Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор процессов и аппаратов обезвреживания вторичных отходов при полигонном захоронении ТБО
1.1 Анализ технологий использования полигонного биогаза 7
1.2. Анализ технологий подавления образования биогаза 22
1.3. Анализ технологий обезвреживания фильтрата полигонов ТБО 28
1.4. Методы расчета и проектирования процессов и аппаратов обезвреживания вторичных отходов при полигонном захоронении ТБО
Выводы 42
Постановка задач исследования 42
Глава 2. Экспериментальное исследование свойств полигонного биогаза и продуктов сгорания
2.1. Методика исследования свойств полигонного биогаза и продуктов сгорания
2.2. Аппаратурное оформление для исследования свойств полигонного биогаза и продуктов сгорания
2.3. Результаты экспериментального исследования проб биогаза 46
2.4. Результаты экспериментального исследования продуктов сгорания биогаза
Выводы 52
Глава 3. Методы теории подобия при обезвреживании биогаза 53
3.1. Методика получения безразмерных соотношений для процессов обезвреживания биогаза
3.2. Анализ безразмерных соотношений для систем пассивной аэрации на полигонах ТБО
3.3. Анализ безразмерных соотношений для термической утилизации полигонного биогаза
Выводы 63
Глава 4. Эколого-экономическое обоснование технологии и оборудования для термической утилизации биогаза
4.1. Исследование энергетического потенциала и принципы выбора тепловых машин для термической утилизации полигонного биогаза
4.2. Расчетное исследование фильтра для очистки от пыли в потоке 7о биогаза
4.3. Системы газоочистки при сжигании полигонного биогаза 72
Выводы 73
- Анализ технологий использования полигонного биогаза
- Результаты экспериментального исследования проб биогаза
- Методика получения безразмерных соотношений для процессов обезвреживания биогаза
Введение к работе
Актуальность темы диссертационного исследования обусловлена необходимостью разработки и внедрения в практику новых технических приемов и инженерных решений по защите окружающей природной среды в зонах влияния свалок и полигонов для захоронения твердых бытовых отходов (ТБО).
Известные технологии утилизации отходов методом их сжигания или компостирования, сортировки и повторного использования, пиролиза или вермикультивирования имеют ряд крупных недостатков и ограничений, к которым можно отнести и высокую стоимость. Поэтому полигоны захоронения ТБО являются одним из наиболее распространенных методов обращения с отходами, обязующихся от населения. В России полигонному захоронению в год подлежит 97% или около 36 миллионов тонн ТБО. Ежегодно под полигоны в стране отводится более 11000 гектаров земли вблизи городов и населенных пунктов (сюда не входит площадь необходимая для создания вокруг каждого полигона санитарно-защитной зоны шириной от 500 до 1000 метров). Обладая несомненным преимуществом в связи с низкой стоимостью захоронения, полигоны представляют определенную опасность для окружающей среды.
Основными видами опасного воздействия свалок и полигонов для захоронения ТБО на окружающую природную среду являются: загрязнение атмосферного воздуха, основным загрязнителем является биогаз — конечный продукт биотермического распада органической составляющей отходов под воздействием микрофлоры; загрязнение подземных и поверхностных вод, основным загрязнителем является фильтрат, представляющий собой продукт взаимодействия природных осадков проникающих в тело полигона и отходов; загрязнение почв.
Несмотря на то, что в соответствии с природоохранными нормативами, полигоны ТБО являются сложными и дорогостоящими инженерно- техническими сооружениями и в большинстве регионов страны на полигонах отсутствуют даже простейшие природоохранные сооружения. Кроме того, климатические условия значительной территории России, с продолжительным периодом отрицательных температур, как правило, не позволяют применять широко используемые в мире биотехнологии для решения проблем круглогодичной утилизации, образующихся вторичных отходов - биогаза и фильтрата. Для этого необходимы технологические процессы и оборудование, обеспечивающие круглогодичную работу данных природоохранных сооружений в российских условиях. Опыт разработки, проектирования и эксплуатации такого оборудования в нашей стране недостаточно проработан. Основные исследования возможности снижения негативного влияния свалок и полигонов ТБО на окружающую среду представлены в работах: Гонопольского A.M., Ножевниковой А.Н., Мурашова В.Е., Вайсмана Я.И., Лиллепярг Е.Р. и др., но недостаточно освещены методы проектирования природоохранных систем в местах расположения полигонов ТБО и свалок, поэтому для снижения негативного влияния полигонов ТБО и свалок на окружающую среду в диссертации поставлены и решены следующие задачи:
Анализ методов расчета и проектирования технологий обращения с вторичными отходами при полигонном захоронении.
Исследование физико-химических и механических свойств вторичных отходов при полигонном захоронении в частности биогаза.
Разработка и апробация полуэмпирической методики обобщения характеристик технологических процессов и выбора оборудования технологических линий для обращения с вторичными отходами при полигонном захоронении. ТБО
Объектом исследований данной работы являются процессы и аппаратура для обезвреживания полигонного биогаза и фильтрата полигонов ТБО.
Предмет исследования — технологии физико-химического обезвреживания биогаза и фильтрата с полигонов ТБО.
Целью исследования — уменьшение негативного влияния свалок и полигонов для захоронения отходов на атмосферный воздух, поверхностные и подземные водные объекты.
Работа выполнена на кафедре «Техника и технология переработки отходов» (ТиТПО) Московского государственного университета инженерной экологии (МГУИЭ), автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., проф. Гонопольскому A.M., сотрудникам МГУИЭ к.т.н., проф. Николайкиной Н.Е., к.б.н., доц. Миташовой Н.И., к.т.н., доц. Мурашову, В.Е., к.т.н., доц. Головину В.В.
Анализ технологий использования полигонного биогаза
Одним из главных инструментов минимизации стихийного распространения биогаза является дегазация, включающая в себя системы аппаратов сбора, транспортировки биогаза, подготовки перед использованием и обезвреживания [23-30,33-36].
В отечественной и зарубежной практике дегазация полигонов проводится с помощью пассивных и активных систем на основании предварительных исследований эффективности каждого метода [15, 23, 34] в том или ином случае. К пассивным системам сбора биогаза полигонов захоронения ТБО относятся системы, которые используют естественный избыток давления внутри полигона. Пассивные методы дегазации основываются на природных процессах конвекции и диффузии. Такие системы устанавливаются в местах низкого газообразования и отсутствия перемещения газа [12].
В работах [12, 15, 23-31] отмечается ряд недостатков таких систем сбора. Системы сбора биогаза подобного типа не могут применяться для полигонов с внутренними изолирующими слоями, так как дегазация будет происходить только в верхнем слое. Давление, которое создается в нижних слоях, может привести к взрыву.
Типовой вид обустройства подобного рода систем выполнен в виде вертикальных или горизонтальных траншей. Вертикальные траншеи не нашли широкого применения из-за восприимчивости к процессам усадки свалочного тела: они легко деформируются и теряют свои функциональные свойства [12]. Ремонт таких систем требует больших затрат. Горизонтальная траншейная система монтируется после закрытия полигона. Перед установкой верхнего изолирующего слоя на поверхности полигона монтируются траншеи шириной 1 метр и глубиной около 1,5 метра. (Рис. 3.) То есть фактически сбор биогаза идет организованно только с этой глубины, а не со всей толщи свалочного тела.
Глинистый грунт
Проектирование данных систем осуществляется на основании общих рекомендаций. Так, например в разработанном в нашей стране «Технологическом регламенте получения биогаза с полигонов ТБО» [90] требуется устройство буровых скважин минимальным диаметром 150 мм на всю глубину складирования отходов. Обсадные трубы скважины могут быть асбестоцементными, полиэтиленовыми или полихлорвиниловыми диаметром 100 мм с перфорационными отверстиями или пропилами, сделанными по аналогии с перфорированными трубами, применяемыми для действующих полигонов. В настоящее время используются железобетонные и асбестоцементные трубы, которые обладают рядом недостатков. Высокий коэффициент внутреннего трения таких труб, связанные с ним потери напора и небольшой радиус влияния приводят к увеличению требуемого числа скважин, что мешает работе техники на полигоне, а также создают высокие перепады давления, способствующие скоплению биогаза в нижних слоях, что приводит за частую к взрыву или возгоранию.
Для данных систем сбора необходимое разрежение в скважине, обеспечивающее надежный сбор газа, составляет 100 - 150 мм вод. ст. Такое разрежение в системах может быть создано, только на полигонах, имеющих внешнее электроснабжение или автономные установки электроснабжения, работающие либо на привозном топливе, либо на извлекаемом биогазе. Но большинство российских полигонов и свалок не имеют внешнего энергоснабжения, что приводит зачастую к отказу от использования каких либо систем сбора, транспортировки и обезвреживания биогаза.
В США для монтажа газоизвлекающего оборудования бурятся колодцы диаметром от 30 до 100 см [12, 111-116, 121]. Пространство между колодцем и трубой заполняется битым камнем или щебнем крупностью 16 — 32 мм с содержанием карбонатов менее 10 %, который позволяет увеличить эффективный диаметр отводящей трубы. Скважины связаны между собой коллекторной системой, по которой газ от них подается в систему очистки и утилизации.
Скважины располагают по периметру свалки и в центре нее. Экстракционные скважины изготавливают из коррозионно-устойчивых материалов, к которым относятся: поливинилхлорид (ПВХ), полиэтилен низкого давления (ПНД), стеклопластик, сталь. Диаметр трубы варьирует в пределах от 5 см до 30 см. Низ трубы на три четверти перфорирован. Перфорация имеет характеристики, установленные стандартами: каждые 15 см по перпендикулярному сечению длины трубы располагаются отверстия по 1,25 см в диаметре. Трубы с подобной перфорацией также могут быть использованы в конструкции скважины. Диаметр колодца, в который устанавливают скважину, составляет 30 - 100 см. Из-за разницы диаметров скважины и колодца образуются пустоты, которые необходимо засыпать щебнем. Засыпка обеспечивает более полное извлечение биогаза, т.е. увеличивает эффективный диаметр скважины.Система активного сбора биогаза включает в себя устройства, создающие градиент давления (компрессоры, вентиляторы), экстракционные скважины и горизонтальную систему сбора биогаза. Компрессоры (или вентиляторы), подключенные к магистральным газопроводам, обеспечивают эффективное извлечение газа из тела полигона. Система активной дегазации обязательно включает утилизацию извлеченного газа (сжигание, очистка, сжижение и т.д.).
Градиент давления, создаваемый компрессорами или вентиляторами в скважинах или траншеях, создает движущую силу для удаления газа из тела полигона. Газ по трубам коллектора направляется на переработку. На рис. 4,5. представлен вид типового обустройства скважины для активного сбора биогаза [12, 40].
Результаты экспериментального исследования проб биогаза
В таблице № 9 представлены усредненные значения компонентного состава биогаза, полученные на втором этапе исследования. Всего было отобрано по пять проб при каждой отметке глубины, протокол качественного и количественного химического анализа исходных проб биогаза представлен в приложении 1. Содержащаяся в пробах пыль при увеличении до 500 раз, имеет основную фракцию чешуйчатой формы и средний миделевый размер до 0,006 мм и скорость витания от 0,2 до 0,4 см/с [13]. Частицы имеют высокоразвитую поверхность. Данный вывод сделан на основании увеличения анализируемых частиц пыли до 1500 раз. Распределение частиц по размерам в потоке соответствует нормальному логарифмическому закону распределения (Рис. 21.). Расчет распределения частиц пыли в исследуемом потоке биогаза представлен в приложении 2. 3
Данные результаты подтверждают состав полигонного биогаза, который представлен в работах [29, 30], а так же в работе [72]. Помимо определенного состава биогаза удалось получить зависимость между глубиной изъятия биогаза и концентрациями пыли, что иллюстрирует рис. 22.
В таблице № 10 представлены усредненные значения компонентного состава продуктов сгорания биогаза, для проб, отобранных на полигоне ТБО «Сафоново». Протокол качественного и количественного химического анализа продуктов, образующихся в результате сгорания биогаза, представлен в приложении 3. Как и в случае с предварительным анализом компонентного состава отобранных проб, компонентный состав продуктов сгорания, анализировался для каждой отметки глубины в отдельности.
Для этого из емкости с поршнем пробы биогаза через трубопровод с запорно-регулирующей арматурой под давлением до 0,15 МПа нагнетали в герметичную цилиндрическую ёмкость (Е1), в съёмных торцевых крышках которой вварены штуцера с притёртыми пробочными кранами. Внутрь металлической ёмкости предварительно помещалась эластичная ёмкость-вкладыш, которая и заполнялась пробой биогаза. При сжигании биогаза верхние штуцера через обратный клапан и колбу с предметным стеклом соединялись с обычной горелкой и горелкой атомно-абсорбционного спектрометра КВАНТ 2А, а нижние штуцера ёмкости подсоединялись через редуктор к сети сжатого воздуха, и ёмкость-вкладыш вытеснением опорожнялась полностью (Рис. 23.). Исходная проба анализировалась на хроматографе Яуза-200 и двулучевом двух- волновом спектрофотометре . Продукты сгорания направлялись через колбу с предметным стеклом в такую же цилиндрическую емкость (Е2) с эластичным вкладышем и при заданном давлении вытеснения через обратный клапан, продукты сгорания анализировались на хроматографе Яуза - 200 и двулучевом двух- волновом спектрофотометре. Анализ проб на атомно-абсорбционный спектрометре, позволил установить отсутствие тяжелых металлов (таких как Hg, Cd) в исходной смеси и продуктах сгорания. Как видно из таблиц № 9, 10 качественный анализ дает возможность судить о том, что прослеживается зависимость между концентрацией пыли и ПХБ, ПАУ в зависимости от глубины (Рис. 24.), так как появление данных веществ в пламени возможно в присутствии либо катализаторов, либо хлорсодержащих соединений. А так как обнаруженная пыль имеет частично органическое происхождение, о чем свидетельствует уменьшение на выходе из горелки концентрации пыли, то следует предположить, что сжигание приводит к десорбции адсорбированных хлорсодержащих соединений и образованию ПХБ и ПАУ.
Методика получения безразмерных соотношений для процессов обезвреживания биогаза
В таблице № 9 представлены усредненные значения компонентного состава биогаза, полученные на втором этапе исследования. Всего было отобрано по пять проб при каждой отметке глубины, протокол качественного и количественного химического анализа исходных проб биогаза представлен в приложении 1. Содержащаяся в пробах пыль при увеличении до 500 раз, имеет основную фракцию чешуйчатой формы и средний миделевый размер до 0,006 мм и скорость витания от 0,2 до 0,4 см/с [13]. Частицы имеют высокоразвитую поверхность. Данный вывод сделан на основании увеличения анализируемых частиц пыли до 1500 раз. Распределение частиц по размерам в потоке соответствует нормальному логарифмическому закону распределения (Рис. 21.). Расчет распределения частиц пыли в исследуемом потоке биогаза представлен в приложении 2. 3
Данные результаты подтверждают состав полигонного биогаза, который представлен в работах [29, 30], а так же в работе [72]. Помимо определенного состава биогаза удалось получить зависимость между глубиной изъятия биогаза и концентрациями пыли, что иллюстрирует рис. 22.
В таблице № 10 представлены усредненные значения компонентного состава продуктов сгорания биогаза, для проб, отобранных на полигоне ТБО «Сафоново». Протокол качественного и количественного химического анализа продуктов, образующихся в результате сгорания биогаза, представлен в приложении 3. Как и в случае с предварительным анализом компонентного состава отобранных проб, компонентный состав продуктов сгорания, анализировался для каждой отметки глубины в отдельности.
Для этого из емкости с поршнем пробы биогаза через трубопровод с запорно-регулирующей арматурой под давлением до 0,15 МПа нагнетали в герметичную цилиндрическую ёмкость (Е1), в съёмных торцевых крышках которой вварены штуцера с притёртыми пробочными кранами. Внутрь металлической ёмкости предварительно помещалась эластичная ёмкость-вкладыш, которая и заполнялась пробой биогаза. При сжигании биогаза верхние штуцера через обратный клапан и колбу с предметным стеклом соединялись с обычной горелкой и горелкой атомно-абсорбционного спектрометра КВАНТ 2А, а нижние штуцера ёмкости подсоединялись через редуктор к сети сжатого воздуха, и ёмкость-вкладыш вытеснением опорожнялась полностью (Рис. 23.). Исходная проба анализировалась на хроматографе Яуза-200 и двулучевом двух- волновом спектрофотометре . Продукты сгорания направлялись через колбу с предметным стеклом в такую же цилиндрическую емкость (Е2) с эластичным вкладышем и при заданном давлении вытеснения через обратный клапан, продукты сгорания анализировались на хроматографе Яуза - 200 и двулучевом двух- волновом спектрофотометре. Анализ проб на атомно-абсорбционный спектрометре, позволил установить отсутствие тяжелых металлов (таких как Hg, Cd) в исходной смеси и продуктах сгорания. Как видно из таблиц № 9, 10 качественный анализ дает возможность судить о том, что прослеживается зависимость между концентрацией пыли и ПХБ, ПАУ в зависимости от глубины (Рис. 24.), так как появление данных веществ в пламени возможно в присутствии либо катализаторов, либо хлорсодержащих соединений. А так как обнаруженная пыль имеет частично органическое происхождение, о чем свидетельствует уменьшение на выходе из горелки концентрации пыли, то следует предположить, что сжигание приводит к десорбции адсорбированных хлорсодержащих соединений и образованию ПХБ и ПАУ.
Конечной задачей выполнения операций с базами данных является получение массива безразмерных соотношений, составленных из безразмерных величин (комплексов):
П = А-П -Щ2-...-П (3)
где: П - безразмерный комплекс, у которого размерность равна 1, то есть
П, = {f[M,L,,Т...]= і) А, сії, аг, ап, - коэффициенты, определяемые регрессионным анализом.
Для определения коэффициетов, безразмерное соотношение (3) преобразуется к виду: п = в-п ; (4)
Прологарифмировав которое, получим:
1п(п) = а;-1п(П";) + 5 (5)
Как видно безразмерное соотношение преобразуется к простому виду и коэффициент of і будет тангенсом угла наклона прямой проходящей через облако точек наилучшим образом.
Таким же образом определяется коэффициент а2, для его определение исходное безразмерное соотношение будет иметь вид: П = С -ГІ2 2 и после логарифмирования 1п(П) = а 2-1п(П2)+С (6)
Для определения коэффициента А необходимо преобразовать исходное безразмерное соотношение (3) в следующий вид:
П = А-ПАаА (7)
где ПАаА = (iV -ll/2) Логарифмируя безразмерные соотношения и проводя регрессионный анализ определяются окончательные значения коэффициентов А, cti, а2. Причем коэффициент А, как коэффициент из уравнения регрессии, а аь а2 как произведение найденных (а ь of 2) на коэффициент аА
П = А (nf"- - nf 2f А - П = А П? - П? (8)
Т.к. тангенс имеет предел (±оо) при а— ±90, то коэффициенты Хі, а2, ... ап имеют так же свой придел: 0,01 ар 5 (по обобщенным данным многочисленных многолетних исследований).
Таким образом, данный программный модуль позволяет дополнить методы теории подобия и размерностей методами линейного регрессионного анализа для обобщения результатов исследований сложных инженерно-экологических процессов и технологического оборудования.
