Предложения по строительству полигона ТБО и рекультивации несанкционированных свалок

6.4. Устройство системы сбора биогаза на полигоне ТБО

 

Обеспечение экологической  безопасности полигонов ТБО возможно путем их правильного обустройства и эксплуатации. Помимо сокращения ущерба, наносимого окружающей природной  среде, достигается дополнительная энергетическая выгода от сбора и  утилизации метансодержащего газа.

Один из эффективных способов обеспечения экологической безопасности полигонов ТБО - это сбор биогаза  с последующим энергетическим использованием его.

Эмиссия органических веществ  может отличаться в несколько  раз для разных полигонов ТБО. Действительная величина эмиссии органических веществ может быть определена только на основании измерений, реализованных  после начала стабильного метаногенеза. Для грубой оценки величины эмиссии  можно использовать рекомендуемые  данные Американского агентства  защиты окружающей среды (US EPA), представляющие собой обобщение измерений выбросов органических веществ, проведенных  на 23 полигонах ТБО в США. В  процессе проведения программы измерений  было подтверждено, что величина концентрации органических веществ в выбросах в атмосферу зависит от полигона и может изменяться от 0.024 до 1.43 об. %.

Процедура сбора и сжигания биогаза позволяет существенно (в 2-4 раза) снизить эмиссию органических веществ в атмосферу. Поэтому, даже простое сжигание биогаза в факеле является мощным экологическим мероприятием.

Согласно "ГОСТ Р 51750-2001. Энергосбережение. Методика определения энергоемкости  при производстве продукции и  оказании услуг в технологических  энергетических системах. Общие положения" биогаз относится к  традиционным  энергоресурсным продуктам (энерготоварам) согласно приложению А ИСО 13600.

Утилизация биогаза на полигонах ТБО требует инженерного  обустройства полигона (создание изолирующего экрана, газовых скважин, газосборной  системы и др.).

Наиболее распространенная система сбора биогаза состоит  из сети вертикальных скважин, связанных  между собой горизонтальными  трубами, которые собирают получаемый биогаз и подают его на свечу или  в оборудование для энергетического  использования. Скважины могут буриться, когда свалка полностью или одна из ее секций заполнены. Также скважины могут сооружаться постепенно, по мере заполнения отходами работающей свалки. При помощи горизонтальной связи вертикальных скважин в  нижней их части извлечение биогаза  может начаться уже во время заполнения свалки. Расстояние между скважинами обычно не превышает 50 метров (2-3 скважины на гектар). В зависимости от местных  условий количество газа составляет от 5 - 50 м³/ч до 250 м³/ч на одну скважину.

В случае если система сбора  газа устанавливается в процессе заполнения свалки, для дегазации  предпочтительнее создать сеть горизонтальных коллекторов. Горизонтальные системы  для извлечения биогаза могут  быть размещены в поверхностных  слоях свалки на глубине 2-4 метра. На глубоких свалках с целью увеличения эффективности сбора совместно  используют вертикальные скважины и  горизонтальные коллекторы.

Система сбора биогаза  должна включать конденсатосборники (КС), количество которых определяется геометрией свалочного тела и газосборных коллекторов. В случае расположения КС за пределами  участка захоронения ТБО, конденсат  должен возвращаться на полигон или  же подаваться в систему обработки  и удаления фильтрата. Технологическая схема системы сбора биогаза представлена на рисунке 6.4.а.

РИСУНОК 6.4.А

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА СИСТЕМА  СБОРА БИОГАЗА

Карта полигона оборудуется  скважинами. Отвод биогаза от скважин  осуществляется по дегазационным трубопроводам  к газосборному пункту. Разряжение в газопроводах создается за счет установки вакуум-компрессора, после  которого биогаз направляют в газораспределительный  пункт, далее газ идет на станцию  подготовки биогаза, где происходит его чистка и сушка, или в целях  безопасности на газовый факел. Для  использования биогаза в качестве топлива для газопоршневых машин  его необходимо очищать от вредных  примесей (Н2S и кремневых соединений), для этого должны использоваться сорбционные установки. Очищенный  биогаз поступает в блок Мини-ТЭС, где установлены газовые двигатели, соединенные с генераторами электрического тока. Излишки газа направляются в  котельную установку.

Потенциал образования метана зависит от морфологического состава  ТБО и климатических условий региона, в котором расположен полигон и может изменяться от 6,2 до 270 м³/т ТБО для разных полигонов. В зависимости от содержания метана низшая теплота сгорания свалочного биогаза составляет 18-24 МДж/м³ (примерно половину теплотворной способности природного газа).

Факторы, влияющие на количество образующегося биогаза:

- количество, тип и возраст  отходов;

- влагосодержание;

- температура;

- рН (кислотность);

- условия на полигоне (состояние поверхности, крутизна  склонов, наличие промежуточных  слоев, брикетирование «хвостов»).

Для того, чтобы определить количество биогаза, образующегося  из одной тонны ТБО конкретного  полигона, необходимо учесть массовую долю органического углерода в ТБО (т С/ т ТБО) и долю углерода, участвующего в образовании метана и углекислого  газа (коэффициент разложения углеродосодержащих соединений). Как правило,  количество образующегося биогаза растет с  увеличением общего количества ТБО  на полигоне вплоть до момента предполагаемого  закрытия полигона.

Использование в расчетах справочных данных о морфологическом  составе ТБО, типичных для России, приведенных для средней климатической  зоны, приводит к величине 110-120 м³ биогаза/т ТБО.

Ниже  приведены пять основных вариантов утилизации биогаза:

– простое сжигание в  факеле;

– транспортировка биогаза  к потребителю по газовым трубопроводам  и продажа в качестве заменителя природного газа (в случае наличия  потребителей в радиусе менее 5 км);

– выработка электроэнергии на полигоне;

– выработка электроэнергии с частичной утилизацией теплоты  на полигоне;

 – использование биогаза  в качестве топлива для автомобилей.

Капитальные затраты включают несколько составляющих: материалы  для строительства скважин, горизонтального  коллектора, факельной установки; работы по бурению скважин, монтажу скважин  и коллекторов, а также работы по подготовке полигона для строительства  системы сбора и утилизации биогаза.

Общие затраты на изготовление факельного устройства и опорной  колонны (высота 10-12 м, диаметр 150 мм), транспортировку, строительство фундамента, а также  работы по установке и подсоединению  факела к трубопроводу биогаза могут  составить до 400 тыс. руб.

Для получения тепловой энергии  биогаз может сжигаться в модернизированных  котлах, мощность которых определяется количеством биогаза. Для сжигания биогаза могут применяться специально разработанные под биогаз подовые  горелки МПИГ-3б (модернизированная  подовая излучающая горелка для  сжигания биогаза). Стоимость одной  горелки составляет около 120 тыс. руб.

Для комбинированной выработки  теплоты и электроэнергии из биогаза  могут использоваться стационарные газопоршневые мини-ТЭЦ ТАП-200Я/300-1 по 0,2 МВтэл + 0,286 МВтт каждая на базе двигателей ЯМЗ-240. Стоимость одной такой  мини ТЭЦ, работающей на природном газе, составляет 990 тыс. руб. с НДС без  пусконаладочных работ для ТАП-200Я/300-1 на базе двигателей ЯМЗ-240 и 980 тыс. руб. с НДС без пусконаладочных  работ для ТАП-200Б/300-1 на базе двигателей 1 Г12 Барнаульского завода «Трансмаш» (двигатели необходимо перевести  на биогаз).

Одно из возможных направлений  утилизации избыточной теплоты и  электроэнергии произведенной из биогаза  является создание внутриполигонного  хозяйства, производящего пользующуюся спросом продукцию с использованием образующегося избытка энергии. Наиболее очевидным является развитие тепличного хозяйства с выращиванием овощей или цветов.

Потенциально привлекательным  является получение биометана из биогаза полигонов ТБО и использование  его в качестве моторного топлива. На Западе существуют многочисленные демонстрационные проекты получения  моторного топлива из биогаза, финансирующихся  из различных фондов. Однако стоимость  получаемого биометана пока не может  конкурировать со стоимостью природного газа, по крайней мере, при существующих в настоящее время ценах на природный газ.

Эффективная работа системы  сбора биогаза  является следствием  правильного проектирования и эксплуатации полигонов по захоронению ТБО, в  том числе наличию системы  сбора и откачки фильтрата.

Эффективность сбора биогаза  определяется отношением количества собранного биогаза к количеству образованного биогаза.

Эффективность сбора зависит  от:

• типа объекта (полигон или свалка);
• типа/конструкции системы сбора;
• степени охвата тела полигона системой сбора;
• характеристики отходов – проницаемости;
• эксплуатации системы сбора.

Эффективность сбора, которой  можно добиться на спроектированных и санитарных полигонах ~ 60-90%

Экономические расчеты показывают, что наиболее рентабельными для  установки систем сбора и утилизации свалочного газа являются крупнейшие полигоны с объемом накопления отходов  более 1 млн. т и глубиной более 10 м.

В таблицах 6.4.1-6.4.3. приведена финансовая модель и оценка эффективности применения системы сбора биогаза.

ТАБЛИЦА 6.4.1.

ФИНАНСОВАЯ МОДЕЛЬ. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЕКТА

Объем сбора биогаза	5 млн. куб.м/год
Снижение эмиссий ПГ	около 40 тыс. т СО2-экв./год
Расчетная мощность двигатель-генератора, который может быть установлен для  производства электроэнергии на биогазе	1 МВт
Тариф продажи электроэнергии	35 евро/МВт-ч
Ставка дисконтирования	10%
Стоимость ЕСВ	8 евро/т СО2-экв.

 

ТАБЛИЦА 6.4.2.

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ИНВЕСТИЦИОННЫХ ЗАТРАТ ПО ПРОЕКТУ СБОРА И УТИЛИЗАЦИИ БИОГАЗА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

№ п/п	Статья затрат	Стоимость, тыс. руб.
		Сжигание на факеле	Производство электроэнергии
1.	Тестовое бурение	1 148	1 148
2.	Покрытие полигона	3 061	3 061
3.	Система сбора	3 826	3 826
4.	Модуль: факел+газодувка+система  мониторинга	5 739	5 739
5.	Доставка, пошлины и установка  модуля	1 722	1 722
6.	Система утилизации (двигатель-генераторы)	-	28 695
7.	Планирование /проектирование/менеджмент	1 530	4 209
8.	Полная стоимость проекта  с учетом 5% непредвиденных затрат	16 069	50 886
9.	Годовые эксплуатационные расходы	1 148	1 148

 

ТАБЛИЦА 6.4.3.

ФИНАНСОВЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЕКТА

№ п/п	Финансовые показатели	Сжигание на факеле		Производство электроэнергии
		Без продажи ЕСВ	С продажей ЕСВ	Без продажи ЕСВ	С продажей ЕСВ
1.	Средний годовой доход, тыс. руб.год	-	9 182	9 565	21 808
2.	Чистая приведенная стоимость, тыс. руб.	-	25 405	-18 996	41 749
3.	Внутренняя норма рентабельности, %	-	40,2	0,8	22,5
4.	Простой срок окупаемости, лет	-	2,5	10,3	3,7

 

Средний срок окупаемости  проекта по утилизации свалочного газа для производства электроэнергии 8-10 лет, а с учетом продажи единиц сокращения выбросов – менее 4–х лет.

Утилизация биогаза зависит  от морфологического состава отходов  и условий строительства и  эксплуатации полигонов. Поэтому до принятия решения о строительстве  полномасштабной системе сбора  и утилизации биогаза на полигоне ТБО рекомендуется проводить  программу мониторинга -  полевые  исследования на стадии планирования проекта.

Основными задачами полевых  исследований являются измерение качества биогаза и его количества, измерение  качества биогаза и его количества, измерение физических параметров на разных глубинах в теле полигона, определение  уровня фильтрата.

Существуют различные  варианты проведения полевых исследований. Однако все варианты предусматривают  бурение нескольких скважин (как  правило трех)  для сбора биогаза, отбор проб отходов для дальнейшего  лабораторного исследования по крайней мере в течение трех месяцев; принудительный газоотбор с помощью газовых насосов в течение определенного периода (от нескольких часов до нескольких недель) с  одновременным измерением потока и состава биогаза.

В виду отсутствия в настоящее  время данных о фактических объемах  образования биогаза при предлагаемой системе захоронения (прессование  в тюки) в Уренском районе в Генеральной  схеме предусматривается сжигание биогаза на факеле.