Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 14
1.1. Экологическая и пожарная опасность полигонов твердых бытовых отходов 14
1.2. Характеристика систем сбора биогаза на полигонах ТБО 17
1.3. Свойства грунтов, влияющие на распределение газа
в теле полигона ТБО 23
1.4. Движение газа в пористой среде и приток к скважине 25
1.5. Истечение газа через отверстия 31
1.6. Движение газа с переменным расходом в трубопроводе постоянного диаметра 33
1.7. Движение двухфазных потоков 35
1.7.1. Особенности процессов движения двухфазных потоков 3 5
1.7.2. Основные характеристики двухфазных потоков 36
1.7.3. Определение потерь давления на трение при движении двухфазных потоков 38
1.7.4. Расчет местных гидравлических сопротивлений при движении двухфазных потоков 43
1.7.5. Движение двухфазного потока «газ - твердые частицы» 46
1.8. Постановка задач исследования 47
1.9. Выводы по первой главе 48
ГЛАВА 2. ОЦЕНКА ФАКТОРОВ , ВЛИЯЮЩИХ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ СИСТЕМ СБОРА БИОГАЗА НА ПОЛИГОНАХ ТБО 50
2.1. Классификация грунтов полигонов ТБО 50
2.2. Определение критических параметров при всасывании биогаза через отверстия 53
2.3. Определение давления газа у всасывающего отверстия газосборной трубы и коэффициента дополнительных фильтрационных сопротивлений 56
2.4. Определение потерь давления на трение при движении влажного биогаза 59
2.5. Определение потерь давления в местных сопротивлениях при движении влажного биогаза 62
2.6. Выводы по второй главе 66
ГЛАВА 3. ПОСТАНОВКА И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПАРАМЕТРОВ ПЕРФОРИРОВАННЫХ ТРУБ И СИСТЕМЫ СБОРА БИОГАЗА НА ПОЛИГОНАХ ТБО 67
3.1. Обоснование экспериментальных исследований 67
3.2. Описание экспериментальной установки для исследования параметров перфорированных труб 69
3.3. Описание экспериментальной установки для исследования параметров системы сбора биогаза на полигонах ТБО 73
3.4. Исследование влияния материала труб на гидравлический режим 75
3.5. Исследование зависимости расхода газа от утла наклона и диаметра перфорированной трубы 76
3.6. Исследование зависимости разрежения от диаметра перфорированной трубы и расстояния до всасывающего отверстия 84
3.7. Исследование зависимости разрежения от угла наклона трубы, диаметров перфорированной трубы и всасывающего отверстия 86
3.8. Исследование зависимости разрежения от диаметров перфорированной трубы и всасывающего отверстия и
расстояния от конца трубы до всасывающего отверстия 89
3.9. Исследование зависимости разрежения от расхода газа и диаметра перфорированной трубы 92
3.10. Исследование зависимости разрежения от расстояния между
трубами и расстояния до всасывающего отверстия 95
3.11. Исследование зависимости разрежения от расположения перфорированных труб относительно коллектора 98
3.12. Исследование зависимости разрежения от соотношения диаметров перфорированной трубы и сборного коллектора 103
3.13. Исследование зависимости разрежения от соотношения длины и диаметра сборного коллектора 106
3.14. Исследование зависимости расхода газа от диаметра перфорированных труб и расстояния между трубами 108
3.15. Выводы по третьей главе 111
ГЛАВА 4 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 112
4.1. Методика определения оптимальных параметров системы сбора биогаза на полигонах ТБО 112
4.2. Система сбора и утилизации биогаза на полигонах ТБО 118
4.3. Экономическая и экологическая эффективность внедрения системы сбора и утилизации биогаза на полигонах ТБО 121
4.4. Выводы по четвертой главе 127
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 128
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 130
ПРИЛОЖЕНИЯ 141
- Экологическая и пожарная опасность полигонов твердых бытовых отходов
- Определение критических параметров при всасывании биогаза через отверстия
- Описание экспериментальной установки для исследования параметров перфорированных труб
Введение к работе
Актуальность проблемы. Захоронение твердых бытовых отходов (ТБО) на специальных полигонах или свалках стало традиционным для России способом размещения отходов. При этом опасность для всех компонентов окружающей среды (человека, воздушного пространства, почвы, растительности и животных) даже на значительных расстояниях от места захоронения сохраняется на долгое время, исчисляемое десятками лет после прекращения захоронения. Основная опасность, исходящая от полигонов ТБО, - загрязнение воздушного бассейна газами, образующимися при биохимических процессах распада складируемых отходов.
Обеспечение экологической безопасности полигонов ТБО возможно путем их правильного обустройства и эксплуатации. Помимо сокращения ущерба, наносимого окружающей природной среде, достигается дополнительная энергетическая выгода от сбора и утилизации метансодержащего газа.
Один из эффективных способов обеспечения экологической безопасности полигонов ТБО - это сбор биогаза с последующим энергетическим использованием его. На практике подтверждено, что потери давления в системах сбора биогаза относительно велики и приводят к неравномерному всасыванию по длине труб, что является причиной нежелательных подсосов воздуха в отдельных отверстиях. С другой стороны, при недостаточном разрежении концевые участки перфорированных труб могут не участвовать в процессе извлечения биогаза.
Таким образом, является актуальным решение задачи создания систем сбора биогаза, работающих с устойчивым гидравлическим режимом на всей площади обслуживаемых полигонов и извлекающих заданный объем биогаза.
Работа выполнялась в рамках подпрограммы «Отходы» Федеральной целевой программы «Экология и природные ресурсы России (2002-2010 годы)»
11 и в соответствии с тематическим планом научно-исследовательской работы Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.
Цель работы - оптимизация параметров систем сбора биогаза в целях обеспечения экологической безопасности на полигонах ТБО и получения экологически чистого газообразного топлива.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
- оценка полигонов ТБО как источников экологической опасности;
- определение физических характеристик процесса сбора биогаза через
перфорированные трубы;
определение потерь давления на трение и в местных сопротивлениях при движении двухфазного потока «биогаз — вода» путем сравнения с потерями давления при движении сухого биогаза;
разработка классификационной системы грунтов полигонов, отражающая зависимость содержания газа в толще полигона от физико-механических свойств грунтов;
экспериментальные исследования влияния параметров перфорированных газосборных труб и системы сбора биогаза на характеристики системы;
разработка методики определения оптимальных параметров системы сбора биогаза;
разработка рекомендаций по определению эколого-экономического эффекта от внедрения систем сбора, транспорта и утилизации биогаза на новых полигонах ТБО.
Основная идея работы состоит в исследовании параметров систем сбора биогаза, влияющих на эффективность процесса извлечения биогаза на полигонах ТБО, в целях получения экологически чистого газообразного топлива и обеспечения экологической безопасности.
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, физическое моделирование, обработку экспериментальных данных методами математической статистики.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована планированием необходимого объема экспериментов, доказана применением классических положений механики газов при моделировании изучаемых процессов, подтверждена удовлетворительной сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований.
Научная новизна работы состоит в том, что:
получены аналитические зависимости, описывающие процесс извлечения биогаза из тела полигона ТБО;
- получены расчетные зависимости для определения потерь давления на
трение и в местных сопротивлениях при движении влажного биогаза путем
сравнения с потерями давления при движении сухого газа;
- получены зависимости, характеризующие процессы истечения и
движения биогаза газа в перфорированных трубах и системе сбора биогаза
ТБО.
Практическое значение работы:
- разработана методика определения оптимальных параметров системы
сбора биогаза, направленная на минимизацию вредного воздействия
проектируемых полигонов ТБО на окружающую среду и получения
экологически чистого газообразного топлива;
- разработан модуль системы сбора биогаза на полигонах ТБО
площадью 1 га;
- разработана классификационная система грунтов полигонов ТБО;
- разработаны рекомендации по определению эколого-экономического
эффекта от внедрения систем сбора, транспорта и утилизации биогаза на
полигонах и свалках ТБО.
Реализация результатов работы:
- рекомендации по снижению экологической опасности полигонов ТБО и
проектированию систем сбора биогаза использованы при эксплуатации
полигона ТБО Ольховского района Волгоградской области;
- рекомендации по определению потерь давления при движении влажного газа применены при проектировании систем газоснабжения в МУП «Котельные и тепловые сети» Администрации Котовского района и при расчете газопроводов в ООО «Волжскийтеплогаз»;
- материалы диссертационной работы использованы кафедрой ТГС
ВолгГАСУ в курсах лекций и в дипломном проектировании при подготовке
инженеров специальности 2907.00 «Теплогазоснабжение и вентиляция».
На защиту выносятся:
- аналитические зависимости, характеризующие процессы сбора и
транспорта биогаза на полигонах ТБО;
экспериментальные зависимости, характеризующие процессы излечения, сбора и транспорта биогаза в системе сбора биогаза и перфорированной газосборной трубе;
классификационная система грунтов полигонов ТБО;
методика определения оптимальных параметров системы сбора биогаза на полигонах ТБО;
модуль системы сбора биогаза на полигонах ТБО.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на III Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций», Волгоград, 2003; VIII Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области «Экология, охрана среды, строительство», Волгоград, 2003; научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВолгГАСА, 2001-2003.
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 8 печатных работах.
Определение критических параметров при всасывании биогаза через отверстия
Россия относится к странам с высоким уровнем урбанизации (73%). В условиях высокоурбанизированных территорий серьезную проблему для окружающей среды представляет существование полигонов твердых бытовых отходов (ТБО), поскольку для их строительства используются пригородные зоны, имеющие земли природоохранного значения и обладающие рекреационными ресурсами. Система обезвреживания ТБО, сложившаяся в России, основана на приоритетном захоронении большинства отходов на полигонах, занимающих более 55 тыс. га [68].
Значение поверхностных полигонов ТБО для окружающей природной среды чрезвычайно велико, поскольку отходы размещаются на полигонах заведомо на длительный срок. Полигоны ТБО даже после их закрытия на протяжении десятилетий являются угрозой для окружающих территорий. Среди факторов такого негативного воздействия можно отметить следующие [68]:
- при отсутствии качественного газонепроницаемого покрытия поверхности полигона биогаз может выходить через поверхность в атмосферу, создавая тем самым опасность токсического воздействия для работающих на полигоне вследствие возможного содержания в газе токсичных примесей. Кроме того, при рекультивации поверхности в случае выхода газа происходит повреждение растительного слоя;
- миграция газа в грунте может привести к попаданию его в подвалы зданий и коллекторы, каналы и шахты подземных коммуникаций не только в пределах самого полигона, но и в жилых массивах, расположенных на достаточном расстоянии от территории полигона. Скопление смесей горючего газа и воздуха может служить причиной взрывоопасной ситуации; - основные компоненты биогаза ТБО, метан и диоксид углерода, относятся к так называемым парниковым газам, которые способствуют в конечном итоге глобальному повышению температуры в мировом масштабе. При этом метан вносит в парниковый эффект второй по величине после углекислого газа 19%-ный вклад и проявляет по сравнению с ним 32-кратное действие в отношении глобального повышения температуры;
- постепенное накопление газа в толще отходов приводит к образованию локальных полостей, которые создают опасность просадки грунта и очагов возгорания в теле свалки при поступлении воздуха извне, особенно в теплое время года.
Особенно остро при эксплуатации полигонов ТБО стоит проблема пожаров и возгораний. Пожары и возгорания возникают при достаточном количестве кислорода в толще полигона, когда помимо окисления органических компонентов происходит окисление неорганических соединений. Биохимическое разложение повышает температуру отходов до 40-70 С, что активизирует процессы химического окисления и ведёт к дальнейшему повышению температуры. Зачастую отток тепла от тела свалки недостаточен, что приводит к самовозгоранию отходов. Горение может происходить как на поверхности (открыто), так и в толще отходов (скрытое, пиролитическое горение). При скрытом горении происходит разогрев поверхностных горизонтов отходов до 155 С [68].
Распространение газа и неприятного запаха происходит на расстояние до 300 - 400 метров. Вызываемые газом свалок нагрузки от запаха обусловлены наличием примесей таких компонентов как сероводород, органические соединения серы (меркаптаны), различные эфиры, алкинбензолы и др. Эти вещества с интенсивным запахом часто в малых количествах оказывают вредное действие на самочувствие жителей близлежащих районов.
При горении ТБО дымовые газы и запах распространяются на расстояние до нескольких километров. Прогнозирование и предупреждение пожаров крайне затруднено, так как трудно определить возможные очаги повышения температур из-за различной удельной теплоёмкости отходов. Пока огонь или дым не вышли на поверхность, обнаружить очаг возгорания визуально практически невозможно. Под толщей отходов выгорают большие пустоты, что приводит к просадкам слоев отходов. Следует учитывать также, что продукты горения высоко токсичны. Задача ликвидации таких очагов сложна и требует больших затрат.
При горении отходов выделяется целый комплекс особо опасных веществ. Поэтому неорганизованное сжигание отходов представляет собой чрезвычайную опасность. Наряду с прямой угрозой человечеству и всему живому на планете, вещества, выделяющиеся при разложении и сгорании ТБО, уменьшают толщину озонового слоя Земли, усиливают "парниковый эффект" и ухудшают экологическую ситуацию в целом. Территории, непосредственно прилегающие к полигонам, подвергаются усиленному воздействию вредных веществ.
В продуктах сгорания отходов опасных металлов в некоторых случаях в тысячи раз больше, чем в "обычном" воздухе. Токсичные металлы выбрасываются в форме солей или оксидов, то есть в устойчивом виде, и могут лежать неопределенное число лет, накапливаясь постепенно и с пылью попадая в организм человека.
Малые концентрации оксида углерода вызывают блокаду гемоглобина и обусловленное этим кислородное голодание тканей, к которому, как известно, наиболее чувствительна центральная нервная система. Это вызывает прежде всего изменение функционального состояния коры головного мозга, что в большей или меньшей степени отражается на состоянии внутренних органов.
Кроме вышеперечисленных веществ, отдельную опасность представляют твёрдые остатки горения. Они в больших количествах содержат канцерогены и другие вредные вещества, которые приводят к серьёзным заболеваниям, в том . числе онкологическим.
Приведенный перечень негативных явлений убедительно свидетельствует о необходимости борьбы с эмиссиями биогаза. Основным методом, обеспечивающим решение этой задачи, является технология экстракции и утилизации биогаза.
Определение критических параметров при всасывании биогаза через отверстия
Описание экспериментальной установки для исследования параметров перфорированных труб
Гидродинамическое несовершенство газосборных скважин (в том числе перфорированных) учитывается введением в формулу Дюпюи (1.4) коэффициента дополнительных фильтрационных сопротивлений С. Определено, что величина С для скважин природных месторождений газа зависит от степени вскрытия пласта, плотности перфорации, длины и диаметра перфорационных каналов. Считаем, что при извлечении биогаза из грунта полигонов и свалок ТБО газоносный пласт вскрыт полностью. Плотность перфорации, длина и диаметр перфорационных каналов могут эквивалентно заменяться такими характеристиками газосборной трубы, как количество рядов и отверстий в ряду и диаметр трубы, всасывающих, т.е. С = f(q,d).
Анализируя уравнение (2.10), можно сделать вывод, что величина является дополнительной потерей давления, вызываемой на личием перфорации в газосборной трубе (противодавления) и прямо пропорциональной давлению биогаза в грунте, т.е.
Анализ зависимости (2.11) показывает, что у первого всасывающего отверстия дополнительных фильтрационных сопротивлений нет, а по мере движения газа в трубе значение этих сопротивлений возрастает. Значение С для ряда отверстий представляет собой не что иное, как возрастающую геометрическую прогрессию [17], где разностью прогрессии является выражение. Определять значение коэффициента С для каждого отверстия не d -р0 представляется целесообразным. Поэтому рационально использовать усредненный коэффициент дополнительных фильтрационных сопротивлений для всей газосборной трубы, вычисляемый по формуле:
По уравнению (2.12) построена зависимость (рис. 2.5) коэффициента С от расхода газа через одно отверстие. На рис. 2.6 показана зависимость коэффициента С от диаметра газосборной трубы при следующих параметрах системы: плотность биогаза 1,35 кг/м3; абсолютное давление в грунте 101,3 кПа; двухрядное расположение перфорации; ряд состоит из 10 отверстий.
Анализ зависимости (2.12) и рис. 2.5, 2.6 показывает, что при относительно небольших диаметрах перфорированной трубы увеличение расхода всасываемого биогаза ведет к значительному повышению коэффициента С. При больших диаметрах трубы (более 150 мм) влияние расхода биогаза через одно отверстие становится несущественным, а коэффициент С практически не изменяется. Давление в теле полигонов ТБО, может находиться в пределах 101,3 - 103,3 кПа. Анализ уравнения (2.13) показывает, что такое незначительное изменение значения давления не оказывает заметного влияния на коэффициент С. С учетом этого имеем: мы, таблицы и программы для ЭВМ, позволяющие быстро и точно осуществить гидравлический расчет газопроводов. Разработаны номограммы для гидравлического расчета сухого биогаза [27]. Поэтому представляется целесообразным сравнить потери давления при движении двухфазного потока с потерями давления в трубопроводах, транспортирующих сухой биогаз, путем введения поправочных коэффициентов.
Влажный биогаз представляет собой двухфазный поток, состоящий из биогаза (50% - метан, 50% - диоксид углерода), водяного пара и конденсата. При условиях, возникающих в процессе образования биогаза в толще полигона, влажность газа составляет 100%. Согласно [91] при температуре 0 С содержание водяных паров в 1 м3 газа составляет 0,005 кг. Поэтому плотность влажного биогаза равна 1,347 кг/м , динамическая вязкость /л = 90,36 -10" Н-с/м .
Выбор методики гидравлического расчета влажного биогаза зависит от отношения коэффициентов динамической вязкости фаз ц ці (см. табл. 1.4). При Х , =119,775 10 Н-с/м и //2 = 90,36 10 Н-с/м это отношение равно
//2///,=0,75 103. Следовательно, расчет влажного биогаза необходимо производить по методике Фриделя, по которой отношение потерь давления на трение влажного газа к потерям давления чисто газового потока определяется по уравнению (1.39). Расходная концентрация х для влажного газа, определяемая по уравнению (1.28), равна х = 0,003. Показатель я, согласно табл. 1.5, зависит от числа Рейнольдса, которое при данных условиях равно диаметр трубопровода D, м, как v = 0,0003 5Q/D, можно выразить число Фруда и число Вебера через расход газа и диаметр трубопровода:
