Получение, состав и использавание биогаза

В машинном зале или газосборном пункте размещаются  установки для очистки или  утилизации газа, а также пульт  управления и другие устройства.

Для обеспечения  достаточного сбора газа на полигонах  выдвигаются следующие требования: создание эффективного разрежения в  толще захоронения; минимизация  подсосов воздуха; обеспечение долговременной работоспособности системы при  механических и статических нагрузках; обеспечение возможности сбора  газа при длительной эксплуатации полигона или свалки; увязка производительности системы дегазации с интенсивностью образования газа; возможность расширения системы. Поэтому для сбора биогаза используются трубопроводные системы большой емкости со свободным доступом к ним и по возможности кратчайшей длины. Расположение коллекторов для сбора газа может быть горизонтальным, вертикальным или комбинированным, трубопроводы должны сохранять устойчивость и прочность на протяжении всего срока эксплуатации полигона. На вновь создаваемых полигонах или новых участках полигонов можно с наращиванием высоты отходов откачивать газ снизу или монтировать систему сбора газа с горизонтальными или слегка наклонными газопроводами, которая по мере заполнения полигона дополняется газовыми скважинами. На существующих участках полигонов, как правило, практикуется бурение скважин.

В газовых  скважинах вертикальных систем вследствие нагрузки сверху и давления сбоку  возникают существенные механические напряжения, которые усиливаются  при возникающих просадках за счет «отрицательного поверхностного трения». Для компенсации просадок скважины при глубине от 10 м необходимо выполнять телескопическими. Требования к материалу скважин обусловлены  наличием в теле полигона фильтрата, в котором растворены, наряду с  другими веществами, сероводород  и органические кислоты. Наличие  фильтрата создает коррозионную опасность и вызывает дополнительные напряжения за счет коррозионного растрескивания. По названным причинам при сооружении скважин используются коррозионно-стойкие  синтетические материалы, рассчитанные на давление до 1 МПа.

Во избежание  расходов на бурение при эксплуатации полигона газовые скважины можно  сооружать в процессе заполнения полигона. Технологию проведения работ можно коротко описать так: обсадная труба из стали или синтетических материалов поэтапно возводится одновременно с засыпкой отходов таким образом, чтобы на глубине не менее 2 м (при общей длине около 5 м) она оставалась бы в толще отходов, затем вносится следующий слой отходов примерно на 2 м и уплотняется. Уплотнитель (компактор или бульдозер) может при укладке отходов подъезжать вплотную к обсадной трубе. Затем обсадная труба снова поднимается на 3 м, труба колодца наращивается, а кольцевой зазор засыпается щебнем. За исключением собственно процесса вытягивания обсадной трубы газовая скважина может все время быть соединена с газосборной сетью. Устройство и пример конструкции такой обсадной трубы представлены на рис. 3. 

Рис. 3. Схематичное  представление обсадной трубы [3] 

1 - трубопровод  для отвода газа; 2 - соединительная  муфта; 3 - засыпка из щебня; 4 - тело  захоронения; 5 - обсадная труба; 6 - направляющий  элемент, 7- газонепроницаемая крышка; 8 - штуцер для отбора газа

Слабым  звеном в газовых скважинах является узел присоединения к сборным  газопроводам. Вследствие просадок различной  величины (просадки могут достигать  до 25 % толщины захороненных отходов, т. е. при высоте засыпки 20 м возможна просадка 5 м) между газовой скважиной  и присоединительным трубопроводом  может возникнуть сильное напряжение от растяжения [3]. Поэтому переходник часто выполняется из эластичного  материала. Применяемые ранее полиэтиленовые шланги обычно становятся хрупкими, особенно под действием солнечного света, появляются трещины, нарушается герметичность. Поэтому сейчас во многих случаях  используются рукава из хромированной  стали. При монтаже необходимо принимать  во внимание, что в таком гибком соединительном элементе не должно образовываться конденсатных мешков, которые могут  стать гидравлическими затворами.

Горизонтальные  или наклонные системы состоят  из дренажных перфорированных трубопроводов  диаметром 100-150 мм с отверстиями  диаметром 5 мм или щелями размером 5x20 мм., расположенных на разных уровнях захороненных отходов, и обкладываемых пригодным для дренажа материалом (щебнем, гравием, керамзитом, строительными отходами). На конечном участке они выполнены в виде сплошной трубы и на выходе из покровного слоя полигона или из толщи отходов присоединяются непосредственно к сборному трубопроводу. Горизонтальный дренаж прокладывается на достаточно небольшом по вертикали расстоянии (6-8 м). Расстояние по горизонтали между отдельными дренажными трубами составляет около 30 м. Условный диаметр дренажной трубы принимается равным 250 мм, трубы изготавливаются из температуростойких искусственных-материалов, так как на существующих полигонах значение температуры в толще отходов достигало 70 °С.

Несмотря  на относительно большой диаметр, отдельные  ветви системы через несколько  лет имеют, как правило, весьма ограниченную производительность, так что после  окончательного заполнения соответствующего участка полигона требуется дополнительная дегазация через вертикальные коллекторы.

Газосборные пункты сооружаются у границы  полигона в виде блочных бетонных зданий, при эксплуатации которых  необходимо соблюдать требования по взрывозащите. Альтернативным вариантом является размещение узлов сбора газа на открытой площадке. 
 
 
 
 
 
 

Системы хранения биогаза 

Обычно  биогаз выходит из реакторов неравномерно и с малым давлением (не более 5 кПа). Этого давления с учетом гидравлических потерь газотранспортной сети недостаточно для нормальной работы газоиспользующего оборудования. К тому же пики производства и потребления биогаза не совпадают по времени. Наиболее простое решение ликвидации излишка биогаза -сжигание его в факельной установке, однако при этом безвозвратно теряется энергия. Более дорогим, но в конечном итоге экономически оправданным способом выравнивания неравномерности производства и потребления газа является использование газгольдеров различных типов. Условно все газгольдеры можно подразделить на «прямые» и «непрямые». В «прямых» газгольдерах постоянно находится некоторый объем газа, закачиваемого в периоды спада потребления и отбираемого при пиковой нагрузке. «Непрямые» газгольдеры предусматривают аккумулирование не самого газа, а энергии промежуточного теплоносителя (воды или воздуха), нагреваемого продуктами сгорания сжигаемого газа, т.е. происходит накопление тепловой энергии в виде нагретого теплоносителя.

Биогаз в зависимости от его количества и направления последующего использования можно хранить под разным давлением, соответственно и газохранилища называются газгольдерами низкого (не выше 5 кПа), среднего (от 5 кПа до 0,3 МПа) и высокого (от 0,3 до 1,8 МПа) давления. Газгольдеры низкого давления предназначены для хранения газа при малоколеблющемся давлении газа и значительно изменяющемся объеме, поэтому их иногда называют газохранилищами постоянного давления и переменного объема (обеспечивается подвижностью конструкций). Газгольдеры среднего и высокого давления, наоборот, устраиваются по принципу неизменного объема, но меняющегося давления. В практике применения биогазовых установок наиболее часто используются газгольдеры низкого давления.

Вместимость газгольдеров высокого давления может  быть различной - от нескольких литров (баллоны) до десятков тысяч кубических метров (стационарные газохранилища). Хранение биогаза в баллонах применяется, как правило, в случае использования газа в качестве горючего для транспортных средств. Основные преимущества газгольдеров высокого и среднего давления - небольшие габариты при значительных объемах хранимого газа и отсутствие движущихся частей, а недостатком является необходимость в дополнительном оборудовании: компрессорной установке для создания среднего или высокого давления и регуляторе давления для снижения давления газа перед горелочными устройствами газоиспользующих агрегатов. 
 
 
 
 
 

Состав  биогаза 

Состав  и количество биогаза не являются постоянными и зависят от вида перерабатываемого субстрата и от технологии производства биогаза. Усредненный состав биогазов в соответствии с приведенной классификацией представлен в табл. 2. 

Таблица 2

Классификация и состав биогазов [3]

Газ метантенков городских канализационных очистных сооружений характеризуется более стабильным составом. Содержание основного горючего компонента - метана - на разных очистных сооружениях изменяется от 60 до 65 % по объему. Более значительные колебания состава газа наблюдаются при переработке отходов сельскохозяйственного производства, при этом в газе присутствует некоторое довольно значительное количество сероводорода. Поэтому перед использованием требуется очистка газа от H2S.

Процессы  образования первых двух видов биогазов протекают в стационарных устройствах. Технологические параметры процесса (расход и влажность субстрата, температура брожения, длительность сбраживания) более или менее управляемы. Иная ситуация наблюдается на полигонах и свалках отходов, где биологическое разложение слоев мусора происходит с течением времени (пригодный к использованию биогаз образуется примерно через 10-15 лет), причем процесс газообразования неуправляем. Для сбора газа бурятся скважины или газовые колодцы. Конструкция и способ эксплуатации скважины, содержание влаги в толще отходов оказывают дополнительное влияние на состав газа. Содержание метана в газе может изменяться в широких пределах (35-80 %). Помимо метана и балластных азота и углекислого газа могут присутствовать сернистые соединения, меркаптаны, галогенсо-держащие соединения, ароматические углеводороды (всего более 100 компанентов).

Из 1 тонны  сухого органического вещества в  результате анаэробной переработки  сельскохозяйственных отходов можно  получить:

из свиного  навоза - 500 мі биогаза (360 т у. т.);

из навоза молочных коров - 350 мі биогаза (250 т у. т.);

из навоза откормочного КРС - 450 мі биогаза (321 т у. т.);

из птичьего помета - 660 мі (428 т у. т.) [3] . 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Подготовка  биогаза к использованию 

Условия получения биогазов и наличие в их составе вредных и балластных примесей диктуют необходимость предварительной обработки биогаза перед использованием в тепловых установках. Для обеспечения функциональной и эксплуатационной безопасности, а также безопасной работы персонала газ должен быть предварительно очищен от вредных компонентов. Основные этапы при подготовке газа к использованию:

отделение влаги и взвешенных частиц;

удаление  сероводорода;

удаление  галогенсодержащих соединений;

удаление  углекислого газа;

сжатие  или сжижение (при использовании  в качестве горючего для транспортных средств).

Биогаз выходит из биореактора (метантенка) при температуре процесса брожения в водонасыщенном состоянии. До момента использования газ значительно охлаждается, вследствие чего выпадает конденсат, и возникает опасность замерзания в холодный период года. По этой причине биогаз должен быть осушен. Обычно газ от биореакторов по газопроводу поступает в газосборный пункт (ГСП), где устанавливается влагоотделитель. Из влагоотделителя конденсат отводится в сливной бак, откуда по мере наполнения откачивается насосами. При снижении температуры биогаза после ГСП возможна конденсация паров, растворенных в биогазе. Для удаления конденсата по тракту предусматриваются сборники конденсата в нижних точках. Конденсатосборные устройства рассчитываются на максимально возможное количество жидкости.

Наиболее  дешевым способом осушки является метод  охлаждения, когда газ пропускают через влагоотделитель, служащий одновременно для осушки и отделения взвешенных частиц. Осушка методом охлаждения примерно до 10 °С достаточна для распространенных способов использования газа, например, для получения тепла при сжигании и для выработки электроэнергии. При необходимости более глубокой осушки (в случае использования газа в газовых двигателях) применяют адсорбционную осушку (в качестве сорбентов применяют оксид алюминия А12Оз, хлорид кальция СаС12, силикагель) или осушку жидкими поглотителями влаги (этилен- и триэтиленгликоль).