, масса этого элемента, поступающего в окружающую среду с отходами, составляет примерно 85 млн. тон в год, в то время как общий естественный приток углерода в почвенный покров планеты составляет лишь 41,4 млн. тонн в год.

Одним из основных способов удаления ТБО во всем мире остается захоронение в приповерхностной геологической среде. В этих условиях отходы подвергаются интенсивному биохимическому разложению, которое вызывает в частности генерацию свалочного газа.

Эмиссии СГ, поступающие в природную среду формируют негативные эффекты как локального, так и глобального характера. По этой причине во многих развитых странах мира осуществляются специальные мероприятия по минимизации эмиссии СГ. Это фактически привело к возникновению самостоятельной отрасли мировой индустрии, которая включает добычу и утилизацию СГ. Состояние данной отрасли, перспективы ее развития в России, наиболее распространенные из используемых технологий и ряд других взаимосвязанных вопросов экологического и технико-экономического характера затрагиваются в данной статье.

2.1. Процессы газообразования

Существенная часть фракций ТБО повсеместно представлена различными органическими материалами. Основными группами среди них являются пищевые остатки и бумага. Их соотношение меняется в зависимости от уровня развития страны и ее географического положения и культурных особенностей. Однако в целом доля органических фракций ТБО колеблется по миру не столь значительно, от 56% в развитых странах до 62% - в развивающихся. Если учесть фракции представленные древесными отходами, то эти величины возрастут соответственно до 61% и 69%.

В условиях захоронений, куда поступает практически 80 % общего потока отходов, быстро формируются анаэробные условия, в которых протекает биоконверсия органического вещества (ОВ) с участием метаногенного сообщества микроорганизмов. В результате этого процесса образуется биогаз или, так называемый, свалочный газ (СГ), макрокомпонентами которого являются метан (СН₄) и диоксид углерода (СО₂).

Можно утверждать, что в среднем газогенерация заканчивается в свалочном теле в течение 10-50 лет, при этом удельный выход газа составляет 120-200 куб. м на тонну ТБО. Стехиометрия процесса газообразования может быть описана следующим упрощенным уравнением реакции:

n C₆H₁₀O₅ + n H₂O -------> 3n CH₄ + 3n CO₂

Существенное варьирование газопродуктивности и скорости процесса определяется условиями среды, сложившимися в конкретном свалочном теле. К числу параметров контролирующих биоконверсию относятся влажность, температура, рН, состав органических фракций. Их комплексное влияние отражается в следующем уравнении кинетики реакции газообразования первого порядка:

Q=M*q*e^-kt (2.1.1.)

где

Q - количество биогаза (куб. м), генерированное за время t (годы);

M - масса отходов (т);

q - удельный газовый потенциал (куб. м/т);

k - константа скорости реакции газообразования (1/год).

На практике, для прогноза газообразования применяют различные модификации формулы (2.1.1.). Их основное различие сводится к количеству фракций органического вещества (ОВ) ТБО, включаемых в рассмотрение. Как правило, в составе ОВ выделяют быстро-, средне- и медленно разлагаемые материалы. Они существенно различаются по своим физико- химическим свойствам и сроком биологического распада. Так, например, разложение "быстрых" фракций завершается в течение 2-4 лет, в то время как биоконверсия "медленных" - протекает в течение десятилетий. В зависимости от количества фракций, включаемых в формулу (2.1.1.), прогнозные модели принимают вид одно-, двух- и трехфазных.

Так, долголетние исследования позволили фирме "Геополис" установить, что обобщенная двухфазная модель, использующая константы скоростей реакций оцененные на основании полевых наблюдений, является адекватным средством прогноза образования СГ для условий России и Италии. Кривая реализации удельного газового потенциала ТБО, отражающая данную модель позволяет сделать вывод о том, что наиболее интенсивно процесс протекает в первые 5 лет, за которые выделяется около 50% полного запаса СГ.

Макрокомпонентами СГ являются метан (СН₄) и диоксид углерода (СО₂) их соотношение может меняться от 40-70% до 30-60% соответственно. В существенно меньших концентрациях, на уровне первых процентов присутствуют как правило - азот (N₂), кислород (О₂), водород (Н₂). В качестве микропримесей в состав СГ могут входят десятки различных органических соединений.

Состав биогаза обуславливает ряд его специфических свойств. Прежде всего СГ горюч, его средняя калорийность составляет примерно 5500 Ккал на м³. В определенных концентрациях он токсичен. Конкретные показатели токсичности определяются наличием ряда микропримесей, таких, например как сероводород (Н₂S). Обычно СГ обладает резким неприятным запахом. Также СГ, относится к числу так называемых парниковых газов, что придает ему глобальную значимость и делает его объектом пристального внимания мирового сообщества.

2.2. Масштабы газообразования

Глобальная эмиссия СГ является важным параметром для расчета прогнозных моделей изменения климата Земли в целом. Также на оценках потоков свалочного метана строятся национальные стратегии природоохранной деятельности в некоторых развитых странах. Так, 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 года 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 делался прогноз о том, что в следующем столетии свалки будут основным глобальным источником метана.

В середине девяностых годов оценка глобальной эмиссии свалочного метана проводилась экспертной группой Межправительственной комиссии по изменению климата (IPCC), была получена величина равная 40 млн. т/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 производит Россия. По тем же оценкам IPCC свалки России ежегодно выбрасывают в атмосферу 1,1 млн. т, что составляет примерно 2.5% от планетарного потока.

2.3. Виды негативного влияния СГ

Свободное распространение СГ в окружающей среде вызывает ряд негативных эффектов как локального, так и глобального масштабов, обусловленных его специфическими свойствами.

При накоплении СГ могут формироваться взрыво- пожароопасные условия в зданиях и сооружениях, расположенных вблизи захоронений ТБО. Такие ситуации регулярно возникают в случае нелегального захоронения ТБО в зонах жилой застройки. Например, в Москве, десятки объектов были построены в последнее десятилетие в зонах распространения так называемых насыпных грунтов, которые в большинстве случаев были представлены массами газогенерирующих ТБО. Только разработка специальных защитных мероприятий позволила ввести указанные объекты в строй. Вместе с тем известны случаи взрывов зданий из-за накопления СГ в их техподпольях. Ряд серьезных инцидентов такого рода, сопровождавшихся человеческими жертвами, имел место, в частности, в США и Англии. Частые пожары на полигонах также в основном являются последствием стихийного, бесконтрольного распространения СГ.

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. И наконец как уже отмечалось СГ является парниковым газом, который усиливает эффект изменения климата Земли в целом.

Приведенный перечень негативных явлений, обусловленных СГ, убедительно свидетельствует о необходимости борьбы с его эмиссиями. В большинстве развитых стран существуют специальные законы, обязывающие владельцев полигонов предотвращать стихийное распространение СГ. Основным методом, обеспечивающим решение этой задачи, является технология экстракции и утилизации СГ.

2.4. Технологическая схема экстракции и утилизации СГ

Для экстракции СГ на полигонах обычно используется следующая принципиальная схема: сеть вертикальных газодренажных скважин соединяют линиями газопроводов, в которых компрессорная установка создает разрежение необходимое для транспортировки СГ до места использования. Установки по сбору и утилизации монтируются на специально подготовленной площадке за пределами свалочного тела. Принципиальная технологическая схема системы по сбору СГ приведена на рис.2.4.1.

рис.2.4.1.

Каждая скважина осуществляет дренаж конкретного блока ТБО, условно имеющего форму цилиндра. Устойчивость работы скважины может быть обеспечена, если ее дебит не превышает объема вновь образующегося СГ. Оценка газопродуктивности существующей толщи ТБО проводится в ходе предварительных полевых газо-геохимических исследований.

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, что бы территория полигона ТБО, на которой намечается строительство системы сбора СГ, была рекультивирована, т.е. перекрыта слоем грунта мощностью не менее 30 - 40 см.

Скважины

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. Для проходки скважин используется как обычное буровое оборудование, так и специализированная техника, позволяющая сооружать скважины большого диаметра. При этом, выбор того или иного оборудования обычно обусловлен экономическими причинами.

При бурении скважин в толще отходов в российских условиях, наиболее целесообразным по нашему мнению, является использование шнекового бурения. Оно сравнительно недорого и легко доступно, т.к. широко используется в инженерно-геологических изысканиях. При использовании этого вида бурения максимально возможный диаметр скважин составляет 0.5 м. Однако их строительство в российских условиях встречает ряд трудностей, связанных с присутствием большого количества инородных включений (металлических и бетонных конструкций, остатков техники, механизмов и пр.) в свалочной толще, затрудняющих бурение и приводящих к частой поломке бурового инструмента. Наш опыт показывает, что относительно легко могут быть пробурены скважины диаметром 250 - 300 мм, в тоже время они вполне достаточны для добычи СГ.

Инженерное обустройство скважины включает несколько этапов. На первом - 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 несакционированного доступа к скважине.

Газопроводы для транспортировки СГ

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/час, в сутки образуется около 1 м³ конденсата. Поэтому отвод конденсата с помощью специальных устройств является задачей первостепенной важности, т.к. его наличие в газопроводе может затруднить или сделать невозможной экстракцию СГ.

На первом этапе проектирования газопроводов проводится их гидравлический расчет с целью выбора оптимального диаметра труб на различных участках.

При выборе материалов для газопроводов обычно рассматривают два варианта: использование пластиковых или стальных труб. Их сравнительный анализ проводится по следующим критериям:

механическая прочность;

коррозионная стойкость;

возможность использования в просадочных грунтах.

Основное преимущество стальных труб обусловлено механической прочностью и их повсеместным использованием при строительстве газопроводов в России. Пластиковые трубы характеризуются высокой коррозионной стойкостью и пластичностью. Учитывая высокую просадочную способность ТБО и высокую коррозионную активность СГ, для прокладки газопровода рекомендуется использовать пластиковые трубы из полиэтилена низкого давления (ПНД). Полиэтиленовые газопроводы обладают рядом преимуществ по сравнению с металлическими: они гораздо легче, обладают достаточной прочностью, эластичностью и коррозийной стойкостью, хорошо свариваются. Газопроводы не требуют электрохимической защиты. Производительность труда при строительстве полиэтиленовых газопроводов в 2,5 раза выше. При приемке в эксплуатацию полиэтиленовых газопроводов требуется исполнительная документация согласно СНиП 2.04.08-87 и СНиП 3.05.02-88.

При отсутствии полиэтиленовых могут быть применены стальные трубы. В связи с повышенной агрессивностью среды свалочной толщи, при их использовании газопровод должен быть изолирован защитными покрытиями усиленного типа в соответствии с действующими техническими нормативами: битумно-полимерными, битумно-минеральными, полимерными (по ГОСТ 15836-79)

Газопровод прокладывается в траншеях, пройденных на глубине предотвращающей промерзание труб в зимнее время. При прокладке линий газопровода с целью предотвращения скопления конденсата необходимо соблюдать определенные уклоны, а также устанавливать конденсатоотводчики, обеспечивающие удаление влаги из системы.

Конденсатоотводчик представляет собой стальной сварной резервуар для стока конденсата с системой гидрозатвора, обеспечивающие минимальные трудозатраты по поддержанию их в рабочем состоянии.

Для регулирования работы газопровода используется запорная арматура из материалов коррозионностойких к биогазу - краны, задвижки и заслонки. Запорная арматура должна обеспечить надежность, оперативность и безопасность при управлении работой газопровода с минимальными гидравлическими потерями.

По системе трубопроводов СГ поступает на пункт сбора СГ.

Пункт сбора СГ

Газосборный пункт предназначен для принудительного извлечения СГ из свалочной толщи. Для этого с помощью специального электровентилятора в системе газопроводов создается небольшое разряжение (около 100 мбар).

Утилизация СГ

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 не 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 СГ. Такое положение сдерживает широкое распространение технологии в России. В сложившихся условиях использование СГ для удовлетворения нужд полигона ТБО или локального потребителя является наиболее реалистичным.

2.5. Масштабы мировой экстракции СГ

В заметных объемах биогаз добывается и утилизируется в ряде развитых западных стран. К их числу относятся США, Германия, Великобритания, Нидерланды, Франция, Италия, Дания. Объемы годовой газодобычи представлены в табл.2.5.1. из которой следует, что глобальная утилизация СГ составляет примерно 1,2 млрд. куб. м в год, что эквивалентно 429 тыс. тонн метана или 1% его глобальной эмиссии. Таким образом, объем извлекаемого газа ничтожен по сравнению с объемом его образования. Это открывает широкие возможности для развития биогаза как отрасли в целом.

Табл.2.5.1.

2.6. Перспективы добычи и утилизации СГ в России

Для оценки перспектив тиражирования технологии в России проводили специальные технико-экономические расчеты возможных типовых объектов по добыче и утилизации СГ. В качестве исходных данных использовали результаты пилотных проектов, выполненных фирмой "Геополис" в Московском регионе. Один из проектов, проводившийся на территории города Серпухова подробно описан в предыдущем разделе статьи. Срок жизни типового объекта принимали равным 10 годам. Важно подчеркнуть, что при расчете доходов от добычи газа и производства электроэнергии использовались цены ниже существующих сегодня на рынке энергоресурсов, а именно: 180 руб. за 1м3 СГ и 250 руб. за 1 кВт/ч электроэнергии. Эти цифры были получены на основании опроса потенциальных потребителей энергии из СГ. Рассматривали два варианта технологических схем утилизации газа. Первая включала - производство электроэнергии, вторая - подачу сырого СГ потребителю. Полученные результаты расчетов в табл.2.6.1. и табл.2.6.2. позволяют констатировать, что: объекты по производству электроэнергии требуют больших инвестиций и являются более прибыльными по абсолютным показателям; с ростом массы свалочного тела фактически пропорционально растут все технико-экономические показатели объектов; все рассмотренные варианты экономически эффективны. Однако необходимо отметить, что выполненные расчеты имеют ряд существенных ограничений. Они не учитывают налогообложения и процесса инфляции. Вероятно их ввод в расчетные алгоритмы существенно понизит величины ожидаемых прибылей.

Табл.2.6.1.

Технико-экономические показатели типовых объектов по производству электроэнергии из СГ.

* - прибыль рассчитана без учета налогов и коэффициента дисконтирования

Тем не менее, принимая во внимание, что оценки выполнены для условий жесткой конкуренции, когда энергия из СГ продается по более низким ценам, чем традиционная, можно сделать вывод о целесообразности тиражирования технологии в России. Безусловно этот процесс должен стимулироваться созданием наиболее благоприятных финансово-правовых условий, так как он выражается не только и столько в экономических, сколько в экологических эффектах, которые не нашли числового выражения в данной статье.

Таблица 2.6.2.

Технико-экономические показатели типовых объектов по добыче СГ.

* - прибыль рассчитана без учета налогов и коэффициента дисконтирования

Для оценки потенциала российской отрасли индустрии по добыче и утилизации СГ проводили предварительную классификацию существующих российских свалок табл.2.6.3. На ее основании можно сделать вывод о наличии по крайней мере нескольких сотен объектов, пригодных для осуществления экономически жизнеспособных СГ проектов. Таким образом, имеющийся потенциал огромен.

Таблица 2.6.3. Классификация свалок РФ.

2.7. Пилотный проект по экстракции и утилизации СГ на полигонах Московской области (МО)

Проект "Санитарное захоронение с рекуперацией энергии на территории Московской области" был начат в январе 1994 года и продолжался в течение двух с половиной лет.

Одной из целей проекта являлась демонстрация в России возможностей биогазовой технологии - одного из элементов санитарного захоронения отходов на полигонах ТБО широко используемого в мировой практике.

Биогаз - это конечный продукт микробиологического разложения определенных фракций отходов, захороненных на полигоне. К ним относятся: растительные и животные остатки, бумага и древесина. Скорости, с которой эти материалы подвергаются биоинверсии существенно различны и зависят не только от вида отходов, но и от физико-химических условий в свалочном теле (влажности, температуры, pH и т.д.)

Биогаз горюч, он состоит на 50 - 60% из метана и на 40 - 50% из двуокиси углерода, его теплотворная способность примерно в два раза ниже, чем у природного газа и составляет около 4500 - 5000 Ккал/м3.

Количество биогаза, которое можно собрать и утилизировать на полигоне ТБО прямо пропорционально массе свалочного тела.

В качестве объектов для демонстрации возможностей биогазовой технологии были выбраны два типичных полигона Московской области (МО): полигон "Дашковка" в Серпуховском районе МО и полигон "Каргашино" в Мытищинском районе МО.

На них был проведен комплекс подготовительных работ включавший:

полевые газогеохимические исследования с целью определения продуктивности свалочной толщи;

разведочное бурение с целью определения мощности свалочного тела и его параметризации;

топографическая съемка масштаба 1:500.

В результате были оценены биогазовые потенциалы исследованных объектов, определены скорости образования биогаза, а также и возможные объемы газодобычи. На основании полученных данных последний параметр был рассчитан для типичного полигона МО (площадь 5 - 7 га; средняя мощность отходов 10 - 12 м). Как следует из рис.2.7.1., обычно на полигоне МО в период эксплуатации образуется до 600 - 800 м3 биогаза в час, при этом порядка 50% этого объема может быть использовано в качестве альтернативного источника энергии.

рис.2.7.1. Объём образования и добычи биогаза

На пилотных полигонах ТБО МО был выбран вариант утилизации биогаза в форме производства электроэнергии. Для этого на их территориях были построены системы газодобычи, включающие скважины и газопроводы и компрессорные станции, обеспечивающие подачу газа к мотор-генераторам, находящимся в непосредственной близости от полигонов ТБО. В проекте было использовано компрессорное оборудование и установки по производству электроэнергии, поставленные голландской фирмой Гронтмай в рамках технической помощи Администрации МО.

В 1995 г. началась эксплуатация первой биогазовой установки, позволившая собрать детальную информацию о площади сбора биогаза единичной скважиной, об эффективности перекрытия ТБО грунтовым экраном, о режимах добычи биогаза в различных погодных условиях.

В настоящее время обе установки (Серпухов, Мытищи) функционируют в опытно-промышленном режиме, вырабатывая по 80 кВт/ч электроэнергии каждая. Их опыт эксплуатации показал, что в российских условиях из 1 м³ биогаза может быть произведено 1.3 - 1.5 кВт электроэнергии. Это означает, что при полном использовании запасов биогаза на полигонах, может быть произведено от 260 до 300 кВт электроэнергии в час, что соответствует производству около 2500 МВт электроэнергии в год.

При существующих в настоящее время ценах на электроэнергию потенциальный доход от эксплуатации одной биогазовой установки на типичном полигоне МО может составить около 1,2 млрд. руб. Однако, современная финансовая ситуация и практика монопольного распределения электроэнергии заставляют сомневаться в возможности отыскания платежеспособного потребителя на указанные объемы электричества. Поэтому в сложившихся условиях целесообразно использовать произведенную электроэнергию частично для собственных нужд предприятия эксплуатирующего полигон ТБО, а частично для производства энергоемкой продукции хозспособом (например, производства рассады цветов или овощей в теплицах), что дает возможность снизить ее себестоимость и сделать конкурентоспособной в условиях рынка.

Полученный в ходе выполнения данного Проекта опыт может быть использован при дальнейшем внедрении и тиражировании данной технологии на существующих и будущих полигонах в России.

3. Технико-экономическое сопоставление вариантов энергоснабжения

Анализ исходных данных показывает, что для энергоснабжения данного промышленного предприятия возможно использовать несколько вариантов схем энергоснабжения. Но наиболее экономически выгодный определяется на основе технико-экономического сопоставления нескольких вариантов.

Проведем технико-экономическое сопоставление трех вариантов энергоснабжения, схемы которых приведены на рис.3.1.

Первая схема предусматривает получение тепловой энергии от котельной на природном газе, а электрической энергии и углекислого газа, необходимого для производственных целей, от внешних источников. Основным топливом является природный газ, а резервным - котельно-печное топливо.

Второй вариант схемы энергоснабжения предусматривает получение тепловой энергии котельной на обогащённом биогазе, углекислого газа от системы обогащения биогаза и от системы утилизации дымовых газов, а электрической энергии от внешних источников. Основным топливом является обогащённый биогаз, а резервным - природный газ.

Третий вариант схемы, предусматривает получение тепловой и электрической энергии от минитеплоэлектроцентрали, а углекислого газа от системы обогащения биогаза и от системы утилизации дымовых газов. Основное топливо - обогащённый биогаз, резервное - природный газ.

Для проведения технико-экономического сопоставления этих трех вариантов найдем сумму приведенных затрат капитальных вложений для каждого варианта, включая в том числе работу на основном и резервном топливе.

Используя литературу [12], найдем предварительные значения необходимых исходных данных для технико-экономического сопоставления, которые приведены в табл.3.1.

Таблица 3.1.

Исходные данные к технико-экономическому сопоставлению.

Капитальные затраты определяются по формуле:

З = Е_н?К + S, (3.1)

где К и S - капиталовложения и издержки, $;

Е_н - нормативный коэффициент, Е_н = 0,15.

Капиталовложения определяются по формуле:

К = К_пр + К_стр, (3.2)

где К_пр - стоимость основных производственных фондов, $;

К_стр - капиталовложения в здания и строительно-монтажные работы, $.

Так как основными статьями затрат являются затраты на энергетические ресурсы, то остальными сосотавляющими суммарных затарат можно в предварительнои расчеты пренебречь. Издержки или затраты энергетических ресурсов определим по формуле:

S = S_ээ + kS_т + S_угл. , (3.3)

где S_ээ - расходы на электроэнергию;

S_т - расходы на топливо;

S_угл - расходы на углекислый газ;

k - коэффициент использования топлива, k = 1,21,3.

Расход на электроэнергию определяются по двухставочному тарифу:

, (3.4)

где N^max - заявленная промышленным предприятием мощность в часы максимума нагрузки энергосистемы, кВт;

a - плата за 1 кВт заявленной мощности, a = 44 $/кВт;

b - плата за 1 кВт?ч расходуемой электроэнергии, b =0,034 $/кВт?ч;

Э_? - расход электроэнергии на предприятии.

, (3.5)

где h_max - число часов использования максимума нагрузки, часы;

K_с - коэффициент спроса, принимаем К_с = 0,7.

Топливная составляющая себестоимости:

, (3.6)

где В_год - годовой расход топлива, кг;

Ц_т^пр - оптовая цена топлива по прейскуранту, руб./кг.

Расходы на углекислый газ определяются по формуле:

, (3.7)

где G_угл^год - годовой расход углекислого газа на производстве, кг;

Ц_угл^пр - оптовая цена углекислого газа по прейскуранту, $/кг.

Для первого варианта имеем:

млн.кВтч.

S_ээ = 70044+ 510⁶0,034 = 200 тыс. $,

S_т¹ = 1000145 =145 тыс. $ (при работе на основном топливе),

S_т² = 1000240 =240 тыс. $ (при работе на резервном топливе),

S_угл = 2500150 = 375 тыс. $,

S¹ = 200 + 1451,2 + 375 = 749 тыс. $,

S² = 200 + 2401,2 + 375 = 863 тыс. $,

З¹ = 0,1560 + 749 = 758 тыс. $,

З² = 0,1560 + 863 = 872 тыс. $.

Для второго варианта имеем:

S_т¹ = 1000125 =125 тыс. $ (при работе на основном топливе),

S_т² = 1000145 =145 тыс. $ (при работе на резервном топливе),

S_ээ = 70044+ 510⁶0,034 = 200 тыс. $,

S_угл = 2000150 = 300 тыс. $,

S¹ = 200 + 1251,2 = 350 тыс. $,

S² = 200 + 1451,2 +300= 674 тыс. $,

З¹ = 0,15120 + 350 = 368 тыс. $,

З² = 0,15120 + 674 = 692 тыс. $.

Для третьего варианта имеем:

S_т¹ = 1050125 = 131 тыс. $ (при работе на основном топливе),

S_т² = 1050145 = 152 тыс. $ (при работе на резервном топливе),

S_угл = 2000150 = 300 тыс. $,

S¹ = 1311,3 = 170 тыс. $,

S² = 1521,3 +300= 498 тыс. $,

З¹ = 0,15160 + 170 = 194 тыс. $,

З² = 0,15160 + 498 = 522 тыс. $.

Как видно из приведенных расчетов, наиболее экономически выгодными являются третий вариант. Поэтому именно этот вариант взят за основу создания теплоэнергетической системы промышленного предприятия и рассматривается в дальнейшем.

Найдем срок окупаемости дополнительных капитальных вложений для строительства углекислотных станций (вариант 1 и вариант 2):

, (3.8)

где К₁ и S₁ - капиталовложения и издержки по варианту 1;

К₂ и S₂ - капиталовложения и издержки по варианту 2;

года.

Определим коэффициент экономической эффективности дополнительных капитальных вложений:

. (3.9)

Так как Е_р > Е_н = 0,15, то осуществление дополнительных капитальных вложений в строительство углекислотной станции является целесообразным ( Е_н - нормативный коэффициент ).

Найдем срок окупаемости дополнительных капитальных вложений для строительства МиниТЭЦ при работе на основном топливе (вариант 2 и вариант 3):

, (3.8)

где К₂ и S₂ - капиталовложения и издержки по варианту 2;

К₃ и S₃ - капиталовложения и издержки по варианту 3;

года.

Определим коэффициент экономической эффективности дополнительных капитальных вложений:

. (3.9)

Так как Е_р > Е_н = 0,15, то осуществление дополнительных капитальных вложений в строительство МиниТЭЦ является целесообразным.

4. Синтез технологической схемы источника энергоснабжения

Основным элементом предложенной технологической схемы источника энергоснабжения является дизельный двигатель внутреннего сгорания.

В основе работы двигателя Дизеля лежат физико-химические процессы преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в механическую работу.

Двигатель работает по циклу с подводом теплоты при постоянном давлении. Сжатие воздуха и топлива производится раздельно: воздух сжимается в цилиндре двигателя, а топливо в насосе. Такое проведение процесса позволяет получить высокие степени сжатия и исключает преждевременные вспышки смеси.

Работа цикла Дизеля в v, p - координатах изображена на рис.4.1.

Схематическая работа двигателя происходит так: в цилиндр из окружающей среды забирается воздух при первом ходе поршня. При втором ходе поршня производится адиабатное сжатие воздуха до высоких степеней сжатия (порядка 12-20). Давление воздуха достигает 3,5-3,6 МПа, а температура возрастает до 600-800 ^оС.

При достижении максимального сжатия через форсунку в цилиндр подается топливо. Так как температура воздуха в цилиндре выше температуры воспламенения топлива, то оно воспламеняется и горит при постоянном давлении в период работы форсунки. Далее впрыскивание топлива прекращается и дальнейшее движение поршня осуществляется в результате адиабатного расширения продуктов сгорания. При заключительном обратном ходе поршня продукты сгорания выталкиваются им в окружающую среду. После этого процессы вновь протекают в описанной выше последовательности.

Таким образом, весь цикл совершается в четыре такта. Этот цикл можно заменить идеальным, состоящим из адиабатического сжатия газа, изобарического подвода к газу теплоты, адиабатического расширения газа и изохорного отвода теплоты от газа.

Пуск двигателя производится воздухом давлением 2,5-3 МПа. Пуск осуществляется при положении поршня, соответствующему началу такта расширения. В этот момент в цилиндр через специальный пусковой клапан поступает сжатый воздух. Под его давлением поршень движется вниз, вращая коленчатый вал. В период пуска воздух поступает последовательно во все цилиндры в порядке их работы.

Рис.4.1. Изображение в системе v-p цикла идеального дизельного двигателя.

1-2 - адиабатное сжатие воздуха, в результате которого повышается его давление и температура;

2-3 - подвод теплоты при постоянном давлении, при котором увеличиваются объем и температура воздуха;

3-4 - адиабатное расширение газа, в результате которого совершается механическая работа;

4-1 - отвод теплоты при постоянном объеме (v=const);

q₁ - подводимая теплота в изобарном процессе 2-3;

q₂ -отводимая теплота в изохорном процессе 4-1.

После подачи воздуха производится подача топлива к двигателю. Топливом является биогаз, природный газ или дизельное топливо. Топливо подается посредством топливоподающей системы, которая включает в себя топливопроводы, топливные насосы высокого давления, форсунки, систему фильтров. После фильтрации топливо поступает в приемный сосуд, из которого подводится к топливному насосу высокого давления. Топливный насос подает топливо через форсунки в цилиндр двигателя. Топливный насос высокого давления создает высокое давление в пределах 50-150 МПа, точно дозирует подачу топлива и регулирует ее при изменении режима работы двигателя, производит подачу топлива в цилиндр в заданный момент времени. Для сбора утечек топлива из насоса и форсунок предусмотрен дренаж.

Для отвода теплоты от деталей двигателя служит система охлаждения. В качестве охлаждающей жидкости используется вода, циркулирующая по замкнутому контуру. После выхода из двигателя вода поступает в водо-водяной теплообменный аппарат для охлаждения. В данной технологической схеме предложен для установки теплообменный аппарат матричного типа. В нем охлаждающая вода отдает некоторое количество теплоты сетевой воде, которая поступает из сетевых подогревателей системы отопления и горячего водоснабжения. Затем посредством водяного насоса охлаждающая вода вновь поступает в двигатель, а сетевая вода для дальнейшего нагрева направляется в газо-водяной теплообменник. Температура охлаждающей воды на входе в двигатель - 85^оС; на выходе из двигателя - 90^оС.

В данной работе под сетевой водой понимается вода промежуточного контура теплоэлектрогенерирующей установки, а сетевой подогреватель моделирует теплообменники теплового пункта системы теплоснабжения предприятия.

Для уменьшения работы трения, повышения износоустойчивости трущихся деталей и для охлаждения применяется система смазки. Для смазки рамовых, шатунных подшипников, подшипников распределительного вала и приводных вспомогательных агрегатов применяют принудительную циркуляционную систему смазки под давлением 0,15-0,6 МПа. Масло от двигателя с температурой 90 ^оС поступает через фильтр в водо-масляной теплообменный аппарат, где охлаждается сетевой водой до температуры 85^оС и через масляный насос вновь поступает в двигатель. Для установки предложен также теплообменный аппарат матричного типа. Обратная вода для дальнейшего нагрева направляется в газо-водяной теплообменник.

Для преобразования механической работы двигателя в электрическую энергию в схеме предлагается установить синхронный электрический генератор. В генераторе применяется статические системы возбуждения и регулирования напряжения. Генератор имеет также и характерную конструктивную особенность: корпус его соединяется с первичным двигателем в единый моноблок с помощью фланца. Сочленение валов первичного двигателя и генератора применяется с помощью муфт (без редуктора).

Потери теплоты с уходящими газами в двигателе составляют 20-40 %. Поэтому остро стоит вопрос об утилизации этой теплоты. Для решения данного вопроса в рассматриваемой схеме предлагается установить газо-водяной кожухотрубный теплообменник. В нем уходящие из двигателя дымовые газы нагревают сетевую воду, которая поступает в него из водо-водяного и водо-масляного теплообменников. При этом дымовые газы на выходе из теплообменника имеют температуру 150 ^оС, а вода нагревается до температуры 90^оС и направляется в сетевой подогреватель. В подогревателе вода отдает теплоту и охлаждается, а затем поступает в насос промежуточного контура, который обеспечивает циркуляцию в замкнутом контуре.

С помощью вышеизложенных мероприятий по использованию теплоты уходящих из дизельного двигателя дымовых газов до конца проблема утилизации их теплоты не решается. Также стоит проблема очистки дымовых газов от пыли, золы, смолы без чего невозможна дальнейшая абсорбция из дымовых газов CO₂, что решает важную задачу снабжения углекислым газом производство и уменьшения выбросов углекислого газа в атмосферу. Образующийся при абсорбции высококонцентрированный газ может быть использован на различные производственные нужды.

Для решения двух упомянутых проблем за газо-водяным предлагается установить скруббер. В нем с одной стороны дымовые газы охлаждаются от температуры 150 ^oС до температуры 40 ^oС, а с другой стороны вода нагревается от температуры 35 ^oС до температуры 45 ^oС. Одновременно в скруббере происходит процесс конденсации части водяного пара, находящегося в составе дымовых газов, что дает еще некоторое количество теплоты. Уходящие дымовые газы предлагается направить в абсорбер с целью поглощения из них углекислого газа.

Дымовые газы сперва направляются в компрессор, где сжимаются, а затем поступают в абсорбер. В абсорбер подается и абсорбент (вода) так же под давлением. Насыщенный углекислым газом абсорбент поступает в турбину, находящуюся на одном валу с насосом. Тем самым производится регенерация энергии, затраченной на сжатие воды и газа. Окончательное снижение давление абсорбента происходит в дросселе. После чего он поступает в сепаратор, где происходит разделение абсорбента и диоксида углерода. В дальнейшем производится только осушка СО₂ до влажности, соответствующей требованиям потребителя. Тот же принцип мы используем и для обогащения биогаза.

В результате процессов, происходящих в скруббере, имеем воду с температурой 45^oС, которая является так называемым низкопотенциальным источником теплоты. В том случае, когда температура располагаемого источника теплоты вторичных энергоресурсов низка и поэтому недостаточна для полезного использования в системе теплоснабжения, температурный уровень этой теплоты можно искусственно повысить с помощью термотрансформатора - теплового насоса, затратив на это какую-либо энергию (электрическую, механическую, тепловую).

Процессы, происходящие в тепловом насосе, идентичны процессам в холодильной машине, но с той лишь разницей, что назначением первого является повышение температуры, тогда как вторая служит для понижения температуры теплоносителя. В испаритель теплового насоса подводится располагаемая теплота низкого потенциала, т.е. вода с температурой 45 ^oС. Эта вода передает теплоту рабочему агенту (фреону, аммиаку и др.), кипящему в испарителе, а сама при этом охлаждается до температуры 35 ^oС и с помощью насоса подается снова в скруббер. Пары рабочего агента поступают из испарителя в компрессор, где сжимаются. Сжатые пары поступают в конденсатор, где передают теплоту теплоносителю - воде, которая нагревается в конденсаторе до температуры 90^oС, а сами при этом конденсируются. Затем эта вода поступает в сетевой подогреватель системы отопления и горячего водоснабжения, где смешивается с потоком воды, которая направляется туда же из газо-водяного теплообменника. После сетевого насоса часть воды отбирается из общего потока и направляется снова в конденсатор теплового насоса. Из конденсатора рабочий агент поступает в жидком виде в детандер, где происходит расширение рабочего агента, сопровождающееся снижением его температуры и отдачей работы. Из детандера рабочий агент поступает в испаритель и цикл замыкается. На привод компрессора предлагается использовать электрическую энергию или вырабатываемую электрическим генератором данной технологической схемы, или вырабатываемую другим источником энергии.

Таким образом, суммируя все выше изложенное, мы имеем схему источника энергоснабжения на базе дизельного двигателя внутреннего сгорания, которая включает в себя также скруббер, тепловой насос, а также систему абсорбции диоксида углерода из дымовых газов (рис.4.2).

Данную схему можно разделить на три части: первая - дизельный двигатель, системы его охлаждения и смазки, газо-водяной теплообменник, скруббер, тепловой насос и сетевой подогреватель, вторая - схема абсорбции диоксида углерода из дымовых газов (схема углекислотной станции) и третья - схема абсорбции диоксида углерода из биогаза. На рис.4.2. схема абсорбции диоксида углерода из биогаза не представлена, она будет рассмотрена отдельно.

5. Оптимизация работы установки по обогащению биогаза

5.1. Технологическое описание объекта исследования

В данной главе дипломного проекта мы рассматриваем схему обогащения биогаза, путём очистки его от СО2:

Очищенный газ

Биогаз

Абсорбер

ЭД Водяная турбина

Электроэнергия

СО2

Десорбер

Рис.5.1.1.

В данной схеме биогаз очищается от СО2 путём абсорбции водой под давлением. Абсорбцию ведут под давлением 1,6 - 3 МПа. Вытекающую из абсорбера воду пропускают через водяную турбину, которая используется для приведения во вращение насоса, нагнетающего воду в абсорбер. Благодаря работе водяной турбины возвращается около 40 % затрачиваемой на работу насоса энергии. Остальная энергия получается от электродвигателя, расположенного на одном валу с насосом и турбиной.

После турбины давление воды снижается до атмосферного. Далее вода попадает в десорбер, где СО2 отделяется, а вода опять направляется на абсорбцию.

5.2. Синтез расчётной структуры исследуемого объекта

Рис.5.2.1.

По данному графу составим матрицы:

Структурная матрица

Матрица смежности

Матрица процесса

Матрица контуров

Матрица видов связей

5.3. Составление математической модели

Рассмотрим по отдельности все элементы нашей схемы и составим материальные и тепловые балансы:

I Насос:

;

;

II Эжектор:

;

;

III Абсорбер:

;

;

IV Водяная турбина:

;

;

V Десорбер:

;

;

VI Электродвигатель:

.

Таким образом мы получаем систему из 11 уравнений с 19 переменными:

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

.

Расчёт будем проводить на 1 м3 поступающего биогаза. Проанализируем количество воды, электроэнергии, а также выход очищенного газа и содержание в нём СО2 при изменении давления воды от 1,6 до 3 МПа с шагом 0,1 МПа и при изменении степени очистки от СО2 от 80% до 95% с шагом 1% от содержания СО2 в исходном газе.

Для этого нам понадобятся ещё несколько дополнительных уравнений.

Количество очищенного газа:

;

где - количество исходного газа;

- содержание СО2 в исходном газе;

- степень очистки газа от СО2;

Содержание СО2 в очищенном газе:

;

Количество воды необходимое для очистки биогаза:

;

где а и b - постоянные, зависящие от температуры;

- парциальное давление СО2;

Электроэнергия, необходимая для того, чтобы дополнять энергию возвращаемую турбиной:

.

5.4. Разработка алгоритма и его программной реализации для ПЭВМ для анализа системы:

BEGIN

Ввод

исходных

данных

Расчёт шага по

давлению и

степени очистки

Расчёт объёма

выходящего газа

Расчёт содержания СО2

в выходящем газе

Расчёт необходимого

количества воды

Расчёт необходимой

электроэнергии

I:=I+1;

J:=J+1;

I>NP

J>NZ

Вывод данных

END.

PROGRAM BIOGAS;

5.5. Программа на Pascal

CONST

P1=0.1; {атмосферное давление}

A=0.425;

B=0.0159;

NP=15;

NZ=16;

VAR

P2:ARRAY[1..NP] OF REAL;

Z:ARRAY[1..NZ] OF REAL;

G2:ARRAY[1..NP,1..NZ] OF REAL;

G4:ARRAY[1..NP,1..NZ] OF REAL;

Y4:ARRAY[1..NP,1..NZ] OF REAL;

Q10:ARRAY[1..NP,1..NZ]OF REAL;

G1,P2B,P2E,ZB,ZE,Y1,KPDN,KPDT,KPDED,P6,DP,DZ,G5,P5:REAL;

I,J:INTEGER;

BEGIN

WRITELN(ПРОГРАММА ПОДБОРА ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ УСТАНОВКИ);

WRITELN( ОБОГАЩЕНИЯ БИОГАЗА );

WRITE(Введите объём вводимого в установку газа G1=);

READLN(G1);

WRITE(Введите начальное давление исследуемого промежутка P2B=);

READLN(P2B);

WRITE(Введите конечное давление исследуемого промежутка P2E=);

READLN(P2E);

WRITE(Введите начальный выход газа исследуемого промежутка в долях ZB=);

READLN(ZB);

WRITE(Введите конечный выход газа исследуемого промежутка в долях ZE=);

READLN(ZE);

WRITE(Введите содержание СО2 в исходном биогазе в долях Y1=);

READLN(Y1);

WRITE(Введите КПД насоса в долях KPDN=);

READLN(KPDN);

WRITE(Введите КПД турбины в долях KPDT=);

READLN(KPDT);

WRITE(Введите КПД электродвигателя в долях KPDED=);

READLN(KPDED);

P6:=P1;

DP:=(P2E-P2B)/(NP-1);

P2[1]:=P2B;

FOR I:=2 TO NP DO P2[I]:=P2[I-1]+DP;

DZ:=(ZE-ZB)/(NZ-1);

Z[1]:=ZB;

FOR J:=2 TO NZ DO Z[J]:=Z[J-1]+DZ;

FOR I:=1 TO NP DO

BEGIN

FOR J:=1 TO NZ DO

BEGIN

G2[I,J]:=1.3*124.5*G1*Z[J]/((A-B*P2[I])*P2[I]);

G4[I,J]:=G1-G1*Y1*Z[J];

Y4[I,J]:=(G1*Y1-G1*Y1*Z[J])/(G1-G1*Y1*Z[J]);

G5:=G2[I,J]+G1*Y1*Z[J];

P5:=0.95*P2[I];

Q10[I,J]:=KPDED*((P2[I]-P1)*G2[I,J]*KPDN-(P5-P6)*G5*KPDT);

END;

END;

WRITELN(ТАБЛИЦА ВЫХОДНЫХ ДАННЫХ); WRITELN; WRITELN;

FOR I:=1 TO NP DO

BEGIN

FOR J:=1 TO NZ DO

BEGIN

WRITE(P2[I]:2:1);WRITE( );

WRITE(Z[J]:3:2);WRITE( );

WRITE(G2[I,J]:3:2);WRITE( );

WRITE(G4[I,J]:3:2);WRITE( );

WRITE(Y4[I,J]:3:2);WRITE( );

WRITELN(Q10[I,J]:3:2);

END;

READLN;

END;

READLN;

END.

5.6. Таблица идентификаторов

5.7. Численное исследование и анализ полученных результатов

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Количество исходного газа G1=1м3;

Интервал давлений 1,6 .. 3,0 МПа;

Интервал степеней очистки 80 .. 95 %;

Содержание СО2 в исходном газе 55 %;

КПД насоса 75 %;

КПД турбины 65 %;

КПД электродвигателя 88 %;

КОНСТАНТЫ

Атмосферное давление 0,1 МПа;

Постоянные для константы равновесия:

А=0,425; В=0,0159;

Число разбиений интервала давлений NP=15;

Число разбиений интервала степеней очистки NZ=16;

5.8. Выводные данные

ПРИ ДАВЛЕНИИ ПОСЛЕ НАСОСА 1,6 МПА:

ПРИ ДАВЛЕНИИ ПОСЛЕ НАСОСА 1,7 МПА:

ПРИ ДАВЛЕНИИ ПОСЛЕ НАСОСА 1,8 МПА:

ПРИ ДАВЛЕНИИ ПОСЛЕ НАСОСА 1,9 МПА:

ПРИ ДАВЛЕНИИ ПОСЛЕ НАСОСА 2,0 МПА:

ПРИ ДАВЛЕНИИ ПОСЛЕ НАСОСА 2,1 МПА: