Использование биогаза для теплоснабжения жилых домов



По данным Регионального кадастра отходов Тюменской области [1] в 2015 году в области образовалось около 2830 тыс. т. отходов производства и потребления (табл.1). По отношению к уровню 2010 года этот показатель увеличился почти в 2 раза, что объясняется ростом промышленного производства и уровня потребления.

Таблица 1

Динамика показателей по обращению сотходами

Показатель	Годы
	2010	2011	2012	2013	2014	2015
Количество предприятий, предоставивших сведений	2551	3704	4785	4896	5280	5205
Общее количество образованных отходов, тыс. т	1229.2	1749.6	2022.4	2665.2	2892	2830
Количество утилизированных и обезвреженных отходов, тыс. т	351.69	773.32	985.91	1547.34	1742.41	1962.4
Доля утилизированных и обезвреженных отходов в общей массе, процент	28.6	44.2	48.8	58.1	60.3	69.3

По данным таблицы 1 доля утилизируемых отходов составляет 69,3, в основном это отходы сельского хозяйства и предприятий пищевой промышленности. 37.7 % (1067.7 тыс. т.) ежегодно размещаются на полигонах твердых коммунальных отходов (ТКО) или свалках. По данным администраций муниципальных районов и городских округов, сортировка с целью извлечения вторичных материальных ресурсов из ТКО не осуществлялась. Только в г. Тюмени имеет место внедрение раздельного сбора твердых коммунальных отходов. При этом данная практика в 2016 году имела эпизодический характер с низким уровнем эффективности [2].

Накопление отходов на открытых площадках полигонов кардинально влияет на все элементы биосферы: изменение рельефа, режима испарения влаги и грунтовых вод, характера растительности, режимы поверхностного стока, кумуляция токсичных продуктов в биоте и передача по пищевой цепочке. Складирование отходов связано с отчуждением значительных территорий, зачастую неподлежащих восстановлению и рекультивации после окончания срока эксплуатации [3]. Суммарное воздействие отходов наносит синергетический экологический и экономический ущерб.

В толще твердых бытовых отходов, складированных на полигонах, под воздействием микрофлоры происходит биотермический анаэробный процесс распада органических составляющих отходов. Конечным продуктом этого процесса является биогаз, основную объемную массу которого составляют метан и диоксид углерода. Наряду с названными компонентами биогаз содержит пары воды, оксид углерода, оксиды азота, аммиак, углеводороды, сероводород, фенол и в незначительных количествах другие примеси, обладающие вредным для здоровья человека и окружающей среды воздействием [4].

При соответствующем техническом подходе метан, входящий в состав биогаза может быть собран, очищен и использован для генерации тепла или электроэнергии. Поэтому целью данного исследования явилась целесообразность утилизации биогаза, образующегося на Велижанском полигоне ТБО города Тюмени. В ходе исследования цели были решены следующие задачи:

1. Определены состав и условия накопления отходов на Велижанском полигоне ТБО
2. Определен качественный и количественный состав образующегося биогаза
3. Определено необходимо количества газа для теплоснабжения 20-ти этажного жилого дома.

Объектом исследования стали отходы селитебной территории города Тюмени (рисунок 1.). Предметом исследования выступил биогаз, образующийся путем метанового брожения на территории полигона. (рисунок 2).

Рис. 1. Морфологический состав твердых коммунальных отходов, образующихся на территории города Тюмени

Рис. 2. Ингридиентный состав биогаза, генерируемого в естественных условиях на Велижанском полигоне ТКО, г. Тюмени. (в % от общего объема)

По данным рисунка 2 можно сказать, что биогаз, полученный в естественных условиях, непригоден для применения в народном хозяйстве без предварительной подготовки из-за низкого содержания метана и наличия сероводорода и углекислоты. При использовании биогаза в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания необходима его предварительная очистка и осушка. Поэтому для интенсификации процесса выделения газа лучше отдать предпочтение искусственному сбраживанию в реакторах с пассивной тепловой защитой и принудительным удалением углекислого газа из рабочей зоны. Характеристика полученного в искусственных условиях биогаза приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Ингредиентный состав биогаза, генерируемого в искусственных условиях (в % от общего объема)

Таким образом, метановое брожение в специализированных ректорах позволяет увеличить выход чистого метана и снизить содержание негорючих примесей до приемлемых для утилизации в газовых котлах пределов. Кроме того, благодаря управлению процессом метаногенеза в ректорах возможно и увеличение общего количества образующегося биогаза. Сравнение удельного количества метана, образующегося в толще отходов на полигоне и в реакторе в кг на 1 тонну сбраживаемых отходов, и общее количество метана с учетом объема отходов, накапливаемое на территории Велижанского полигона в течение года, приведено на рисунке 4.

А) Б)

Рис. 4. Сравнение эффективности метанового сбраживания твердых коммунальных отходов (а — по общему количеству образующегося биогаза, в млн. м³/год, б — по удельному выходу метана, в кг/т отходов)

Для определения целесообразности использования биогаза, полученного искусственным путем, в теплогенерирующих установках были определены его теплофизические характеристики, приведенные в таблице 2.

Таблица 2

Характеристики	Компоненты биогаза					Биогазовая смесь (СН4 -95,75%, СО2–1%)
	СН4	СО2	Н2	Н2S	N2
Объемная теплота сгорания, МДж/м3	35,8	-	10,8	22,8	-	21.5
Предел воспламеняемости, %	5–15	-	4–30	4–45	-	5–12
Температура воспламенения, С	+650- +750	-	+585	-	-	+650-+750
Плотность при н. у., г/л	0,72	1,98	0,9	1,54	-	1,2

Получение тепловой энергии заключается в прямом сжигании биогаза в газовых котлах. Из 1 (м3) биогаза изымается 5–7кВт/ч тепловой энергии. В качестве объекта для расчета целесообразности использования биогаза принят 20 этажный жилой дом. Общей площадью 9872,4 м2 (рисунок 5)

Рис. 5. План объекта теплоснабжения

Принято считать, что 1кВт энергии идет на 10 м² площади помещения. Расчет тепловых потребностей здания произведен в соответствии с [5]. В результате для компенсации энергетических затрат на теплоснабжение и горячее водоснабжение указанного объекта потребуется 3546453,6кВт/год тепловой энергии.

Полученного объема биогаза достаточно для теплоснабжения и горячего водоснабжения выбранного объекта в течение 91,7 лет или для снабжения энергией 101 аналогичного дома.

Заключение

Проведенные исследования позволили установить следующее:

– Для интенсификации процесса выделения биогаза лучше отдать предпочтение искусственному сбраживанию в реакторах, что приводит к образованию 54 209 927,94 м3/год вторичного топлива.

– Данного объема биогаза хватает на отопление и горячее водоснабжение 101 20-этажного дома площадью 9872,4(м2).

– Использование биогаза в качестве вторичного энергетического ресурса целесообразно и позволяет решать экологические, ресурсосберегающие и социальные проблем утилизация и использование ТКО

Литература:

1. Региональный кадастр отходов Тюменской области, Тюмень — 2016
2. Доклад об экологической ситуации в тюменской области в 2016 году — Правительство Тюменской области, Тюмень — 2017
3. СП 2.1.7.1038–01 «Гигиенические требования к устройству и содержанию полигонов для твердых бытовых отходов» (утв. постановлением Главного государственного санитарного врача РФ от 30 мая 2001 г. N 16)
4. Афонин К. В., Жилина Т. С., Загорская А. А. Расчет выбросов на полигонах твердых бытовых отходов. Фундаментальные исследования, № 11–2014, 987–990 с.
5. Руководство АВОК-8–2011 «Руководство по расчету теплопотребления эксплуатируемых жилых зданий» — Департамент топливно-энергетического хозяйства города Москвы, Москва -2007