Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния и перспективы энергетического использования твердых бытовых отходов 10
1.1. Оценка масштабов образования ТБО и их энергетического потенциала 10
1.2. Анализ технологий энергетического использования ТБО 15
1.3. Эмиссия биогаза на полигонах ТБО и возможности его использования 20
1.4. Комплексное использование энергетического потенциала полигонов ТБО 34
Выводы по главе 1 36
2. Методика комплексной оценки биогазового потенциала полигонов ТБО 37
2.1. Анализ математических моделей эмиссии биогаза с полигонов ТБО 37
2.2. Лабораторное моделирование процессов разложения твердых бытовых отходов 41
2.3. Разработка пространственной геометрической модели тела полигона 44
2.4. Разработка интегральной модели эмиссии биогаза с полигона ТБО 51
Выводы по главе 2 56
3. Оценка энергетического потенциала полигона ТБО «Волхонский» 57
3.1. Характеристика полигонов ТБО в регионе г.Санкт-Петербурга как возможных источников биогаза 57
3.2. Разработка геометрической модели тела полигона ТБО «Волхонский» 60
3.3. Определение энергетического потенциала полигона ТБО на основе лабораторного эксперимента 65
3.4. Оценка ветроэнергетического потенциала полигона «Волхонский» 76
Выводы по главе 3 79
4. Оценка возможности использования комплексных энергетических технологий на полигонах ТБО 81
4.1. Разработка схемы энергокомплекса на полигоне «Волхонский» в составе системы сбора биогаза и ветроэнергетической установки 81
4.2. Оценка экономической эффективности создания энергокомплекса на полигоне «Волхонский» 88
4.3. Оценка снижения парникового эффекта при утилизации биогаза на полигоне ТБО 90
Выводы по главе 4 91
Заключение 93
Литература 94
Приложение 106
- Анализ технологий энергетического использования ТБО
- Лабораторное моделирование процессов разложения твердых бытовых отходов
- Разработка геометрической модели тела полигона ТБО «Волхонский»
- Оценка экономической эффективности создания энергокомплекса на полигоне «Волхонский»
Введение к работе
Необходимость энергосбережения и снижения загрязнения окружающей среды заставляет более рационально использовать традиционные энергоресурсы, а также искать другие, желательно возобновляемые и недорогие источники энергии, к которым в последнее время все чаще относят твердые бытовые отходы (ТБО). Бытовые отходы, образующиеся в значительных количествах, как правило, не находящие применения и загрязняющие окружающую среду, являются возобновляемыми вторичными энергетическими ресурсами. Перспектива использования ТБО в энергетических целях весьма привлекательна, так как одновременно позволяет решать актуальные проблемы загрязнения окружающей среды урбанизированных территорий. Это направление активно развивается во многих зарубежных странах. В России разработкой экологически безопасных технологий энергетической утилизации ТБО занимаются АКХ им. К.Д. Памфилова, ВНИПИэнергопром, ВТИ, Институт проблем электрофизики РАН, СПбГПУ, МЭИ, НИИЦЭБ РАН и др.
Представляет интерес возможность сбора биогаза, продуцируемого на полигонах и свалках России, на которых захоранивается около 97 % бытовых отходов, и его использование в качестве энергетического сырья. Ежегодная эмиссия метана - ценного энергетического компонента биогаза, превышает 1 млрд. м3/год. Этот потенциал в настоящее время практически не используется. Большой вклад в изучение состояния полигонов, процессов разложения отходов, газовых эмиссий, разработку технологий сбора и утилизации биогаза, решение сопутствующих экологических проблем внесли работы Н.Ф. Абрамова, Я.И. Вайсмана, В.К. Донченко, В.В. Журковича, Г.А. Заварзина, В.В. Елистратова, Ю.М. Лихачева, А.Б. Лифшица, Е.Е. Мариненко, А.Н. Мирного, А.Н. Ножевниковой, Е.С. Панцхава, В.В.
Разнощика, Г.С. Розенберга, Е.Г. Семина, М.П. Федорова, Б. Вебера, Р. Коссу, О. Табасарана, Р. Штегманна и других. Результаты их исследований подготовили теоретические и практические основы для моделирования процессов разложения бытовых отходов, создали предпосылки для оценки биогаза в качестве энергетического сырья.
Практическое использование биогаза на полигонах ТБО требует определения реального энергетического потенциала, величина которого зависит от множества факторов. Российским полигонам присущи специфические особенности, связанные с составом бытовых отходов, технологией складирования, природно-климатическими условиями и др., что требует конкретизации накопленных знаний, уточнения математических моделей для прогнозирования эмиссии биогаза и содержания в нем метана, в том числе с использованием лабораторного эксперимента.
Актуальность темы диссертационной работы определяется необходимостью получения достоверных данных по энергетическому потенциалу полигонов ТБО и разработки методики оценки энергетического потенциала полигонов ТБО, учитывающей их специфические особенности.
Цель диссертационной работы - разработка методики оценки энергетического потенциала полигонов ТБО. В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи:
анализ математических моделей эмиссии биогаза при разложении ТБО и выбор базовой модели;
уточнение эмиссии и состава биогаза с помощью лабораторных исследований процессов разложения бытовых отходов;
построение геометрической модели тела полигона на основе его параметров, данных по объему, составу и месту захоронения отходов;
создание интегральной математической модели эмиссии биогаза и метана и ее распределение в пространстве с использованием результатов лабораторного эксперимента и модели тела полигона;
- разработка схемы комплексного использования энергетического потенциала полигона ТБО в составе энергоустановки, утилизирующей биогаз, и ветроэнергетической установки.
Новые научные результаты;
Разработана методика оценки энергетического потенциала полигона ТБО, с учетом их специфических особенностей.
Изучена динамика эмиссии и состава биогаза в лабораторных условиях при разложении опытных образцов отходов.
Разработан принцип создания геометрической модели тела полигона ТБО и реализован программно алгоритм моделирования.
Разработан и реализован с помощью программных средств алгоритм создания интегральной модели пространственного распределения эмиссии биогаза и метана с полигона на основе комплексного использования геометрической модели тела полигона, экспериментальных данных и базовых моделей расчета эмиссии биогаза.
Разработана схема энергокомплекса на полигоне ТБО в составе энергетической установки, утилизирующей биогаз, и ветроэнергетической установки как дополнительного источника энергии.
Практическая значимость. Разработанная методика и модели могут применяться в научно-исследовательских, проектных и эксплуатационных организациях для оценки эмиссии биогаза и его состава, обоснования и использования энергетического потенциала полигона ТБО. Результаты исследований использовались при выполнении НИР по программам и грантам Минобразования РФ, проекта по международной программе «Инкокоперникус».
На защиту выносятся:
Геометрическая модель структуры тела полигона.
Интегральная модель расчета пространственного распределения интенсивности биогаза и метана с тела полигона ТБО.
Результаты экспериментального изучения динамики эмиссии биогаза и метана при разложении ТБО различного состава.
Результаты расчетов интенсивности пространственного распределения эмиссии биогаза и метана с тела полигона «Волхонский».
Достоверность научных положений и выводов обусловлена корректным использованием основных положений электроэнергетики, применением научно апробированных методов математического и лабораторного моделирования и подтверждается практическими результатами.
Личный вклад автора заключается в разработке и программной реализации геометрической модели тела полигона, интегральной модели расчета пространственного распределения интенсивности эмиссии биогаза и метана с тела полигона, участии в лабораторном эксперименте, выполнении конкретных расчетов.
Апробация работы проведена на российских и международных научно-технических конференциях, симпозиумах.
Материалы работы докладывались на четвертом международном семинаре «Зеленая» энергетика: от современных технологий к новой философии» (Петрозаводск, 1998), межвузовской научной конференции «XXVII неделя науки СПбГТУ» (Санкт-Петербург, 1999), IV Всероссийской научно-практической конференции «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» (Санкт-Петербург, 1999), международной научно-практической конференции «Технология энергосбережения, строительство и эксплуатация инженерных систем» (Санкт-Петербург, 2000), международной
научно-технической конференции «Научные проблемы энергетики возобновляемых источников» (Самара, 2000), региональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Научно-методические основы систем обращения с промышленными и бытовыми отходами (на примере Северо-Запада России)» (Санкт-Петербург, 2001), межвузовской научной конференции «XXX неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, 2001), научном семинаре по проекту «Предподготовка и безопасное размещение твердых бытовых отходов и осадков сточных вод для защиты окружающей среды» международной программы «Инкокоперникус-2» (Падуя, Италия, 2002), межвузовской научной конференции «XXXI неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, 2002), Политехническом симпозиуме «Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона» (Санкт-Петербург, 2003), международной научно-практической конференции «Возобновляемая энергетика 2003: состояние, проблемы, перспективы» (Санкт-Петербург, 2003), научных семинарах кафедр «Возобновляющихся источников энергии и гидроэнергетика» СПбГПУ, «Обращения муниципальных отходов» Технического университета Гамбург-Харбург (Германия).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 116 страницах машинописного текста, включает 9 таблиц и 38 рисунков. Библиография содержит 120 наименований.
Автор диссертационной работы выражает глубокую признательность научному руководителю профессору, д.т.н. В.И. Масликову за ценные советы и рекомендации, заведующему кафедры, профессору, д.т.н. В.В. Елистратову за поддержку и консультации, профессору, к.т.н. Л.И. Кубышкину за обучение специальным методам компьютерного моделирования, научному руководителю международной программы «Инкокоперникус» чл.-корр. РАН,
д.т.н. М.П. Федорову, а также сотрудникам кафедр «Возобновляющихся источников энергии и гидроэнергетики», «Экологических основ природопользования» СПбГПУ, «Обращения с муниципальными отходами» (Технического университета Гамбург-Харбург) за помощь в организации, проведении исследований и обсуждении полученных результатов.
Анализ технологий энергетического использования ТБО
В мировой практике применяется более 20 методов обезвреживания и утилизации ТБО, которые по технологическому принципу делятся на: термические, химические, биологические, механические, смешанные [18]. Наибольшее распространение получили следующие основные технологии обезвреживания ТБО: термические - сжигание, биологические - захоронение на полигонах, компостирование. Обезвреживание бытовых отходов осуществляется в различных странах в соответствии с их возможностями и законодательством (таблица 1.1).
В странах ЕС в среднем сжигается 18,2 % ТБО, компостируется 9,0 %, вывозится на полигоны 66,9 %. Доля ТБО, вывозимых на полигоны, для европейских стран изменяется от 80,8% в Великобритании до 6,0 % в Швейцарии. В США сжигается 14,8 % ТБО, компостируется 5,7 %, захоранивается 57,4 %. В Японии сжигается большая часть образующихся отходов - 72,3 %.
Энергетические методы использования ТБО Кроме того, для целей энергетики представляет интерес пиролиз ТБО, переработка в гранулированное топливо, а также получение тепловой энергии активным компостированием (микробным окислением) [5, 18]. Методы термической переработки ТБО, как правило, используются в промышленно развитых странах с небольшой территорией и высоким уровнем технологий. Имеется ряд различных методов мусоросжигания: в кипящем слое, на колосниковых решетках, во вращающихся барабанных печах и др. Наибольшее распространение получила технология сжигания на колосниковых решетках, являющаяся традиционным способом обеззараживания несортированных бытовых отходов, позволяющая примерно на 70 % сократить их массу [20]. Чаще всего ТБО сжигаются в котлах котельных или электростанций, что позволяет вырабатывать тепловую и электрическую энергию. Например, в городе Копенгагене весь бытовой мусор утилизируется для получения тепловой энергии, которая используется для теплоснабжения городских потребителей. В США в г. Бриджпорт эксплуатируется мусоросжигательный завод, ежегодно перерабатывающий более 630 тыс. т бытовых отходов, свозимых из 14 городов. Завод работает круглосуточно, мощность электростанции составляет 60 МВт [17]. Производительность мусоросжигательных установок (инсенераторов) может быть как небольшой, менее 40 тыс. т в год, так и весьма значительной - 1 и более млн. т в год. Главный недостаток большинства термических методов переработки ТБО - низкие температуры (600-900 С ), при которых интенсивно образуются высокотоксичные соединения типа диоксинов, фуранов и др. Кроме того, образуется до 25-30 % вторичных твердых отходов (зола, шлак), загрязненных токсичными веществами [20].
В ряде стран (Германия, Италия и др.) методы сжигания ТБО применяются достаточно широко [21, 22, 23] и количество мусоросжигающих установок возрастает (табл. П. 1.1 - П. 1.2). Другие страны, например США, закрывают многие действующие мусоросжигательные заводы [24]. Поэтому в настоящее время оценки перспектив сжигания мусора достаточно противоречивы из-за высокой стоимости систем очистки дымовых газов. Применение более совершенных высокотемпературных методов (1200-1400С) требует трудоемкой предварительной подготовки бытовых отходов, высоких энергетических затрат, дорогостоящего оборудования [25]. Использование технологии пиролиза - термохимического разложения сырья без доступа воздуха для получения генераторного газа пока ограничивается, в основном, переработкой древесины и сельскохозяйственных отходов [6].
В России перерабатывается незначительная часть (около 3 %) образующихся бытовых отходов. Сжигание отходов (около 1,8 % от общего объема) осуществляется в городах: Москве, Владивостоке, Владимире, Сочи, Пятигорске. На всех мусоросжигательных заводах обеспечивается утилизация тепла, однако из-за низкой надежности оборудования и несбалансированности цен на отпускаемую энергию и себестоимости ее производства выработка тепловой энергии убыточна и составляет 20-50 % проектной мощности [14, 26]. На мусоросжигательных заводах используется малоэффективная, одноступенчатая очистка газов. Имеется много интересных отечественных разработок по получению энергии из ТБО термическими методами, но они не реализованы [17, 20, 25, 27, 28, 29]. Кроме того, в городах Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде, Тольятти эксплуатируются мусороперерабатывающие заводы, работающие по технологии аэробного биотермического компостирования, при которой значительная часть ТБО (более 50 %) обезвреживается и превращается в компост [15]. Эта технология требует энергозатрат (22-28 кВт-ч/т) и для энергетики не представляет интереса.
Полигонное захоронение бытовых отходов широко практикуется во всем мире. Основное достоинство технологии захоронения - простота, малые капитальные и эксплуатационные затраты, и относительная безопасность. При разложении бытовых отходов выделяется биогаз - ценное углеводородное топливо (содержащее метан до 60 %), которое можно использовать для производства тепловой и электрической энергии.
Из рассмотренных технологий энергетического использования ТБО получение биогаза весьма перспективно для России, так как около 97 % образующихся бытовых отходов захоранивается на полигонах и организованных свалках, занимающих свыше 40 тыс. га земли. Дополнительно ежегодно для захоронения ТБО отчуждается около 1 тыс. га земли [14]. Около 50 тыс. га земли занимают закрытые полигоны и свалки, на которых только за послевоенный период количество накопленных бытовых отходов предположительно составляет около 1 млрд. т. Ежегодная эмиссия метана со свалок России оценивается в размере 1,1 млрд. м3 (1,35 млн т.у.т.) [30]. В связи с этим рассмотрим более подробно получение энергии из ТБО, накопленных на полигонах и свалках.
Лабораторное моделирование процессов разложения твердых бытовых отходов
Активные лабораторные исследования процессов разложения твердых бытовых отходов проводятся в последние два десятилетия, что связано с появлением большого количества работ в 80-х г.г. прошлого века по изучению метаногенерирующих бактерий [73]. В России также были предприняты попытки изучить разложение отходов разного состава в лабораторных условиях [74-76]. Первые экспериментальные установки вмещали небольшое количество субстрата (0,5 - 1 л), но они позволили установить, что наиболее интенсивное образование биогаза происходит при мезофильном режиме; процесс протекает нестабильно во времени и сопровождается резкими изменениями газовых эмиссий; рециркуляция осадочной жидкости позволяет активизировать процесс разложения отходов и газообразования, и др. [74]. Аналогичные исследования проводились и в других странах. Особый интерес представляет опыт Германии, где исследования проводились наиболее интенсивно [66]. Были созданы лабораторные комплексы и разработаны технологии моделирования процессов разложения твердых бытовых отходов. Это позволило создать универсальную технологию, не только наиболее полно отражающую процессы, происходящие в естественных условиях, но и при этом ускорить их в десятки и сотни раз [66, 77, 78]. Кроме того, были разработаны нормативы на проведение лабораторных исследований, используемое оборудование, методики анализа и др. [78, 79], что обеспечивает корректность сопоставления и использования полученных результатов.
Технология лабораторного моделирования состоит в том, что исследуемый материал помещают в герметично закрытый биореактор, в котором поддерживается мезофильный режим, соответствующий условиям полигона. Влажность отходов обеспечивается рециркуляцией фильтрата.
Главным фактором ускорения разложения отходов является добавка свежей воды в биореактор взамен адекватного количества фильтрата. Рекомендованный режим добавки свежей воды (около 1 л/неделю) позволяет при соблюдении температурного режима получить ускорение в 60-100 раз. Это позволяет за 4-8 месяцев работы лабораторной установки наблюдать процессы, которые в естественных условиях продолжаются в течение многих десятков лет [66, 78]. При проведении лабораторного моделирования производится периодический и тщательный контроль эмиссии и состава биогаза, состава фильтрата, а также твердого вещества перед загрузкой и после выгрузки. Для биогаза контролируются следующие показатели: удельный и суммарный объем, содержание метана, углекислого газа, воды, кислорода, азота. Кроме того, дополнительно определяется содержание минерально-масляных углеводородов, полициклических ароматических углеводородов. В фильтрате контролируются следующие показатели: рН, электропроводность, ХПК, БПК5, азот общий, азот аммонийный (NH4-N), азот нитритов (NCVN), азот нитратов (NO3-N), общий органический углерод, неорганический углерод, сульфаты (S042 ), фосфор общий (Р), фосфор фосфатный (РС 42 ) хлориды (СГ), взвешенные вещества, карбонаты (НСОз")-Дополнительно определяются: тяжелые металлы (Zn, Cd, Pb, Си, Cr, As, Hg, Ni, железо общее), адсорбированные органические галогены, летучие органические кислоты. В твердом веществе определяется: рН, содержание сухого вещества, влажность, азот общий, азот аммонийный, азот нитратов, органический и неорганический углерод, тяжелые металлы и др. Такой мониторинг позволяет контролировать все стадии быстропротекающего многофазного процесса разложения отходов и получать точные количественные характеристики исследуемых параметров.
Полигон ТБО является эволюционным природно-техническим объектом. В процессе его эксплуатации на протяжении многих лет изменяется высота тела полигона, объемы, состав и физические характеристики отсыпаемых в тело полигона отходов, нарастает, а затем снижается эмиссия и количество образующегося в теле полигона биогаза, изменяется его состав, преобразуется окружающая среда в зоне влияния полигона. Однозначно предсказать состояние этого объекта в будущем невозможно. Поэтому решение многих технологических, природоохранных, технико-экономических и др. задач на этапе проектирования и в процессе эксплуатации полигона, так или иначе, связано с моделированием текущего и возможных прогнозных состояний этого объекта.
Известные математические модели позволяют определить и прогнозировать общую эмиссию биогаза с тела полигона, с помощью натурной газовой съемки можно получить картину эмиссии на текущее время, лабораторные исследования позволяют конкретизировать данные для определенных зон полигона, соответствующих месту отбора проб. Представляет практический интерес возможность получения данных по эмиссии биогаза в любой точке полигона, однако сделать это с использованием перечисленных методов затруднительно. Сложная конфигурация полигонов, разнообразные объем, толщина свалочных отложений, состав и степень разложения отходов в отдельных частях полигона и др. требуют большого количества экспериментальных данных. Задача может быть решена, если создать геометрическую модель тела полигона, позволяющую использовать расчетные и экспериментальные данные. Широкие возможности по сравнению с традиционными образно-знаковыми моделями (чертежами, схемами, графиками и др.) представляют компьютерные технологии. Их применение для проектирования полигонов захоронения отходов позволяет создавать цифровые модели местности, проводить построение поперечных сечений, разрабатывать схему складирования и т.д [80]. В диссертации разработан алгоритм и методика создания пространственной математической модели тела полигона на основе его геометрических параметров, данных по составу захораниваемых отходов в расчетном интервале времени. Была создана графическая система, используемая для компьютерного моделирования тела полигона, структура которой представлена на рис. 2.1 [81, 82, 83]. Графический блок системы разработан на языке AutoLISP в среде AutoCAD 14.0 - 2002 [84, 85, 86], с его помощью могут быть выполнены следующие работы: 1. Создание геометрических пространственных моделей полигона ТБО и прилегающей местности, соответствующих текущим (реальным) и прогнозным состояниям объекта. 2. Создание и сопровождение базы данных и информационно-справочной системы по имеющимся моделям тела полигона и др. 3. Определение геометрических характеристик полигона ТБО для каждого его слоя и любых фрагментов слоя и тела полигона (например, вертикального "столба" - источника биогаза определенной скважины). 4. Построение любых разрезов и проекций (ортогональных, изометрических и перспективных). Компоновка на их основе технологических документов (чертежей, схем, графиков, таблиц). 5. Получение фотореалистических изображений объекта для текущих и прогнозных состояний. 6. Решение прикладных задач, возникающих в рамках выполнения данного проекта.
Разработка геометрической модели тела полигона ТБО «Волхонский»
С использованием плана полигона «Волхонский» [94] и программного комплекса "DEPONIE" была построена геометрическая модель его тела. При этом учитывались рекомендации по проектированию и эксплуатации полигонов и технологическому регламенту [16, 31].
На следующем этапе производится создание модели структуры тела полигона. На модель основания полигона наносилась сетка, размер ячейки которой соответствует размерам карты складирования отходов (рис. 3.2). В расчет принимаются только те карты, которые хотя бы частично попали в основание полигона. Зная высоту карты и толщину изолирующего слоя, рассчитывалось общее количество карт в теле полигона.
Таким образом, получается слоистая структура тела полигона. Была построена виртуальная геометрическая модель тела полигона «Волхонский» с разбивкой на карты складирования, представляющая призматический плоский холм высотой 36 м, состоящий из девятнадцати слоев (рис. 3.3). Толщина каждого слоя отходов принята 1,8 м, изолирующего слоя - 0,2 м. Площадь основания - 257711 м , верхней площадки - 58446 м . Уклоны всех откосов принимались равными - 15 град, глубина котлована - 1,8 м. Объем модели тела полигона составляет 5,12 млн. м (уплотненные отходы), что соответствует объему реального полигона. Состав отходов, размещенных в картах, принимался одинаковым. і sis. і аг ми «иг о оооо мооєи ULEM QDE
Для предварительной оценки биогазового потенциала использовалась модель Табасараиа, достоинством которой является минимальное количество требующейся исходной информации. При выполнении расчетов задавались: ежегодный объем отходов за весь период их складирования, содержание органического углерода, коэффициент разложения отходов, температура в теле полигона (рис. 3.4).
На рис. 3.5 приведена расчетная кривая эмиссии биогаза и объемная модель его распределения на поверхности полигона. Расчетный объем биогаза за 60 лет с начала эксплуатации полигона «Волхонский» составит 808 млн. MJ. Примерное количество метана (при его содержании в биогазе 45 %) - 364 млн. м , или 446 тыс. т.у.т. Наибольшая годовая эмиссия биогаза -37 млн. м - приходится на 19-й год. В дальнейшем эмиссия биогаза снижается и на 40-й год составит около 5 млн. м3, на 60-й - менее 2 млн. м3.
Уточнение характера эмиссии биогаза с полигона требует проведения лабораторного моделирования процессов разложения ТБО. Для этого целесообразно использовать учебно-лабораторный автоматизированный комплекс «Биореактор», созданный в СПбГПУ в рамках проекта «Предподготовка и безопасное размещение твердых бытовых отходов и осадков сточных вод для охраны окружающей среды» международной программы «Инкокоперникус» (научный руководитель — М.П. Федоров) [95]. На сегодня это единственный в России лабораторный комплекс, соответствующий международным требованиям по оборудованию, методикам моделирования и анализа.
В состав лабораторного комплекса входит: термокамера, биореакторы и система автоматического контроля обработки и передачи информации. В термокамере поддерживается постоянная температура, оптимальная для биоразложения отходов. Биореакторы изготовлены из нержавеющей стали, имеют объем более 100 л каждый, оборудованы системой рециркуляции фильтрата. Выделяющийся биогаз подается через гибкие шланги к газовым счетчикам. В крышке каждого биореактора вмонтированы термодатчики, а также датчик давления. С датчиков сигналы поступают на щит автоматического контроля и выводятся на компьютер, подключенный к сети Интернет, что позволяет дистанционно контролировать процессы (рис. 3.6).
Старые захоронения содержат много пищевых и бумажных отходов, в более поздних и современных возросло количество полимерных материалов. Чтобы оценить влияние состава бытовых отходов на эмиссию и состав биогаза, были подготовлены два биореактора № 1 и № 2. В биореактор № 1 были заложены образцы отходов, извлеченные при бурении 20-ти метровой скважины на закрытой части полигона в зоне высокой эмиссии биогаза [92]. В биореактор № 2 - смесь из свежего мусора и компоста (в соотношении 70:30 % по массе), подготовленная на опытном заводе МПБО [96, 97]. Это позволило моделировать процессы разложения отходов разного состава, что характерно для различных периодов складирования на полигоне.
Перед загрузкой и после выгрузки замерялась высота слоя отходов в биореакторе, определялся их вес, образцы отходов измельчались для химического анализа. Используемые для анализа методики и приборы подбирались в соответствии с международными требованиями и согласовывались с координатором проекта [98].
Эмиссия биогаза контролировалась с использованием счетчиков фирмы «Риттер», рассчитанных на расход газа 50 л/ч, позволяющих определять текущий и суммарный объемы биогаза. Счетчики были подключены к компьютеру. В течение эксперимента температура в биореакторах поддерживалась равной 35 С +- 0,6 С. Анаэробные условия обеспечивались герметизацией системы биореакторов и небольшим избыточным давлением 0,2-0,9 кПа (рис. П.3.1). Для обеспечения необходимой влажности дважды в сутки проводилось орошение верхнего слоя отходов путем перекачки фильтрата. Отбор проб биогаза и фильтрата для анализа осуществлялся один раз в 7-10 дней. Анализы выполнялись в институте ВНИИСХМ и СПбГПУ [99]. Потеря жидкости при отборе фильтрата компенсировалась добавлением эквивалентного объема свежей отфильтрованной воды. Подобие условий лабораторного эксперимента реальному полигону обеспечивалось поддержанием заданной температуры и влажности, созданием анаэробного режима. Критерием подобия является коэффициент ускорения (2.10).
Так как целью диссертации является оценка энергетического потенциала биогаза, подробное изучение твердого вещества и фильтрата в данной работе не производилось. При проведении эксперимента определялось содержание в биогазе следующих энергетических компонентов: метана, водорода, а также углекислого газа, кислорода, азота, позволяющих контролировать процесс разложения отходов.
Оценка экономической эффективности создания энергокомплекса на полигоне «Волхонский»
Определение эффективности энергокомплекса по существующей методике [120] с использованием показателей чистого дисконтированного дохода, индекса доходности, внутренней нормы доходности, срока окупаемости, требует точных исходных данных и большого количества расчетов, что не всегда возможно обеспечить на этапе предварительной оценки целесообразности проекта. В данной работе предлагается оценивать эффективность энергокомплекса по упрощенной методике путем сопоставления расчетной цены производства электроэнергии электростанциями энергокомплекса Цээк с нормативной ценой (тарифом) на электроэнергию в энергосистеме. ЦэЭС. Энергокомплекс считается эффективным, если Цэ эк = ЦэЭС.
Для приближенного расчета затрат на оборудование системы сбора биогаза были использованы аналогичные данные полигона «Георгсвердер» г. Гамбурга (Германия). В пересчете на полигон «Волхонский» капитальные вложения на создание системы сбора биогаза составили около 150000 тыс.руб. Стоимости ДЭС и ВЭУ взяты из каталогов. Расчетная цена электроэнергии, производимой на энергокомплексе, составила около 0,52 руб/кВт-ч, что ниже действующего в 2003 году тарифа (0,9 руб/кВт-ч) на электроэнергию, продаваемую потребителям города Санкт-Петербурга. Совместное использование энергетических установок на полигоне «Волхонский» позволяет применить ВЭУ, имеющую относительно высокую себестоимость производство электроэнергии.
Использование энергетического потенциала полигона «Волхонский» позволит свести к минимуму оказываемое в настоящее время значительное воздействие на окружающую природную среду. Кроме того, энергетическая конверсия выделяющегося биогаза позволяет без использования дополнительных земельных площадей и при сравнительно небольших затратах получать значительные экологические эффекты, по стоимости существенно превышающие затраты на оборудование полигонов.
В связи с повышенным вниманием к ограничению выбросов парниковых газов в работе сделана попытка оценить эффект от утилизации свалочного метана. При его сжигании на дизельной электростанции будет выделяться углекислый газ. Известно, что парниковый эффект метана примерно в двадцать раз больше, чем углекислого газа [71]. Этот способ утилизации метана более чем в 18 раз уменьшает парниковый эффект. Таким образом, использование на ДЭС около 5 млн. м3 метана, полученных в результате его ежегодной эмиссии, эквивалентно снижению годового выброса углекислого газа в размере около 64800 т. Это приводит к экономии квоты на выброс СОг, ее денежная оценка (при предполагаемой стоимости 1 т СОг 10-20 долл.) может составить 18,5 - 36,9 млн. руб/год. Кроме того, при работе ВЭУ ежегодная экономия органического топлива составит около 316 т.у.т., что также снижает выброс углекислого газа в размере 565 т/год. Суммарная экономия квоты на выброс составит 65365 т/год, или в денежном выражении 18,6 - 37,2 млн. руб, что сопоставимо с доходом от продажи электроэнергии, производимой на энергокомплексе. Можно предположить, что это является одной из причин принятия директивы, обязывающей страны Европейского сообщества оборудовать все полигоны системами сбора биогаза [47]. 1. Разработана схема и алгоритм выбора параметров энергокомплекса на полигоне ТБО в составе системы сбора и утилизации биогаза и ветроэнергетической установки. 2. С использование модели тела полигона и пространственной модели эмиссии биогаза разработана схема газосборной сети и определены ее параметры. 3. Определены прогнозируемая мощность и выработка электроэнергии дизельной электростанции, утилизирующей свалочный метан, а также энергоотдача ветроэнергетической установки. 4. Выполнена оценка экологического эффекта снижения парникового выброса при энергетическом использовании биогаза. 5. Определена эффективность энергокомплекса на полигоне «Волхонский» на основе сопоставления прогнозируемой цены электроэнергии, получаемой на энергокомплексе, с действующими тарифами. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
По результатам исследований можно сделать следующие выводы: 1. Выполнен анализ использования ТБО в качестве возобновляемых вторичных энергетических ресурсов, показавший возрастающую роль этого направления в энергосбережении и снижении загрязнения окружающей среды. Выявлена целесообразность сбора и утилизации биогаза на многих полигонах ТБО России. 2. Разработан и программно реализован алгоритм автоматизированного построения геометрической модели тела полигона, с учетом его параметров, состава бытовых отходов в любой части его объема и др. 3. Разработан и реализован автоматизированный программный комплекс для создания модели эмиссии биогаза и ее распределения в пространстве с использованием данных лабораторного эксперимента и геометрической модели тела полигона, позволяющей производить расчет потенциала биогаза полигона и содержание метана с учетом условий захоронения отходов. 4. Получены данные удельной и общей эмиссии биогаза и его состава по результатам лабораторных исследований отходов, захораниваемых на полигоне «Волхонский». 5. Создана геометрическая модель тела полигона «Волхонский» и выполнены расчеты пространственного распределения интенсивности эмиссии биогаза с учетом экспериментальных данных. 6. Разработана схема энергокомплекса в составе системы сбора биогаза, дизельной электростанции, утилизирующей свалочный метан, и ветроэнергетической установки как дополнительного источника энергии.
