energy, environmental and economic impacts of landfill gas extraction and utilization

Кафедра теплогазоснабжения и охраны воздушного бассейна

Доклад на тему:

«ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ, ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭКСТРАКЦИИ И УТИЛИЗАЦИИ БИОГАЗА

С ПОЛИГОНОВ ТБО»

Судоргина М.Ю.

Гр. 2-Т-408.04.2010

5 «Э»

Содержание доклада

• Актуальность вопроса• Потенциал свалочного газа (СГ). Успешный опыт сбора и

утилизации СГ за рубежом. Проблема ТБО в России• Механизм образования, состав СГ • Технологическая схема экстракции (сбора), обработки и

утилизации. • Перспективы в РФ. Пилотный проект в Московской области• Экономическая эффективность. «Углеродные квоты».

Примерный сметный расчет.• Заключение• Список источников для доклада

Актуальность вопроса

• Количество образующихся ТБО:

Сектор ЖКХ - 350-400 кг/год на 1 человека

При населении России 142 млн. человек ежегодно образуется 60 млн.т. ТБО.


• По данным Госдоклада общая площадь захоронений:• 1995г. –14,7 тыс. га• 2005г. – 107,4 тыс. га за 10 лет S в 7 раз


Захоронение на полигоне ТБО

Биохимическое разложение

Генерация и эмиссия свалочного газа

(СН4, CO2)

Негативные воздействия свалочного газа (СГ):• взрыво- и пожароопасен• токсичен• загрязнитель грунтовых вод• «парниковый газ»

Антропогенные выбросы СН4, по планете: 6 407 MMTCO2Eиз них Россия 1,1 млн т -2,5 %.

(по данным Партерства «Метан на рынки», 2007 г.)

Актуальность вопроса• По данным 5-го национального сообщения МПР РФ в секретариат РКИК ООН:

Ратификация Киотского протокола

Снижение антропогенных выбросов СН4

Эконом. выгода, доп. ЕСВ,

привлечение инвестиций


• Возобновляемое местное топливо– ½ теплотворной способности природнго газа– сравнительно низкая стоимость добычи– стабильная генерация 20 и более лет после

закрытия полигона ТБО

?!

=

Энергетический потенциал СГ

Энергетический потенциал СГ

• 1 т сухого вещ-ва ТБО -> 150-300 м3 СГ 1 га-> 200 т/год СГ

• 1 м3 СГ -> 0,5 м3 ПГ

• 1 м3 СГ (50% по объему СН4) -> 5 кВт*ч/ м3 1 млн м3 / год -> 600 кВт(теор. мощн. при 100% утилизации СГ)

• «парниковый эффект»: 1 кг СГ (50% СН4) -> 2*24=48 кг CO2

• 1 млн т СГ с влажн. 40% -> 50-60 м3 ПГ

•1 жит. н. п.-> 10-15 м 3 / год•н.п. 100 тыс. жит. ->1 тыс. жит. (энергия+тепло)

Технический энергетич. потенциал• в качестве моторного топлива -> 90-92%

• в качестве моторного топлива с выработкой эл/энергии -> 35-37%

• в качестве моторного топлива с когенерацией ->75-87% (в зав-ти от принятых ТУ)

1 млн м3 / год -> 200-220 кВт по эл/энергии -> 220-280 кВт по тепловой энергии

макс. выработка энергии на СГ собств. нужды свалки в 2-3 раза

Экономический потенциал СГ

•Использование 50 % собранного СГ = 10 % утилизации ТБО – вырабатывается энергия 50-60 кВт*ч/т

•10 % утилизации ТБО при помощи мусоротортировочных комплексов – потребляется энергия 25-30 кВт*ч/т

для сравнения:

Успешный опыт зарубежных странСтрана Объем добычи СГ, млн. куб. м/ годСША 500 Германия 400 Великобритания 200 Нидерланды 50 Франция 40 Италия 35 Дания 5 Итого: 1230 (429 тыс. т метана)

Проблема ТБО в России, первая инвентаризация свалок

1. Sсв. > 2000 км2 + 30 млн. т ТБО ежегодно (!)

Qобщ. учт. = 865 свалокQТБО разм. = 122,4 млн. м3 или 24,6 млн.т/годQТБО учт. = 354 млн.т.

2. Подавляющее большинство полигонов – это санкционированные (легальные) свалки, которые не отвечают действующим санитарным нормам:

• не имеют проекта (за искл. новых полигонов, построенных после 2000 г.). • территории не обвалованы, • санитарно-защитная зона не организована, • технология складирования не, • не подготовлено водонепроницаемое основание,• отсутствуют противофильтрационные экраны, • не ведется сбор и очистка фильтрата, • не предусмотрен отвод дождевых вод, • не организован сбор свалочного газа,• не имеет систем мониторинга.


Федеральный округ Кол-во свалок S > 50 га Место расположения

Центральный ФО 7 Московская область – «Икша», «Домодедовский», «Саларьево», «Щербинка», «Тимохово», «Хметьево» и г. Ярославль – полигон «Скоково»

Приволжский ФО 7 Пенза, Пермь, Самара, Пугачев, Балашов, Нижний Новгород, Уфа

Сибирский ФО 6 Улан-Удэ, Томск, Назарово –Красноярский край, Славгород – Алтайский край

Северо-западный ФО 2 Ленинградская область

Уральский ФО 2 Челябинск

Южный ФО 1 Краснодар

Распределение свалок по занимаемой площади:


Распределение свалок по количеству поступающих отходов:

Федеральный округ Кол-во свалок (QТБО учт > 250 тыс.т /год )

Место расположения

Центральный ФО 4 3 - Московской области – «Кучино», «Икша», «Жирошкино»; 1 – в г. Тула

Приволжский ФО 6 Нижний Новгород (Игумновский полигон), Казань (Самосыровская свалка), Уфа, Ижевск, Самара (полигон «Преображенка»), Йошкар-Ола

Сибирский ФО 3 Новокузнецк, Томск, Новосибирск

Северо-западный ФО 2 Санкт-Петербург «ПТО-3 Новоселки», Калининград

Уральский ФО 2 Челябинск, Екатеринбург («Широкоречная»)

Южный ФО 1 Ростов-на-Дону

Дальне-Восточный ФО 1 Хабаровск («Березовская»)


Распределение свалок по количеству накопленных отходов :

•Общая масса накопленных отходов на учтенных свалках составляет 354 млн.т.• 94% отходов - на 117 свалках ( 64,5% всех отходов)

•Наиболее крупные по количеству накопленных отходов (>10 млн.т)1) «Кучино» в Московской области, 2) «Софроны» в Перми, 3) Томский городской полигон в г. Томске,4) свалка «Широкоречная» в Свердловской области, 5) Челябинский полигон в г. Челябинске.

• Карта свалок Ленобласти:

Санкт-Петербург ≈5 млн. м3 ТБО ежегодно, 80 % захоранивается на 3х действ. полигонах.

ПТО-1 "Волхонский" эмиссии метана будет достаточно для работы тепловой электростанции мощностью 2000 кВт в течение 20-25 лет.

Ленобласть 55 организованных свалок, ≈1 млн. м3 ТБО ежегодно.

Несмотря на сравнительно небольшие объемы захоронения отходов, получение биогаза на ряде свалок может оказаться рентабельным из-за высокой стоимости топлива.


Механизм образования СГ


4 стадии:

1) гидролиз;

2) кислое брожение;

3) ацетогенная стадия;

4) образование метана

Сложные органические соединения:

углеводы, белки, жиры

Простые органические растворимые соединения

Ацетаты, бутираты, спирты, пропинаты и т.д.

Н2, СО2 СН3СООН

СН4, СО2

•Процесс распада органического вещества:

Упрощенное стехиометрическое уравнение: n C6H10O5 + n H2O -------> 3n CH4 + 3n CO2

Механизм образования СГ Со

став

био

газа

, % о

б.

0 1 2 3 1 2 3 4 5 6 10 мес. мес. мес. год года года года лет лет лет

Время (указано примерно)

100 -

80 -

60 -

40 -

20 -

0.

анаэробное Образование

биогазааэробный

режим

О2

СО2

N2

анаэробное образование

СН4

CH4

метановое брожение метановое брожение

не стабильно стабильно

анаэробное образование

СО2

H2

•Динамика образования свалочного газа:

кислое брожение


•Факторы, влияющие на производство газа свалок:• Влажность• Температура• Движение воды• Наличие питательных веществ• Показатель рН• Концентрации токсических веществ• Структура тела захоронения

•Комплекное влияние факторов отражено в уравнении кинетики р-ции газообразования 1-го порядка:

Q=M*q*e-kt ,

где Q - количество биогаза (куб. м), генерированное за время t (годы);M - масса отходов (т);q - удельный газовый потенциал (куб. м/т);k - константа скорости реакции газообразования (1/год).

Химический состав СГ

Макрокомпоненты СГ:• метан (СН4) 40-70%• диоксид углерода (СО2) 30-60%

На уровне первых процентов: • азот (N2),• кислород (О2), • водород (Н2).

Микропримеси • десятки различных орг. соединений.

Технологическая схема экстракции СГ

Технологическая схема экстракции СГ•2 отличных способа эксплуатации:

1) «пассивная дегазация» - метансодержащий газ под собственным давлением отводится из тела свалки;

2) «активная дегазация» -метансодержащий газ принудительно откачивается из тела свалки с помощью

специальных приспособлений, образующих систему дегазации.

Технологическая схема экстракции СГ•Устройство системы дегазации полигона ТБО:

Технологическая схема экстракции СГ• Коллекторы (скважины):

• обычно вертикальные• исп. до/после закрытия свалки• предпочительная глубина 10 м• шаг 50-100 м• диаметр 200-600 мм

Технологическая схема экстракции СГ•Типичная скважина:

1 - трубопровод для отвода газа; 2 - соединительная муфта; 3 - засыпка из щебня; 4 - тело захоронения; 5 - обсадная труба; б- направляющий элемент; 7 - газонепроницаемая крышка; 8 - штуцер для отбора газа.

Технологическая схема экстракции СГ•Горизонтальные коллекторы:

• прим. при новом строительстве полигона,• дренажные перфорированные трубопроводы,• на разных уровнях захороненных отхо дов,• расстояние по горизонтали между отдельными дренажными

трубами составляет около 30 м

Технологическая схема экстракции СГ•Газопроводы для транспортировки СГ:

• находятся под разряжением,• гибкое присоединение к газовому коллектору• в узле присоединения располагаются КИП• штуцеры для отбора проб газа• прокладка в траншее• уклон для предотвращения конденсата, конденсатоотводчики• ПНД/сталь


•Нагнетательные устройства:

• радиальные вентиляторы (до 20 кПа) • ротационные компрессоры (до 80 кПа)

•Пункт сбора СГ:

• у границы полигона в виде блочных бетонных зданий

• размещение на открытой площадке• мероприятия по взрывозащите


•Сжигание газа в факельной установке:

• низко-, средне- и высокотемпературные;• устранение запахов, снижение пожаро- и

взрывоопасности на полигоне• утилизация избыткой СГ, подаваемого

потребителю• энергетический потенциал обычно не исп-ся

•Компрессорная установка:

• служит для повышения избыточного давления газа

Обработка СГ для дальнейшего использования

•Основные требования к очистке газа :

• отделение влаги и взвешенных частиц;• удаление сероводорода;• удаление галогенсодержащих соединений;• удаление углекислого газа;• компримирование или сжижение (при использовании в качестве

горючего для транспортных средств).

Утилизация СГ

Утилизация СГ.

Центр тяжести :

получение электроэнергии и производство тепла для нужд отопления помещений и технологических нужд путем сжигания в топочных устройствах.

Утилизация СГ.

•Перспективные варианты использования газа свалок:

• сушка шлама очистных сооружений;• рециклинг строительных отходов и синтетических материалов;• обработка фильтрата полигонов ТБО;• термическое обезвреживание отходов.

Перспективы добычи и утилизации СГ в РФ.

•ЗАО "Фирма Геополис" ,1988 год. г. Москва, специалисты ВНИИГеосистем.

• 1994 -2006 совместное российско-голландским предприятие, участник международной инженерно - консалтинговой группы «Гронтмай»

• 1995-2003 член Международной Ассоциации Твердых Отходов (ISWA). • с 2006 ЗАО "Фирма Геополис" выходит из группы «Гронтмай» и становится

независимой компанией.

• пилотные проекты по сбору и утилизации биогаза в РФ. ТЭ сравнение

Мощность объекта (м3/час)

Инвестиции + экспл. затраты

(млн. руб.)

Накопленная прибыль

(млн. руб.)

≥2000 ≥12300 ≥12000

2000-800 8400-4000 12000-6000

800-400 4000-2000 6000-3000

≤400 ≤2000 ≤3000

Перспективы добычи и утилизации свалочного газа в РФ.

Мощность объекта

(MW)

Инвестиции + экспл. затраты

(млн. руб.)

Накопленная прибыль

(млн. руб.)≥2,6 ≥12300 ≥25000

2,60-1,04 12300-10350 25000-10000

1,04-0,52 10350-5200 10000-5000

≤0,52 ≤5200 ≤5000

•Технико-экономические показатели типовых объектовпо добыче СГ

Прибыль рассчитана без учета налогов и коэффициента дисконтирования.

Масса свалочного тела (млн. т)

≥2,5

2,5-1,0

1,0-0,5

≤0,5

Масса свалочного тела (млн. т) Кол-во объектов в России

≥2,5 ≥20

2,5-1,0 90

1,0-0,5 400

≤0,5 800

по произв-ву эл/энергии из СГ

Классификация свалок РФ

Несколько сотен «жиснеспособных» объектов

Пилотный проект по экстракции и утилизации СГ на полигонах Моск. обл.

«Санитарное захоронение с рекуперацией энергии на территории Московской области», янв. 1994

• 2 полигона:«Дашковка» Серпуховский р-н«Каргашино» Мытищинский р-н

•Комплекс подготовительных работ:

• полевые газогеохимические исследования с целью определения продуктивности свалочной толщи;

• разведочное бурение с целью определения мощности свалочного тела и его параметризации;

• топографическая съемка масштаба 1:500.


• В результате исследований :

• оценены биогазовые потенциалы исследованных объектов,• определены скорости образования биогаза, • возможные объемы газодобычи (для типичного полигона S=5 - 7 га; ср. мощность

отходов 10 - 12 м)


• Утилизация в форме электроэнергии:

Системы газодобычи:

• скважины;• газопроводы;• компрессорные станции , поставленные голландской фирмой «Гронтмай»,

обеспечивающие подачу газа к мотор-генераторам, находящимся в непосредственной близости от полигонов ТБО.

Собранная информация:

• о площади сбора биогаза единичной скважиной, • об эффективности перекрытия ТБО грунтовым экраном, • о режимах добычи биогаза в различных погодных условиях.


• Итоги, 2009:

• обе установки (Серпухов, Мытищи) функционируют в опытно-промышленном режиме, вырабатывая по 80 кВт/ч электроэнергии каждая

• 1 м3 -> 1.3 - 1.5 кВт электроэнергии, т.е. от 260 до 300 кВтэ/в час со всего полигона, ≈2500 Мвтэ/ год

• потенциальный доход от эксплуатации одной биогазовой установки на типичном полигоне МО может составить около 1,2 млрд. руб.

• опыт может быть использован при дальнейшем внедрении и тиражировании данной технологии на существующих и будущих полигонах в России

•Исп-е произведенной электроэнергии целесообразно: •для собственных нужд предприятия эксплуатирующего полигон ТБО, • производства энергоемкой продукции хозспособом (н-р, производства рассады цветов или овощей в теплицах)

Экономическая эффективность. Киотский протокол

• 1 кВт уст. эл. мощности = 1550-2250 $ , (н-р, в США тариф 0,03/ кВт ч)• реализация ЕСВ или «углеродные кредиты» в рамках ПСО• средний срок окупаемости проекта для производства электроэнергии

8-10лет, а с учетом продажи ЕСВ менее 4-х лет

!

Экономическая эффективность. Киотский протокол

Экономическая эффективность. Пример сметного расчета на 1га, 2009г.

Заключение

Свалочный газ:• виновник возникновения «парникового эффекта»;• выгодный энергоноситель

Выгоды сбор и утилизации свалочного газа:• сокращение ЕСВ• доп. углеродные кредиты• улучшение состояния воздушного бассейна• снижение риска для здоровья человека• создание новых рабочих мест• развитие экономики, эфф. энергоснабжения в удаленных частях страны

Список источников для доклада

http://www.methanetomarkets.org

http://www.epa.gov

http://www.epa.gov/lmop/index.html

http://climatechange.ru/

http://www.solidwaste.ru/

http://minenergo.gov.ru

http://aenergy.ru

http://www.eprussia.ru/

http://www.ecoinfo.ru/

Спасибо за Ваше внимание!

energy, environmental and economic impacts of landfill gas extraction and utilization

Technology