Одна из основных причин, по которым цивилизованные страны Европы с 2010 года прекращают прием несортированных бытовых отходов на полигонное захоронение, состоит в том, что при полигонном захоронении происходит биохимическая ферментация ТБО с выделением в атмосферу биогаза. Как известно, биогаз состоящий, преимущественно, из метана (30-50%) и углекислого газа (70-50%), во-первых, пожароопасен, а во-вторых, является одним из факторов возникновения «парникового эффекта».
И то, и другое относят к опасным антропогенным экологическим воздействиям. Вместе с тем, в ближайшем обозримом будущем полигоны ТБО в Российской федерации будут играть значительную роль в технологиях управления отходами производства и потребления. Исходя из этого, вопросы образования биогаза на полигонах ТБО и минимизация его воздействия на природную среду останутся актуальными на ближайшее время. Добиться снижения указанных опасных факторов можно либо сокращая захоронения органосодержащих отходов путем интенсификации процесса их вторичного использования, либо организованно собирая и используя биогаз на специально оборудованных полигонах, либо предотвращая образование метана, как наиболее опасного его компонента.
Еще большую актуальность вопросы управления биогазом на полигонах ТБО приобрели в связи с ратификацией Российской Федерации Киотского протокола, который накладывает определенные ограничения на количество выбросов в атмосферу от антропогенной деятельности каждой страны, в т.ч. РФ.
В то же время биогаз, образующийся при биохимической ферментации многих видов органосодержащих отходов, таких как осадки сточных вод, отходы сельскохозяйственных производств, отходы предприятий пищевой промышленности, уже многие годы используется как альтернативное местное возобновляемое топливо. Существует и развивается рынок оборудования и технологий для производства и энергетического использования этого топлива.
Однако, рыночного (бездотационного) использования биогаза образующегося на полигонах ТБО, в настоящее время в России практически не происходит. И это, несмотря на востребованность любых видов альтернативных топлив на мировых рынках, в условиях интенсивного роста цен на традиционное ископаемое углеводородное топливо.
Рассмотрим объективные причины, препятствующие развитию этого сегмента топливного рынка.
Обзор публикаций по проблематике использования биогаза на полигонах ТБО показывает, что все они без исключения сводятся к разработке методик оценки газового потенциала полигонов и к технологиям сбора биогаза. Следует отметить, что здесь достигнут заметный научно-технический прогресс (работы А.Н. Ножевниковой,, А.Б. Лифшица, Я. И. Вайсмана, Л.В. Рудаковой, Т.Г. Середа и многих др.). Но при этом практически отсутствуют исследования энергетической эффективности и экологической безопасности при использования биогаза, образующегося на полигонах ТБО.
Остановимся сначала на экологических аспектах. Многочисленными исследованиями(Вайсман Я.И. и др.,2003) показано, что кроме основных компонентов ( метан, диоксид углерода, азот, кислород, водород), биогаз с полигонов ТБО содержит так называемые микропримеси, к которым относятся: толуол, аммиак, ксилол, оксид углерода, оксид азота, формальдегид, сернистый ангидрид, этилбензол, сероводород, фенол, цианистый водород. Здесь же обнаружен и целый ряд других нормируемых компонентов выбросов в атмосферу 2-го класса токсичности, таких как галогенированные углеводороды: дихлорметан, трихлорметан, хлорэтан, трихлорэтан, а также трихлорэтилен и его гомологи. При этом суммарное содержание хлора в микропримесях составляет 25-40 мг/м3, что в 250-400 раз превышает ПДК. Эти данные не только подтверждают опасность биогаза с полигонов ТБО, но, и указывают на необходимость специальных дорогостоящих систем газоочистки при сжигании биогаза в любых целях для любых применений. Кроме того, выше приведенные данные, с высокой степенью вероятности указывают на наличие в продуктах сгорания биогаза любых гомологов диоксинового ряда, ибо для образования в продуктах сгорания этих опасных соединений есть все условия. К сожалению таких экспериментальных исследований никто пока не проводил, хотя расчетные данные в литературе имеются.
Таким образом, рыночное использование в качестве энергетического топлива биогаза с полигонов ТБО в определенной мере ограничивается высокой стоимостью природоохранных устройств на энергогенерирующих установках. В долевом отношении от стоимости основного оборудования, стоимость этих устройств не может быть ниже долевой стоимости газоочистного оборудования мусоросжигательных заводов, где она достигает 50% от стоимости завода и где практически тот же набор загрязняющих веществ присутствует в потоке отходящих газов. В данном случае этот процент должен быть много выше, ибо масштаб производства много меньше, а физико-химические принципы газоочистки те же.
Обычно применяемые системы очистки биогаза с полигонов ТБО предназначены только для его кондиционирования перед применением, но не после него. Как отмечается в рабочих материалах учебных курсов международной ассоциации по твердым отходам «Проектирование и эксплуатация полигонов для захоронения твердых отходов в странах с переходной экономикой», для очистки здесь применяют только обезвоживание с применением триэтиленгликоля и очистку от сероводорода, пропуская биогаз через паровоздушную смесь. Отметим тот факт, что для функционирования рекомендуемых технологических процессов необходима энергия в количестве от 2,0 до 3,3 квт/кг/час очищаемого биогаза (компрессоры, насосы, привода арматуры и пр.).
Рассмотрим теперь эффективность производства энергии при использовании в качестве термодинамического рабочего тела биогаза с полигонов ТБО. Как отмечается в тех же рабочих материалах: «Существуют два основных варианта производства электроэнергии на месте – с помощью двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. При использовании газа в двигателе внутреннего сгорания, обычно необходима компрессия газа до ~33кРа. Для использования в газовой турбине необходима более высокая компрессия, порядка 100кРа». Абсолютно верные цифры, но (!) все без исключения исследователи, при подсчете энергетической эффективности производства энергии из биогаза, во-первых, забывают учесть их при сведении энергетического баланса, а, во-вторых, не учитывают что при таком сжатии биогаз разогревается до температуры превышающей точку его самовоспламенения 82,50С, поэтому его надо охлаждать и для этого также необходима энергия.
Проведенное автором по стандартным методикам сравнение затрат работы на сжатие в компрессоре и производство работы в турбине показывает, что без внешнего источника энергии система утилизации тепла отходящих газов с производством электроэнергии в ГТУ при сжигании биогаза с полигонов ТБО (учитывающая все без исключения энергозатраты на добычу, подготовку, транспортировку и производство энергии) не является автономной и сама себя не окупает.
При использовании в качестве привода электрогенератора не ГТУ, а ДВС, может быть проведен подобный анализ со сходными результатами, но, кроме того, как показано в работах по исследованию возможности применения продуктов химической переработки биогаза в качестве моторного топлива, высокая их стоимость и наличие сернистых примесей делают и технологическую схему с ДВС нерентабельной.
Реальным, с точки зрения энергетической эффективности, а значит и коммерциализации, является только теплофикационный сценарий использования биогаза с полигонов ТБО для локального применения. Однако, и здесь необходим сравнительный анализ стоимости тепловой энергии получаемой для теплофикационных целей из различных источников (тепловые сети, локальные отопительные котельные и т.п.)
Следовательно, если сферу рентабельного энергетического использования биогаза вряд ли возможно точно оценить, при сегодняшнем уровне развития техники, то, пожалуй, единственным способом коммерциализации проблемы становится подавление метаногенеза на полигонах ТБО и последующая продажа квот в рамках Киотского протокола.
Технологии подавления метаногенеза на полигонах ТБО, как правило, предполагают аэрацию свалочного тела за счет принудительной (Aglietto, Rainhardt) или естественной вентиляции (А.М.Гонопольский, В.Е.Мурашов).
Разработанные и внедренные технологии предотвращения образования метана и снижения экологической и пожарной опасности свалок и полигонов для захоронения ТБО состоят в том, что преимущественно аэробная ферментация ТБО достигается за счет вентиляции свалочного тела с помощью приточно-вытяжной префорированой трубной системы в свалочном теле. При этом может быть использована и трубная система для традиционно предлагаемого сбора биогаза на полигонах. Затраты на принудительную и естественную аэрацию в 150-200 раз ниже, чем на энергетическое использование биогаза, следовательно рентабельность рынка продаж квот на выброс парниковых газов выше.
Источник: www.methanetomarkets.ru |
