ПОЛИГОННЫЙ ГАЗ КАК ИСТОЧНИК ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Автор: Загидуллин Рафис, 9 класс
ФГБОУ ВПО «КГЭУ» школа № 10,
Руководитель: Забелин А.А.
Одним из основных способов утилизации твердых бытовых отходов (ТБО) во всем мире остается захоронение в приповерхностной геологической среде. В этих условиях отходы подвергаются интенсивному биохимическому разложению, которое вызывает в частности образование свалочного газа (СГ), макрокомпонентами которого являются метан (СН4) и диоксид углерода (СО2). СГ горюч, его средняя калорийность составляет примерно 5500 Ккал на м3. В определенных концентрациях он токсичен.
(Задачи). На Зеленодольском погоне ТБО Республики Татарстан необходимо провести полевые исследования по:
- наличию и химическому составу газовых выделений;
- величине концентрации метана в зависимости от компонентного состава отходов, времени хранения ТБО, метеорологических условий;
- оценке влияния на концентрацию метана в воздухе в зависимости от конструктивных особенностей карт, построенных для складирования ТБО.
Затем провести камеральную обработку полученных материалов. На основе литературных данных и данных Интернет-ресурсов исследовать возможность использования применения СГ, как ресурса для производства тепловой и электрической энергии, с применением конкретных систем и аппаратов.
Целью работы является решение двух очень важных проблем.
Во-первых, изыскание способа решения глобальной экологической проблемы - снижения газовых выбросов полигонов ТБО.
Во-вторых, в свете актуальности программы ресурсосбережения, решение вопроса получения дополнительно ресурса (метана) для выработки тепло- и электроэнергии на местах хранения отходов потребления.
Сотрудниками кафедры «Инженерная экология и рациональное природопользование» КГЭУ совместно со школьниками школы № 10 г. Казани работниками МУП «Экосервис» (г. Зеленодольск) проводятся исследования по определению интенсивности газовыделения и состава свалочного газа на одном из полигонов ТБО республики. Для этой цели первоначально был использован газоанализатор ААМ-4200 немецкой фирмы SARAD GmbH.
Технические возможности прибора позволяют проводить одновременно автоматизированный мониторинг концентрации нескольких газов с заданной периодичностью. В нашем случае замерялись концентрации метана и диоксида углерода с периодичностью в одну минуту.
Замеры на территории полигона проводились в приземном слое атмосферы по маршруту указанному на космическом снимке полигона (рис. 1).
Рис. 1. Маршрут замеров на полигоне ТБО
В режиме непрерывной регистрации концентрации газов фиксировались на уровне 0,3-0,5 м от поверхности рельефа. Данные замеров автоматически сохранялись в памяти прибора, после были обработаны специальным программным обеспечением прибора d.VISION. Фрагмент электронной базы замеров CH4 и CO2 показан ниже в табличной форме. Полученные данные были обработаны с помощью программы Microsoft Office Excel и представлены в виде графиков.
Полученные данные свидетельствуют о том, что на исследуемом полигоне присутствуют оба газа. Эксхаляция (выделение) газов в атмосферу на территории полигона происходит повсеместно, но значения их концентраций на разных частях полигона неодинаковы. Небольшие колебания присущи концентрации метана, его значения меняются в интервале от 10 до 700 ppm. Концентрация CO2 меняется в интервале 0,2-0,6 ppm. Сильный всплеск концентрации метана вызван тем, что в одном месте на территории полигона сооружен коллектор, который по мере наполнения полигона наращивается в вертикальном направлении. Вблизи коллектора происходит организованный выброс газов и нами были зафиксированы наиболее высокие значения концентрации метана. На остальной площади полигона концентрация метана в приземном слое атмосферы меняется в интервале 10-30 ppm.
Первоначально проведенные исследования позволили сделать следующие выводы:
- на данном полигоне в составе свалочного газа диоксид углерода и метан присутствуют;
- для определения целесообразности использования метана в промышленных целях требуются детальные исследования с организацией мониторинговых наблюдений.
На следующем этапе работы с целью организации мониторинговых наблюдений был определен следующий круг задач:
- приобретение контрольно-измерительного прибора (газоанализатор);
- определение точек наблюдения;
- сбор фактического материала;
- анализ полученных материалов проведенных исследований.
Для продолжения работы был выбран прибор отечественного производства газоанализатор «Комета-М» с диффузионным способом пробоотбора. Прибор предназначен для определения в составе воздуха содержания метана, сероводорода, диоксида углерода и аммиака.
Прибор имеет возможность запоминать результаты измерений в съемной карте памяти (MMC) с последующей передачей их на компьютер для хранения и обработки. Полученные данные можно обработать с помощью программы Microsoft Office Excel. В отчет записывается дата и время измерения, названия каналов, единицы измерения и концентрация по каждому каналу.
Для решения следующей задачи был составлен схематический план и разрез по продольному профилю полигона с отображением однородных по составу мусора участков. Таким образом, для каждого выявленного однородного участка была намечена своя точка наблюдения. Всего было намечено шесть точек. На каждой точке на глубину 1 м были установлены пластиковые трубы (диаметр 40 мм, длина 2 м) для сбора и организованного отвода газа.
Замеры проводились с периодичностью один раз в месяц. Полученные данные сведены в таблицы. Они показывают, что сезонные метеоусловия слабо влияют на процесс газообразования.
Существенная часть фракций ТБО повсеместно представлена различными органическими материалами. Основными группами среди них являются пищевые остатки и бумага. Их соотношение меняется в зависимости от уровня развития страны и ее географического положения и культурных особенностей. В условиях захоронений, куда поступает практически 80 % общего потока отходов, быстро формируются анаэробные условия, в которых протекает биоконверсия органического вещества с участием метаногенного сообщества микроорганизмов. В результате этого процесса образуется биогаз или, так называемый, свалочный газ, макрокомпонентами которого являются метан (СН4) и диоксид углерода (СО2).
Можно утверждать, что в среднем газогенерация заканчивается в свалочном теле в течение 10-50 лет, при этом удельный выход газа составляет 120-200 куб. м на тонну ТБО.
Большой перечень негативных явлений, обусловленных СГ, убедительно свидетельствует о необходимости борьбы с его эмиссиями. В большинстве развитых стран существуют специальные законы, обязывающие владельцев полигонов предотвращать стихийное распространение СГ. Основным путем, обеспечивающим решение этой задачи, является технология экстракции и утилизации СГ.
Для экстракции СГ на полигонах обычно используется следующая принципиальная схема: сеть вертикальных газодренажных скважин соединяют линиями газопроводов, в которых вытяжная установка создает разрежение необходимое для транспортировки СГ до места использования. Установки сбора и утилизации монтируются на специально подготовленной площадке за пределами свалочного тела. Каждая скважина осуществляет дренаж конкретного блока ТБО, условно имеющего форму вертикального цилиндра. Оценка газопродуктивности существующей толщи ТБО проводится в ходе предварительных полевых газо-геохимических исследований.
Утилизация СГ на практике проводится следующими способами:
- прямое сжигание СГ для производства тепловой энергии;
- использование СГ в качестве топлива для газовых двигателей с целью получения электроэнергии и тепла;
- использование СГ в качестве топлива для газовых турбин с целью получения электрической и тепловой энергии;
- доведение содержания метана в СГ (обогащение) до 94 -95% с последующим его использованием в газовых сетях общего назначения.
Целесообразность применения того или иного способа утилизации СГ зависит от конкретных условий хозяйственной деятельности на полигоне ТБО и определяется наличием платежеспособного потребителя энергоносителей, полученных на основе использования СГ. В большинстве передовых стран этот процесс стимулируется государством с помощью специальных законов.
В России подобная нормативно-правовая база отсутствует. Следствием этого являются большие трудности, связанные со сбытом энергии полученной из СГ. Такое положение сдерживает широкое распространение технологии в России. В сложившихся условиях использование СГ для удовлетворения нужд полигона ТБО или локального потребителя является наиболее реалистичным.
При существующих в настоящее время ценах на электроэнергию потенциальный доход от эксплуатации одной биогазовой установки на типичном полигоне может составить годовой доход около 1,2 млрд. руб. Однако современная финансовая ситуация и практика монопольного распределения электроэнергии заставляют сомневаться в возможности отыскания платежеспособного потребителя на указанные объемы электричества. Поэтому в сложившихся условиях целесообразно использовать произведенную электроэнергию частично для собственных нужд предприятия эксплуатирующего полигон ТБО, а частично для производства энергоемкой продукции хозспособом (например, производства рассады цветов или овощей в теплицах), что дает возможность снизить ее себестоимость и сделать конкурентоспособной в условиях рынка.