Биогаз, получаемый на полигонах ТБО

Горизонтальные  или наклонные системы состоят  из дренажных перфорированных трубопроводов  диаметром 100-150 мм с отверстиями  диаметром 5 мм или щелями размером 5x20 мм., расположенных на разных уровнях захороненных отходов, и обкладываемых пригодным для дренажа материалом (щебнем, гравием, керамзитом, строительными отходами). На конечном участке они выполнены в виде сплошной трубы и на выходе из покровного слоя полигона или из толщи отходов присоединяются непосредственно к сборному трубопроводу. Горизонтальный дренаж прокладывается на достаточно небольшом по вертикали расстоянии (6-8 м). Расстояние по горизонтали между отдельными дренажными трубами составляет около 30 м. Условный диаметр дренажной трубы принимается равным 250 мм, трубы изготавливаются из температуростойких искусственных-материалов, так как на существующих полигонах значение температуры в толще отходов достигало 70 °С.

Несмотря  на относительно большой диаметр, отдельные  ветви системы через несколько  лет имеют, как правило, весьма ограниченную производительность, так что после  окончательного заполнения соответствующего участка полигона требуется дополнительная дегазация через вертикальные коллекторы.

Газосборные пункты сооружаются у границы  полигона в виде блочных бетонных зданий, при эксплуатации которых  необходимо соблюдать требования по взрывозащите. Альтернативным вариантом является размещение узлов сбора газа на открытой площадке.

 

 

Системы хранения биогаза

 

 

Обычно биогаз выходит из реакторов неравномерно и с малым давлением (не более 5 кПа). Этого давления с учетом гидравлических потерь газотранспортной сети недостаточно для нормальной работы газоиспользующего  оборудования. К тому же пики производства и потребления биогаза не совпадают  по времени. Наиболее простое решение  ликвидации излишка биогаза -сжигание его в факельной установке, однако при этом безвозвратно теряется энергия. Более дорогим, но в конечном итоге экономически оправданным способом выравнивания неравномерности производства и потребления газа является использование газгольдеров различных типов. Условно все газгольдеры можно подразделить на «прямые» и «непрямые». В «прямых» газгольдерах постоянно находится некоторый объем газа, закачиваемого в периоды спада потребления и отбираемого при пиковой нагрузке. «Непрямые» газгольдеры предусматривают аккумулирование не самого газа, а энергии промежуточного теплоносителя (воды или воздуха), нагреваемого продуктами сгорания сжигаемого газа, т.е. происходит накопление тепловой энергии в виде нагретого теплоносителя.

Биогаз в  зависимости от его количества и  направления последующего использования  можно хранить под разным давлением, соответственно и газохранилища  называются газгольдерами низкого (не выше 5 кПа), среднего (от 5 кПа до 0,3 МПа) и высокого (от 0,3 до 1,8 МПа) давления. Газгольдеры низкого давления предназначены  для хранения газа при малоколеблющемся давлении газа и значительно изменяющемся объеме, поэтому их иногда называют газохранилищами постоянного давления и переменного объема (обеспечивается подвижностью конструкций). Газгольдеры среднего и высокого давления, наоборот, устраиваются по принципу неизменного объема, но меняющегося давления. В практике применения биогазовых установок наиболее часто используются газгольдеры низкого давления.

Вместимость газгольдеров высокого давления может  быть различной - от нескольких литров (баллоны) до десятков тысяч кубических метров (стационарные газохранилища). Хранение биогаза в баллонах применяется, как правило, в случае использования  газа в качестве горючего для транспортных средств. Основные преимущества газгольдеров высокого и среднего давления - небольшие  габариты при значительных объемах  хранимого газа и отсутствие движущихся частей, а недостатком является необходимость  в дополнительном оборудовании: компрессорной  установке для создания среднего или высокого давления и регуляторе давления для снижения давления газа перед горелочными устройствами газоиспользующих агрегатов.

 

Состав биогаза

 

 

Состав и  количество биогаза не являются постоянными  и зависят от вида перерабатываемого  субстрата и от технологии производства биогаза. Усредненный состав биогазов в соответствии с приведенной  классификацией представлен в табл. 2.

 

 

Таблица 2

Классификация и состав биогазов [3]

Компоненты  биогаза Содержание компонентов, % об.

БГКОС БГСХП БГТБО

CH4 60-65 55-75 35-80

СО2 16-34 27-44 0-34

N2 0-3 0-3 0-82

О2 - - 0-31,6

Н2 - 0,01-0,02 0-3,6

СО - 0,01-0,02 2,8

H2S - до 1,0 0-70 ррт

 

 

Газ метантенков городских канализационных очистных сооружений характеризуется более стабильным составом. Содержание основного горючего компонента - метана - на разных очистных сооружениях изменяется от 60 до 65 % по объему. Более значительные колебания состава газа наблюдаются при переработке отходов сельскохозяйственного производства, при этом в газе присутствует некоторое довольно значительное количество сероводорода. Поэтому перед использованием требуется очистка газа от H2S.

Процессы  образования первых двух видов биогазов протекают в стационарных устройствах. Технологические параметры процесса (расход и влажность субстрата, температура  брожения, длительность сбраживания) более  или менее управляемы. Иная ситуация наблюдается на полигонах и свалках  отходов, где биологическое разложение слоев мусора происходит с течением времени (пригодный к использованию  биогаз образуется примерно через 10-15 лет), причем процесс газообразования  неуправляем. Для сбора газа бурятся  скважины или газовые колодцы. Конструкция  и способ эксплуатации скважины, содержание влаги в толще отходов оказывают  дополнительное влияние на состав газа. Содержание метана в газе может изменяться в широких пределах (35-80 %). Помимо метана и балластных азота и углекислого газа могут присутствовать сернистые соединения, меркаптаны, галогенсо-держащие соединения, ароматические углеводороды (всего более 100 компанентов).

Из 1 тонны  сухого органического вещества в  результате анаэробной переработки  сельскохозяйственных отходов можно  получить:

из свиного  навоза - 500 мі биогаза (360 т у. т.);

из навоза молочных коров - 350 мі биогаза (250 т у. т.);

из навоза откормочного КРС - 450 мі биогаза (321 т у. т.);

из птичьего помета - 660 мі (428 т у. т.) [3] .

 

 

Подготовка  биогаза к использованию

 

 

Условия получения  биогазов и наличие в их составе  вредных и балластных примесей диктуют  необходимость предварительной  обработки биогаза перед использованием в тепловых установках. Для обеспечения  функциональной и эксплуатационной безопасности, а также безопасной работы персонала газ должен быть предварительно очищен от вредных компонентов. Основные этапы при подготовке газа к использованию:

отделение влаги  и взвешенных частиц;

удаление  сероводорода;

удаление  галогенсодержащих соединений;

удаление  углекислого газа;

сжатие или  сжижение (при использовании в  качестве горючего для транспортных средств).

Биогаз выходит  из биореактора (метантенка) при температуре процесса брожения в водонасыщенном состоянии. До момента использования газ значительно охлаждается, вследствие чего выпадает конденсат, и возникает опасность замерзания в холодный период года. По этой причине биогаз должен быть осушен. Обычно газ от биореакторов по газопроводу поступает в газосборный пункт (ГСП), где устанавливается влагоотделитель. Из влагоотделителя конденсат отводится в сливной бак, откуда по мере наполнения откачивается насосами. При снижении температуры биогаза после ГСП возможна конденсация паров, растворенных в биогазе. Для удаления конденсата по тракту предусматриваются сборники конденсата в нижних точках. Конденсатосборные устройства рассчитываются на максимально возможное количество жидкости.

Наиболее  дешевым способом осушки является метод  охлаждения, когда газ пропускают через влагоотделитель, служащий одновременно для осушки и отделения взвешенных частиц. Осушка методом охлаждения примерно до 10 °С достаточна для распространенных способов использования газа, например, для получения тепла при сжигании и для выработки электроэнергии. При необходимости более глубокой осушки (в случае использования газа в газовых двигателях) применяют адсорбционную осушку (в качестве сорбентов применяют оксид алюминия А12Оз, хлорид кальция СаС12, силикагель) или осушку жидкими поглотителями влаги (этилен- и триэтиленгликоль).

Отделение взвешенных частиц необходимо во всех случаях  с целью предотвращения засорения  арматуры и трубопроводов. Чаще всего  достаточна грубая фильтрация в гравийном  фильтре. Иногда применяют тонкие фильтры  из стекловолокна, но это связано  с повышением затрат.

Содержание  сероводорода в биогазе может  достигать 3 %. Сероводород

совместно с  водяными парами и особенно в комбинации с углекислым газом

оказывает корродирующее  воздействие на металлические поверхности  газооборудования, причем скорость коррозии может достигать 0,5-1 мм в год.

При сжигании биогаза сероводород переходит  в оксиды серы. Они, взаимодействуя с водяным паром, образуют серную и сернистую кислоты, которые  также являются коррозийно-активными. Кроме того, H2S, SO2 и SO3 -высокотоксичные  газы.

Хлор- и фторсодержащие углеводороды приводят к коррозионной опасности вследствие образования соляной и плавиковой кислоты при конденсации продуктов сгорания в агрегате..

Очистка от сероводорода и галогенсодержащих  углеводородов производится на действующих  установках различными способами: адсорбция  на активированном угле или абсорбция  в промывочном растворе.

При адсорбции  биогаз сначала проходит через специально обработанный активированный угололь, где H2S окисляется до серы, которая сорбируется порами угля (0,3 кг серы на 1 кг активированного угля). Водяной пар, содержащийся биогазе, адсорбируется на активированном угле, вследствие чего уменьшается активность угля по отношению к галогенсодержащим углеводородам. Поэтому перед следующим этапом очистки биогаза проводят осушку. Далее газ пропускают через очередную насадку с активированным углем, на которой адсорбируются галогенсодержащие углеводороды.

Другой способ отделения тяжелых и галогенсодержащих  углеводородов -абсорбционная очистка, основанная на разной растворимости компонентов газа в воде или водных растворах различных химических соединений. При этой технологии галогенсодержащие соединения абсорбируются промывочным раствором, состоящим из смеси органических растворителей (вымываются). Достигаемая при этом эффективность очистки от соединений хлора составляет более 95 %.

Наиболее  простым и дешевым способом отделения  СО2 является промывка водой. В абсорбере при избыточном давлении порядка 1 МПа углекислый газ поглощается водой.

Способ мембранного  разделения СН4 и СО2 основан на различной проницаемости компонентов газа через мембрану. Ученые из Института нефтехимического синтеза (ИНХС) РАН предложили сочетать этот способ с абсорбционным методом разделения (рис. 4) Такие установки обеспечивают производительность 50 м3/ ч.

 

 

 

Рис.4. Разделение СН4 и СО2 адсорбционным и мембранным методами [1]

 

 

В транспортных средствах в качестве горючего можно  использовать сжатый или сжиженный  газ. Один кубометр биогаза, сжатый до 2 МПа при температуре 0°С, занимает объем 2,95 дм3 . В пятидесятилитровых баллонах высокого давления при таких условиях можно хранить 17 м3 газа, тогда как при таком же давлении и температуре 40 °С или 50 °С - только 15,5 м3 или 14,5 м3 соответственно [3]. Перед сжатием или сжижением газ практически полностью освобождается от углекислого газа, сероводорода и других примесей.

 

 

Основные  направления и мировые лидеры использования биогаза

 

 

Достаточно  высокое содержание метана в биогазе, а следовательно, и высокая теплота сгорания, предоставляют широкие возможности применения биогаза. При разработке систем по производству и использованию биогаза выбираются оптимальные варианты комплектации установок из множества возможных с учетом многочисленных местных и внешних условий. С точки зрения утилизации энергии биогаза можно выделить следующие основные направления его использования:

для покрытия собственных энергетических нужд БГУ (в наиболее холодный период года практически  весь потенциал биогаза используется для энергообеспечения установки);

в качестве топлива для получения горячей  воды или пара на покрытие технологических  нужд очистных сооружений или сельскохозяйственных производств;

для сушки  сброженного осадка;

в качестве топлива для получения теплого  воздуха или горячих газов  на сушку сельхозпродукции или обогрев  сельскохозяйственных зданий;

в теплицах для отопления и подкормки  растений углекислым газом;

для замены мазута при термической переработки отходов (25 т мазута в сутки заменяется 45000 м3биогаза);

в качестве горючего для двигателей транспортных средств;

для получения  электроэнергии;

для подпитки сетей природного газа.

На метане могут работать как карбюраторные, так и дизельные двигатели, но поскольку метан является высокооктановым  топливом, более эффективно его использование  в дизельных двигателях. Абсолютный объем биогазов, необходимый для  выработки энергии, эквивалентной  полученной при сжигании 1 л бензина, составляет 1,33-1,87 м3 при сжигании 1 л  дизельного топлива - 1,50-2,07 м3 [3].