Энергетическая утилизация свалочного газа

Эффективное управление отходами производства и потребления предполагает системную деятельность по нескольким направлениям: информационно-просветительская работа с населением, построение системы раздельного сбора твердых бытовых отходов (далее – ТБО), разработка эффективной логистической схемы транспортировки ТБО, глубокая сортировка и повторное использование отходов, утилизация или захоронение, рекультивация площадей занятых полигонами ТБО.

Значительная часть инфраструктуры обращения с отходами в Российской Федерации морально и технически устарела и в значительной степени не соответствует современным природоохранным требованиям. Введение Государственного реестра объектов размещения отходов (Далее – ГРОРО) систематизировало информацию об имеющихся объектах фактического размещения отходов и степени их соответствия нормативам и требованиям.

Исторически сложившаяся экономическая модель полигонов ТБО предусматривает эксплуатацию последних исключительно в качестве пассивных площадок захоронения ТБО с минимизированным фондом средств механизации, дополненную малопрозрачными схемами ручной сортировки отходов. Подобная модель обращения с отходами предопределяет потерю значительной части доходов обусловленных нарушением нормативов захоронения отходов, малой глубиной сегментации и сортировки отходов, пассивным характеров энергокомплекса полигона ТБО. Вместе с тем необходимо отметить высокий энергетический потенциал ТБО как высококалорийного органического топлива (2,1-3,3 кВт ч/кг) и возможность построения высокоэффективного комплекса энергетической утилизации свалочного газа.

Процесс метаногенеза неразрывно связан с захоронением органосодержащих отходов на полигонах ТБО. Принятая в большинстве стран мира концепция захоронения ТБО в приповерхностном слое земли предопределяет интенсивное биохимическое разложение отходов с образованием свалочного газа. Качественный состав свалочного газа наряду с парниковыми (метан, диоксид углерода) газами включает высокотоксичные соединения (сероводород, диоксид серы, оксиды азота, углерода и т.д.). Помимо непосредственной эмиссии свалочного газа разложение отходов в условиях повышенной влажности и температуры в теле полигона приводит к самопроизвольному возгоранию внутренних слоев и как следствие выделение в атмосферу вредных, канцерогенных продуктов горения. Совокупность данных факторов усугубляет негативное воздействие полигонов ТБО на экосистему региона. Наличие достаточно высокой концентрации метана в свалочном газе позволяет рассматривать свалочный газ в качестве альтернативного топлива. Средняя теплота сгорания (калорийность) свалочного газа составляет 23 300 кДж/м³ (5 500 Ккал/м³). Для примера, теплота сгорания природного газа 35 000-43 000 кДж/м³.

Таким образом, актуальны работы в области построения современного эффективного энергокомплекса на базе эксплуатируемого или закрытого полигона ТБО.

В России эксплуатируется более 1300 полигонов ТБО общей площадью порядка 15 тыс. Га. Перспективность утилизации свалочного газа дополнительно определяется захоронением 97% (более 29 млн. т) ежегодно образующихся отходов. Ежегодная эмиссия свалочного газа оценивается величиной 1,1 млрд. м³ (788 тыс. т), что превышает мировой объем утилизации свалочного газа. Совокупность различных факторов сдерживают развитие установок энергетической утилизации свалочного газа в России. Хотя достаточно успешно функционирует ряд проектов в этой области: среди них проекты в городах Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Волгоград, Самара, Московской области, готовится к реализации проект в Республике Татарстан и др. регионах.

Примером успешной практики энергетической утилизации свалочного газа может служить когенерационная установка (Висконсин, США). Инженерно-технический комплекс которой включает: систему газопровода длиной 3 мили, турбину мощностью 3.2 МВт с парогенераторной установкой утилизации тепла отводимых газов. В результате интеграции комплекса потребление традиционных видов топлива сократилось на 50%, выбросы парниковых газов – на 47%. Чистый доход от эксплуатации составляет $1 млн./год.

В условиях климатического и географического положения России целесообразность энергетической утилизации свалочного газа лишь возрастает. Однако фактически широкого распространения подобные проекты не получили. Анализ факторов сдерживающих развитие отрасли энергетической утилизации свалочного газа в Российской Федерации позволил выделить несколько факторов:

- неполнота и недостоверность информации о количественном и качественном составе отходов на полигонах ТБО. В результате осложняется выполнение первичного технико-экономического обоснования проекта.

- отсутствие действующих систем газоотвода на полигонах ТБО.

- отсутствие действенной нормативно-правовой базы регламентирующей деятельность малой распределенной энергетики и альтернативной энергетики.

- высокая стоимость портфельных решений западных компаний.

Как видно, помимо инфраструктурных издержек серьезным сдерживающим фактором служит несовершенство нормативно-правовой базы. Данный вопрос актуален для всей отрасли альтернативной и возобновляемой энергетики. Сказывается специфика малой альтернативной энергетики. Наличие периодов избытка и недостатка мощности. Коренным решением проблемы может стать комплексное рассмотрение вопроса управления отходами на полигоне. Перевод функционала полигона от объекта захоронения отходов на комплексное предприятие по переработке, утилизации и захоронению в максимальной степени инертной массы отходов. Расширение функционала неизбежно потребует дополнительных энергозатрат. Компенсацию которых и призван обеспечить энергокомплекс полигона ТБО. Одновременно решается задачи снижения антропогенной нагрузки на экосистему региона.

Проводимые в КФУ исследования направлены на разработку методологических основ управления отходами и отечественных инженерных решений в области управления метаногенезом и энергетической его утилизации. Проведя декомпозицию поставленной задачи было выделено несколько условно независимых направлений исследования:

- исследование морфологического состава тела полигона;

- моделирование жизненного цикла внутренних процессов полигона;

- анализ энергетического потенциала полигона ТБО;

- разработка проблемно-ориентированной методики дегазации полигона ТБО;

- системный анализ процесса переработки, утилизации и захоронения ТБО, разработка методологии управления полигоном ТБО и построения эффективного энергокомплекса на основе установок альтернативной энергетики.

В качестве объекта выбран полигон ТБО, расположенный в непосредственной близости к г. Казань. За время эксплуатации на полигоне сформированы заполненные карты захоронения отходов которые и предложено использовать в качестве опытно-экспериментальных участков.

Проведены полевые исследования концентрации метана в поверхностном слое полигона. Разработан проект исследовательской газоотводной шахты. Прорабатывается вопрос адаптации современных высокоэффективных электрогенерирующих установок к работе на свалочном газу.

Разработанная в результате исследований методология управления отходами и энергетической утилизации свалочного газа позволит повысить эффективность функционирования полигона ТБО, минимизировать объем захоронения отходов и негативное воздействие на экосистему региона.