содержание сухой субстанции меньше %) и сухой ферментацией (содержание сухой
субстанции - %).
При влажной ферментации часто используются понятия "непрерывные" и
"прерывистые" процессы. Влажная ферментация является в Европе наиболее
распространенным процессом биогазовых установок, базирующихся на влажной
ферментации исходных субстратов [].
Схема получения и применения биогаза представлена на рис. 4
При производстве биогаза происходят следующие этапы ферментации:
1. Гидролиз:
Органическая субстанция при помощи бактерий расщепляется на более мелкие
единицы.
2. Образование кислоты:
На этом этапе бактерии расщепляют более мелкие молекулярные единицы до
органических кислот.
3. Образование уксусной кислоты:
Бактерии расщепляют органические кислоты и спирты на уксусную кислоту,
угледиоксид и водород.
4. Образование метана [].
Для получения биогаза возможно использовать различные объекты агропромышленного
комплекса.
Рис. 4. - Схема получения и применения биогаза
Потенциал производства биогаза представлен в таблице 4.9.
Таблица 4. – Потенциал производства биогаза
Емкость ферментера, м
Количество голов, ед.
Продукция биогаза
MДж/день
м/день
Куры – несушки
Свиное поголовье
Дойный скот
Удельный расход биогаза для газопоршневых когенерационных установок колеблется
в пределах , – , нм на кВт установленной электрической мощности [].
4.5. Биогазовые технологии для утилизации метана свалок твердых бытовых
отходов
Резкий рост потребления в последние десятилетия во всем мире привел к
существенному увеличению объемов образования твердых бытовых отходов (ТБО). В
настоящее время масса потока ТБО, поступающего ежегодно в биосферу достигла
почти геологического масштаба и составляет около
млн. тонн в год. Влияние потока ТБО остро сказывается на глобальных
геохимических циклах ряда биофильных элементов, в частности органического
углерода. Так, масса этого элемента, поступающего в окружающую среду с
отходами, составляет примерно млн. тонн в год, в то время как общий
естественный приток углерода в почвенный покров планеты составляет лишь ,
млн. тонн в год [].
Одним из основных способов удаления ТБО во всем мире остается захоронение в
приповерхностной геологической среде. В этих условиях отходы подвергаются
интенсивному биохимическому разложению, которое вызывает в частности генерацию
свалочного газа [].
Эмиссии свалочного газа, поступающие в природную среду, формируют негативные
эффекты как локального, так и глобального характера. По этой причине во многих
развитых странах мира осуществляются специальные мероприятия по минимизации
эмиссии свалочного газа. Это фактически привело к возникновению самостоятельной
отрасли мировой индустрии, которая включает добычу и утилизацию свалочного
газа.
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, ее географического положения и культурных особенностей. Однако в целом,
доля органических фракций ТБО колеблется по миру не столь значительно - от %
в развитых странах, до % - в развивающихся. Если учесть фракции
представленные древесными отходами, то эти величины возрастут соответственно до
% и %.
В условиях захоронений, куда поступает практически % 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
(СГ), макрокомпонентами которого являются метан (СН) и диоксид углерода
(СО).
Можно утверждать, что в среднем газогенерация заканчивается в свалочном теле в
течение - лет, при этом удельный выход газа составляет - куб. м на
тонну ТБО [, ].
Стехиометрия процесса газообразования может быть описана следующим упрощенным
уравнением реакции:
n CHO + n HO -> n CH + n CO (4.)
Существенное варьирование газопродуктивности и скорости процесса определяется
условиями среды, сложившимися в конкретном свалочном теле. К числу параметров,
контролирующих биоконверсию, относятся влажность, температура, рН, состав
органических фракций. Их комплексное влияние отражается в следующем уравнении
кинетики реакции газообразования первого порядка:
Q = MЧqЧe-kt (4.)
где Q - количество биогаза (куб. м), генерированное за время t (год);
M - масса отходов (т);
q - удельный газовый потенциал (куб. м/т);
k - константа скорости реакции газообразования (/год).
На практике для прогноза газообразования применяют различные модификации
формулы 4.6. Их основное различие сводится к количеству фракций органического
вещества ТБО, включаемых в рассмотрение. Как правило, в составе органического
вещества выделяют быстро-, средне- и медленно разлагаемые материалы. Они
существенно различаются по своим физико-химическим свойствам и сроком
биологического распада. Так, например, разложение "быстрых" фракций завершается
в течение - лет, в то время как биоконверсия "медленных" протекает в течение
десятилетий. В зависимости от количества фракций, включаемых в формулу 4.,
прогнозные модели принимают вид одно-, двух- и трехфазных.
Как правило, наиболее интенсивно процесс протекает в первые лет, за которые
выделяется около % полного запаса свалочного газа.
По данным, предоставленным компанией Horus Energia (Польша), которая вела
мониторинг выхода биогаза в зависимости от времени эксплуатации скважины,
получена зависимость представленная на рис. 4
Рис. 4. - Зависимость расхода биогаза от времени эксплуатации скважины ТБО:
- экспериментальные данные; – данные математического моделирования.
Структурная схема добычи и использования свалочного биогаза представлена на
рис. 4
Свалочный газ из скважин в свалке ТБО нагнетается в накопительном
(коллекторном) блоке и поступает в компрессорный блок, где происходит
увеличение его давления до - кПа. Далее свалочный газ поступает в
когенерационную установку, где происходит выработка электрической и тепловой
энергии. В связи с тем, что процесс добычи биогаза беспрерывный, то в случае
останова когенерационной установки на техническое обслуживание или снижение ее
мощности, весь биогаз или часть его поступает на факельную горелку [].
Рис. 4. – Структурная схема добычи и использования свалочного биогаза.
Каждая скважина осуществляет дренаж конкретного блока ТБО, условно имеющего
форму цилиндра. Устойчивость работы скважины может быть обеспечена, если ее
дебит не превышает объема вновь образующегося СГ. Оценка газопродуктивности
существующей толщи ТБО проводится в ходе предварительных полевых
газо-геохимических исследований.
Сооружение газодренажной системы может осуществляться как целиком на всей
территории полигона ТБО после окончания его эксплуатации, так и на отдельных
участках полигона в соответствии с очередностью их загрузки. При этом надо
учитывать, что для добычи свалочного газа пригодны свалочные тела залегающие на
глубине не менее м. Желательно также, чтобы территория полигона ТБО, на
которой намечается строительство системы сбора, была рекультивирована, т.е.
перекрыта слоем грунта толщиной не менее - см [].
Для добычи СГ на полигонах ТБО применяются вертикальные скважины. Обычно они
располагаются равномерно по территории свалочного тела с шагом - м между
соседними скважинами. Их диаметр колеблется в интервале - мм, а глубина
определяется мощностью свалочного тела и может составлять несколько десятков
метров. Для проходки скважин используется как обычное буровое оборудование, так
и специализированная техника, позволяющая сооружать скважины большого диаметра.
При этом, выбор того или иного оборудования обычно обусловлен экономическими
причинами [].
Температура свалочного газа в толще отходов может достигать - °С, а
содержание влаги - -%. После экстракции свалочного газа из свалочного тела и
его поступления в транспортные газопроводы, происходит резкое снижение
температуры, что приводит к образованию конденсата, который может выделяться в
значительных количествах. Ориентировочно, при добыче биогаза в объеме
м/час в сутки, образуется около м конденсата. Поэтому отвод конденсата с
помощью специальных устройств является задачей первостепенной важности, т.к.
его наличие в газопроводе может затруднить или сделать невозможной экстракцию
свалочного газа или повлиять на работу когенерационной установки.
При выборе типа когенерационной установки следует руководствоваться
рекомендациями, приведенными в 4. и 4.2. Это связано с тем, что биогаз со
свалки ТБО является намного «чище» (не содержит примесей, негативно влияющих на
элементы ГПД) по сравнению с природным газом, хоть и является менее калорийным.
Это весьма положительно сказывается на элементах когенерационных установок, что
ведет к увеличению срока службы до капитального ремонта. В связи с тем, что
калорийность биогаза меньше, то и воздуха для воспламенения необходимо подавать
пропорционально содержанию метана.
Как правило, существенную роль при реализации таких проектов решают показатели
экономической эффективности.
4. Выводы по
разделу
В связи с разнообразием когенерационных технологий, анализ выбора для
конкретного объекта, в первую очередь, следует начинать с оценки эффективности
использования топлива. А в дальнейшем, рассматривать особые требования, которые
необходимо выполнить (повышенные требования по экологическим выбросам, шуму,
вибрациям и т.д.).
Как показал анализ, наиболее энергетически эффективным оборудованием является
когенерационная установка на базе газопоршневого двигателя внутреннего
сгорания. Однако, в диапазоне мощностей – кВт, наиболее эффективными
оказались когенерационные установки на базе микротурбинных технологий. Это
связано с тем, что были учтены технологические и экологические показатели
эффективности, которые оказали более существенное влияние на общую
эффективность, чем энергетические. При реализации когенерационного проекта
определяющими показателями целесообразности внедрения всегда будут
экономические, рассмотренные в
разделе 5.
РАЗДЕЛ 5. АНАЛИЗ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ КОГЕНЕРАЦИОННЫХ
УСТАНОВОК КАК АВТОНОМНОГО ИСТОЧНИКА ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ.
Экономическая рентабельность систем когенерации в значительной степени
определяется местными условиями. На нее влияют требования конечного
потребителя, характер его технологического оборудования и электроприемников,
стоимость покупной электроэнергии и тепла, надежность внешней энерго- и
теплосистемы, цена и доступность топлива, располагаемые производственные
площади, наличие персонала.
Полный экономический анализ требует детальной технико-экономической проработки.
Должен быть выполнен сравнительный анализ капитальных и текущих затрат для
различных источников энергии - традиционных и когенерационных, и проведена
оптимизация выбранной конфигурации. Следует также проанализировать различные
варианты владения установкой (полное владение или владение с участием третьих
сторон) [].
Экономика когенерации зависит от ряда параметров, определяющих эксплуатационные
расходы, в том числе:
стоимость энергии от внешних источников;
стоимость топлива, включая основное и альтернативное;
стоимость ремонтно-профилактических, плановых и неплановых работ;
федеральные и местные налоги на прибыль, добавленную стоимость и т.п.;
административные расходы.
Поэтапная процедура экономической оценки рентабельности проекта когенерации
наиболее целесообразна. Она делится на три стадии:
Осмотр места.
Предварительный экономический анализ.
Развернутый экономический анализ. Осмотр места, или первичное ознакомление с
площадкой необходимо для того, чтобы понять, насколько она технически отвечает
требованиям установки системы когенерации, и может ли система в данном месте
работать рентабельно.
Предварительный экономический анализ является основой принятия решения о том,
стоит ли приступать к развернутому анализу. Основу такого анализа должны
составлять данные по текущим затратам Заказчика на энергоносители.
Наиболее полные данные экономической целесообразности внедрения систем
когенерации может дать энергетический аудит (энергоаудит).
Энергоаудит предприятия — это комплексное обследование с целью определения
структуры, эффективности энергетических затрат предприятия, выявления наиболее
энергозатратных узлов, определения причин потерь и разработки рекомендаций по
их устранению [].
Требования к энергоаудиту - это общая направленность на определение
эффективности энергозатрат предприятия и поиск оптимальных путей их
сокращения.
Состав работ по энергоаудиту условно можно поделить на этапа:
этап — обследование предприятия и сбор исходных данных;
этап — обработка и анализ исходных данных;
этап — разработка энергосберегающих мероприятий;
этап — технико-экономическое обоснование предложенных мероприятий [].
Результатом работ по энергоаудиту является информационный продукт, оформленный
в виде технического отчета. Предоставляемый заказчику отчет в общем случае
содержит:
краткое описание существующего энергетического хозяйства предприятия;
перечень и технические характеристики энергооборудования;
данные о проведенных (в процессе выполнения энергоаудита) испытаниях и
примененных методиках;
характеристику работы существующих систем производства и потребления энергии с
предоставлением соответствующих графиков, диаграмм и таблиц, где отражены
режимы потребления и производства энергии, результаты расчетов энергетических и
материальных балансов, приводятся удельные расходные характеристики на единицу
выпускаемой продукции;
анализ существующего положения с указанием недостатков и определением
энергозатратных узлов;
рекомендации с описанием предлагаемых мероприятий, которые при необходимости
иллюстрируются соответствующими схемами;
результаты расчетов (аналогичные расчетам для существующей системы) с учетом
внедрения предложенных мероприятий;
сравнительные характеристики работы энергетических систем до и после внедрения
мероприятий и результаты технико-экономических расчетов;
список