Источник: Бобович Б.Б., Девяткин В.В. Переработка отходов производства и потребления. - М.: Интермет Инжиниринг, 2000. - 496 с.
Захоронение подверженных гниению отходов в поверхностных хранилищах неизбежно ведет к образованию биогаза, являющегося продуктом анаэробного разложения, протекающего внутри массы захороненных отходов.
Основным компонентом биогаза является метан, но в нем содержатся и другие вещества, наносящие урон окружающей среде: сероводород и галогенсодержащие углеводороды. Энергетический потенциал биогаза составляет 21 МДж/м3 . При наличии непроницаемого верхнего слоя повышается возможность горизонтальной миграции газа из зоны захоронения.
Биогаз необходимо отводить для того, чтобы предотвратить его миграцию с полигона, так как он токсичен и взрывоопасен. Его опасность распространяется не только на территорию полигона, но и за ее пределы в связи со значительным объемом образования.
Методы контроля и отвода биогаза в настоящее время достаточно разработаны и за рубежом широко используются. Газ обычно отсасывается и направляется на сжигание в открытом факеле или при значительных количествах и соответствующем качестве утилизируется. Сбор биогаза осуществляется из вертикальных скважин, пробуренных на месте уже заполненных хранилищ, или горизонтальных скважин-коллекторов, сооруженных в процессе складирования отходов.
В пробуренный ствол скважины на глубину не менее 10 м (лучше 20 – 30 м) помещается перфорированная в нижней части стальная труба. Затрубное пространство хранилища заполняется гранулированным материалом. Верхняя часть затрубного пространства бетонируется для предотвращения поступления в скважину воздуха. Типичное оборудование для сбора биогаза состоит из всасывающего трубопровода, диафрагменного расходомера и задвижки для регулирования потока.
На количество образующегося биогаза влияют:
В наиболее простом случае газы могут собираться и направляться по трубопроводам потребителю в качестве топлива.
Другим простым вариантом использования биогаза является сжигание его в специальных установках для получения электроэнергии. Это могут быть газовые двигатели с искровым зажиганием, газовые турбины. Газовые двигатели позволяют создавать маломощные установки. Наиболее целесообразно применение двухтактных газовых двигателей без впускающих и выпускающих клапанов.
Газовые турбины эффективны при мощности более 2 МВт; к.п.д. их составляет 32 %. Более дорогостоящим является получение высококачественного газа. Это требует удаления неметановых компонентов, что достигается химическими или физическими методами сепарации.
Поскольку биогаз может содержать сероводород и галогенпроизводные углеводороды, то для использования в качестве топлива для газовых двигателей необходима его очистка. По методу фирмы "Карбо-Тех" (Германия) очистка биогаза производится в две стадии. На первой стадии извлекается сероводород, а на второй производится удаление галогенсодержащих углеводородов.
В обеих стадиях в качестве очищающего вещества используется активный уголь. В первой он играет роль катализатора при превращении сероводорода в элементарную серу.
Остаточное содержание сероводорода после прохождения газом первой стадии очистки равно 5 мг/м3.
Активный уголь, на котором осаждается элементарная сера, периодически заменяется на свежий. На второй стадии активный уголь играет роль адсорбента.
По достижении емкости насыщения активный уголь со второй стадии восстанавливается путем десорбции адсорбированных галогенсодержащих углеводородов. Десорбция производится с помощью пара, нагретого до 130 0С, паро-газовая смесь конденсируется, а конденсат утилизируется.
Для выработки 1 МВт энергии необходима подача биогаза в количестве 525 м3/ч. Считают, что одна скважина дает 80 м3/ч газа.
Высокая плотность мусора позволяет извлекать газ с большой скоростью. Обычная свалка может выдавать газ в течение 10 – 12 лет. Максимум производительности приходится на четвертый год, затем происходит медленное ее снижение.
После окончания эксплуатации скважины, т.е. когда сбор образовавшегося биогаза становится экономически неэффективным (так как концентрация метана становится слишком низкой), необходим контроль за его образованием и обезвреживанием. Один из способов обезвреживания заключается в окислении метана воздухом в поверхностных слоях почвы в присутствии бактерий. В результате образуется углекислый газ, который диффундирует из почвы в атмосферу.
Одно из первых в США захоронений отходов с выработкой биогаза площадью 14 га функционировало с 1978 по 1985 г. В нем находились вперемешку 1 млн. т мусора и 0,5 млн. т промышленных отходов. Свалка давала 60 млн. м3 газа в год, или 6868 м3/ч. Полный ресурс мощности такой свалки составил 13,1 МВт.
С 1983 г. фирма "Блю Серкл" (США) применяла газ из хранилищ отходов для обжига цемента. Другое хранилище "Стоун" (США), имеет площадь 40 га, объем полости 10 млн. м3 , глубину от 25 до 45 м. Продуктивность хранилища 7500 м3 газа в 1 ч при содержании метана 50 %, что позволяет получить электроэнергию в количестве (5 – 7) МВт с применением двигателей электроискрового зажигания и газовых турбин, а также тепловую энергию от отработанных газов.
Установка состоит из 20 скважин, соединенных трубопроводом длиной 2200 м, газокомпрессорной станции, включающей три поршневых компрессора, водяного холодильника, градирни и КИП. Газ транспортируется потребителю по трубопроводу на расстояние 5000 м.
В 1985 г. в США работало более 30 установок, использовавших биогаз, вырабатываемый на полигонах отходов.
В Германии имеется в частной коммерческой эксплуатации ряд установок малой мощности, вырабатывающих электроэнергию путем сжигания биогаза из хранилищ отходов. В Великобритании имеются установки по обжигу цемента и кирпича, использующие биогаз из хранилищ мусора.
К настоящему времени накоплен значительный практический опыт по использованию биогаза из хранилищ мусора и отходов. В России таких установок нет (если не считать одну установку, появившуюся недавно в Подмосковье), что помимо упускаемой экономической выгоды приводит к загрязнению газом окружающей среды.