Тұрмыстық қатты қалдықтардан биогаз алу

Қалдықтардың органикалық құрамдас бөлігінің анаэробты ыдырауынан пайда болатын қатты тұрмыстық қалдықтар полигондарының (ҚТҚ) биогазы әртүрлі тұрғыдан қызықты болып келеді.

ҚТҚ-ның 1 тонна құрғақ затынан 170-200 м3 биогаз түзіледі,оның көлемінің жартысы, яғни массасының 25-30 % метан – ең күшті парниктік газ. Қоқыс метанының әсері ең қуатты табиғи (батпақты) және техногендік (мұнай-газ кен орындары) көздерімен бір қатарға қойылады, оның парниктік әсердің дамуына қосқан үлесі 6 %-ға бағаланады. Жер бетінің бірлігінен метан шығарындыларының қарқындылығы бойынша (1 га-дан жылына 200 тонна) ҚТҚ полигондары барлық басқа көздерден асып түседі.

Метан жанғыш және жарылғыш, бұл оны пайдалануына қарамастан қалдықтар жиынтығын газсыздандыруға және биогазды залалсыздандыруға мәжбүр етеді.

Биогазбен ҚТҚ құрғақ затының бастапқы массасының 20 %-на дейін, оның ішінде полигонды пайдалану кезінде 8-10 %-ға дейін буланып кетеді. Қалдықтар массасының азаюы олардың тығыздығының жоғарылауымен және ылғалдылықтың төмендеуімен бірге жүреді, себебі, ең алдымен биогазға борпылдақ құрылымы мен жоғары ылғалдылығы бар жеңіл органикалық заттар өңделеді.

Егер сіз түзілген биогаздың жартысын жинап қолдансаңыз, бұл полигонға жеткізілген қалдықтардың 10 %-ын жоюмен тең болады. Салыстыру үшін: қымбат қоқыс сұрыптау кешендерінің көмегімен полигондағы қалдықтарды кәдеге жаратудың ықтимал деңгейі бірдей деңгейде бағаланады. Сонымен қатар, қоқысты сұрыптау кезінде энергия (25-30 кВт*сағ/т ҚТҚ) тұтынылады, ал биогазды кәдеге жарату кезінде – (50-60 кВт*сағ/т ҚТҚ) өндіріледі.

Энергетикалық әлеуеті бойынша 1 м3 биогаз 0,5 м3 табиғи газға сәйкес келеді. Ылғалдылығы 40 % болатын 1 млн. тонна ҚТҚ орналастырылған полигонның газды энергетикалық әлеуетін 50-60 млн.м3 табиғи газ қоры бар техногендік кен орны ретінде қарастыруға болады. ҚТҚ полигонында биогаз өндіру көлемі қызмет көрсетілетін елді мекеннің 1 тұрғынына жылына 10-15 м3 құрауы мүмкін. 100 мың халқы бар қалаға қызмет көрсететін полигонда биогазды кәдеге жарату 1 мың халқы бар аймақ тұрғындарының электр және жылу қажеттілігін қамтамасыз ете алады. Сонымен қатар, бұл техногендік газ кен орны арнайы жасалмайды: ҚТҚ полигоны болып табылатын алып биохимиялық реактор – бұл адам өмірінің қосымша өнімі, яғни қаланың бір бөлігі. Бұл кен орнының табиғидан айтарлықтай айырмашылығы – газ өткізбейтін оқшаулағыштың болмауы, нәтижесінде газды жедел өндірусіз, сонымен қатар бір мезгілде пайда болған биогаз атмосфераға залал келтіре отырып, шығарылады.

Метанның 50 % көлемдік құрамындағы биогаздың теориялық энергетикалық әлеуеті 5 кВт*сағ/м3 құрайды. Барлық өндірілген газды 100% пайдаланған кезде биогазбен жұмыс істейтін газды энергетикалық қондырғының теориялық қуаты кәдеге жаратылатын биогаздың 1 млн. м3/жылына 600 кВт құрауы мүмкін.

Техникалық энергетикалық потенциал биогазды пайдалану кезінде теориялық потенциалдан тұрады:
- 90-92 %қазандық отыны ретінде;
- 35-37 % электр энергиясын өндіретін мотор отыны ретінде;
- электр және жылу энергиясын когенерациялаумен (бірлесіп өндірумен) мотор отыны ретінде – жылу кәдеге утилизаторларының техникалық шешімдеріне байланысты 75 %-дан 87 %-ға дейін.

Мысалы, МТД-100/110 шағын ЖЭО базалық моделін биогазда жұмыс істеу үшін түрлендіру кезінде жылу және электр қуаттарының арақатынасы 110: 100 құрайды, бұл ретте биогазды пайдалану тиімділігі 75,6 %, биогаздың техникалық әлеуеті 5*0,756=3,78 кВт*сағ/м3 құрайды.
Когенерация схемасы бойынша (электр мен жылуды бірлесіп өндірумен) биогазбен жұмыс істейтін газды энергетикалық қондырғының қуаты кәдеге жаратылатын биогаздың 1 млн.м3/жылына электр энергиясы бойынша 200-220 кВт және жылу бойынша 220-280 кВт құрауы мүмкін. Биогазда мүмкін болатын максималды энергия өндірісі полигонның өз қажеттіліктерінен 2-3 есе асып түседі.

Биогазды қолданудың тиімділігі көбінесе энергияны тұтынудың маусымдық және тәуліктік біркелкі
еместігіне байланысты. Жыл бойына биогаз өндірудің генерациясы мен көлемі салыстырмалы түрде тұрақты, ал электр және жылу жүктемелері маусымдар мен тәулік уақытына байланысты айтарлықтай ауытқуларға ұшырайды. Нәтижесінде, әртүрлі кезеңдерде кәдеге жаратылатын биогаздың шығыны ең жоғары жүктемелерді жабу үшін жеткіліксіз болады, ал тұтынылатын қуаттың төмендеуі кезінде ол артық болады.

Циклдік-маусымдық жүктемелері бар тұтынушыларды энергиямен жабдықтау үшін биогазды пайдалы пайдалану полигонның тек технологиялық қажеттіліктерін қамтамасыз ету 25-30 % және полигонда рентабельді өнім (мысалы, жылыжай шаруашылығы) шығарумен жеке энергияны қажет ететін өндірісті құру кезінде 65-70 % құрайды. Жиналған биогаздың қалған мөлшерін жүктеме төмендеген кезінде жағуға тура келеді. Осы жағдайда шағын полигон үшін қарастырылған биогазды толық пайдаланбаудан болатын энергетикалық шығын жылына 1500-2000 МВт*сағ/жылына, экономикалық шығын – 17,5-21 млн.теңгені құрауы мүмкін. Сонымен қатар, биогазды жағу парниктік газдар (негізінен метан) шығарындыларын қалдықтар массивінен атмосфераға биогаз шығарумен салыстырғанда экологиялық әсерді 3-4 есе азайтуды қамтамасыз етеді. Сондықтан экологиялық тұрғыдан биогазды жағу оны кәдеге жарату болып табылады.

Когенерация схемасы бойынша биогазда энергия өндірудің өзіндік құны желілік электр энергиясын сатып алу бағасынан екі есе төмен. Егер тек электр энергиясын өндіру үшін биогазды қолданса, онда оның құны желілік электр энергиясының бағасынан 30-50 % жоғары болады.

Жиналған биогазды пайдаланудың тиімділігі жеткіліксіз болған жағдайда да, оны электр және жылу энергиясын өндірумен мотор отыны ретінде пайдалану отын-энергетикалық ресурстарға жұмсалатын шығындардың айтарлықтай төмендеуін қамтамасыз етеді. Мысалы, 100 мың халқы бар қалаға қызмет көрсететін полигон үшін сыртқы электр желілерінен энергиямен жабдықтау нұсқасымен салыстырғанда 20 жыл ішінде ағымдағы жиынтық шығындардың төмендеуі 70-77 млн. теңгені құрайды. Қосымша күрделі шығындарды өтеудің есептік мерзімі 6-7 жылды құрайды.

Биогазды кәдеге жарату жобаларында биогазды пайдалы пайдалану коэффициентін арттыру мәселелерін пысықтау қажет. Ең перспективалы болып көрінетін бағыттар:
- арнайы қоймада жүктеменің төмендеуі кезінде артық газды жинақтау;
- автотрактор техникасының, ең алдымен полигонның технологиялық машиналарының мотор отыны ретінде пайдалану үшін метан алу арқылы биогазды байыту [10].

Қалдықтар полигонында газсыздандыру шарттарын қарастыру кезінде жұмыс режимінің екі түрлі ерекше әдісі ұсынылады [129]:
- биогаз өз қысымымен полигоннан шығарылады. Бұл жағдайда «пассивті газсыздандыру» деп аталады;
- биогаз арнайы құрылғылардың көмегімен полигоннан мәжбүрлеп айдалады. Бұл әдіс «белсенді газсыздандыру» деп аталады.

Пассивті және белсенді газсыздандыру жүйелері арасында түбегейлі айырмашылық бар.

Полигонда үздіксіз түзілетін газ – газ ағынына ең аз кедергі болатын қалың жерлерден шығады. Бұл құбылыс пассивті газсыздандыру құрылғысында қолданылады. Көбінесе пассивті газсыздандыру жүйелері газды қиыршық тас немесе қиыршық тас қабаты арқылы шығарады, бұл полигонның денесімен салыстырғанда газ өткізгіштігі жоғары болады.

Пассивті газсыздандыру шағын аумақты алып жатқан ескі полигондарды санитарлық тазарту кезінде қолданылады. Жүзеге асырылатын іс-шаралардың мақсаты, бір жағынан, жабық полигондардың өсімдік жамылғысының рекультивациялық қабатының зақымдануын болдырмау, екінші жағынан, полигонның іргелес аймақтарына газдың көші-қонын және метанның атмосфераға шығарылуын шектеу.

Тиімді газсыздандыру үшін ауа үрлеу құрылғысы (компрессор) құратын сирету астындағы тік немесе көлденең құбырлар жүйесін төсеу қарастырылатын белсенді әдісті ғана қолдану қажет. Полигон денесінде әртүрлі тереңдікте орналасқан газ жинайтын перфорацияланған құбырлар желісінде сирету пайда болады, соның арқасында биогаз ағыны жүреді. Құрама газ құбырлары арқылы биогаз газ жинау пунктіне түседі, оны құбыр, резервуар және т.б. түрінде жасауға болады, онда бақылау-өлшеу құралдары, автоматика құрылғылары және конденсатты жоюға арналған құрылғы орналастырылады. Газ жинау пунктінен сору құбыры арқылы газ биогазды көму денесінен тасымалдау үшін қажетті сиретуді құруға және газды пайдалану орнына тасымалдау кезінде артық қысым жасауға қызмет ететін тартқыш құрылғыға түседі. Әрі қарай, құбырлар арқылы артық қысымды биогаз тікелей пайдалану орнына түседі [68, 132].

Қолданыстағы белсенді газсыздандыру жүйелерін нүктелік және кешенді, тік және көлденең деп бөлуге болады. Өз кезегінде тік жүйелер газ ұңғымалары мен газ шахталарына бөлінеді [129]. Алайда, іс жүзінде басқа формалар қолданылады (резервуарлар, тас немесе қиыршық тас камералары және т.б.). Негізінен ҚТҚ полигондарында биогаз жинау көлденең және тік кешенді жүйелер арқылы жүзеге асырылады.

Биогазды алудың ең көп таралған жүйесі көлденең құбырлармен байланысқан тік ұңғымалар желісінен тұрады, олар алынған биогазды ҚТҚ-дан жинап, оны коммерциялық мақсатта пайдалануға арналған жабдыққа жібереді. Газ ұңғымалары көбінесе қалдықтардың жинақталуымен бір мезгілде салынады, бірақ кейінірек қуаты кемінде 10 м полигонның денесінде бұрғылау арқылы орнатылуы мүмкін [128].

Газсыздандырудың тік жүйелерінің артықшылығы (5-сурет) олар ҚТҚ жабық полигондарында да, қалдықтарды төсеу процесінде де салынуы мүмкін. Бұл жағдайда ұңғыманың ұзындығын ұлғайту бас аймағындағы ұлғайтумен жүзеге асырылады. Тік жүйелердің кемшілігі – ұңғыманың басы мен полигон беті арасындағы кеңістікті міндетті түрде қымбат оқшаулау, мұнда көбінесе толық оқшаулауға қол жеткізу мүмкін емес. Нәтижесінде, газ ұңғымаларының бас аймағында ҚТҚ биогазының шығарылуын жиі байқауға болады.

Биогазды жинаудың көлденең жүйелері жаңа ҚТҚ полигондарын салу кезінде ең көп қолданылады. Мұндай жүйелерді орнату жаңа полигонның құрылысымен бір уақытта жүзеге асырылады, ал жүйелер полигонның қалыңдығында биогаздың едәуір мөлшері пайда болған кезде 2-2,5 жылдан кейін жұмыс істей бастайды.

Газ жинау құрылғысы әдетте газ өткізгіш материал қабатымен (қиыршық тас, майда тас) себілген және көлденең немесе сәл бұрышта орналасқан перфорацияланған құбырлардың бұтақтары түрінде жасалады. Өтпелі құбырлардың көмегімен олар жер асты және жер үсті орналасуы мүмкін және компрессорлық станциямен тасымалдау құбыры арқылы байланысатын құрама коллекторға қосылады. Газдың шығынын өлшейтін құрылғылар реттеуші крандар, газ сынамаларын алуға арналған құрылғылар, конденсат жинақтағышы перфорацияланған құбырлардың жетек құбырларында да және құрама коллекторда да орналасуы мүмкін [100].

Көлденең жүйелерді орнату өте қарапайым болып келеді (6-сурет), олар қозғалатын көліктердің (қоқыс таситын машиналар, бульдозерлер және компакторлар – трамбовщиктер) зақымдалуына аз ұшырайды. Дегенмен, газ жинайтын көлденең құбырлар шөгуге өте сезімтал (тік жүйелер сияқты). Мұны құрылыс және материалды таңдау кезінде ескеру қажет. Егер жергілікті аймақтарда фильтраттың тоқырауы мүмкін болса, мысалы, полигон денесінде аралық тығыздалған қабаттардың пайда болуына байланысты, көлденең жүйелер функционалды түрде жарамсыз болуы мүмкін. Сондықтан биогаз жинаудың көлденең жүйелеріне бірқатар талаптар қойылады:
- перфорацияланған құбырлар берік материалдан жасалуы керек;
- жүйеде шөгуді есепке алу үшін жеткілікті созылу өтемақысы болуы керек;
- полигонның табаны мен бетіне жеткілікті қашықтықты сақтау қажет;
- перфорацияланған құбырларды төсеу жазықтық қиыршық тас сүзгісінде немесе сезімталдығы төмен материалдан жасалған қиыршық тас траншеясында қарастырылуы тиіс.

Тәжірибеде көлденең жүйелерді бірнеше деңгейге қою әдісі жиі қолданылады. Мұндай төсеу тік жүйелерге қарағанда қалдықтар қабатының көп бөлігін жабуға мүмкіндік береді. Алайда, мұндай төсеу әдісі жиналған биогаз көлемінің ұлғаюына кепілдік бермейді. Мұның себебі – көлденең жүйенің ұзындығы, онда сору қуатының таралуы салыстырмалы түрде қысқа тік жүйелерге қарағанда қолайсыз. Полигон шекарасынан 50-100 м қашықтықта сору қуаты аз көлденең жүйелерде жинау дәрежесінің жоғарылауы болмайды және бұл жетіспеушілік әртүрлі деңгейдегі құбырларға тән. Мұндай жағдайларда перфорацияланған газ жинау құбырларының соңғы учаскелері полигон топырағындағы және құбырлардағы қысым айырмашылығының аздығына байланысты «жұмыс істемейді». Тік жүйелердің жинақылығына байланысты олардағы газдың жиналу деңгейі жоғары.

Жинау жүйелеріндегі қысымның жоғалуы салыстырмалы түрде үлкен және құбырлардың ұзындығы бойынша газдың біркелкі емес сорылуына әкелетіні теориялық және эксперименталды түрде расталған [78]. Биогазды жинау және тасымалдау жүйелерінің жұмысы әртүрлі физикалық процестермен сипатталады. Бұл процестерді теориялық және эксперименттік зерттеусіз биогазды жинау және тасымалдау жүйелерін құру мүмкін емес, олардың негізгі мақсаты – ҚТҚ полигондарының қоршаған ортаға теріс әсерін барынша азайту. Полигон уақыт өте келе өзгеретін өте күрделі құрылым болып табылады, өйткені газ түзілу процесі үздіксіз жүреді, қалдықтардың жаңа қабаттары тасталынады және т.б. Түзілетін биогаздың мөлшері және оның полигонның қалыңдығында таралуы көбінесе топырақтың фракциялық құрамына және оның физикалық қасиеттеріне байланысты болады.

Биогазды газ жинайтын перфорацияланған құбырларға сору кезінде саңылаулар арқылы газдың ағуы көптеген факторларға байланысты болатын өте күрделі физикалық процесс болып табылады (топырақ пен құбырдағы қысым айырмашылықтары, құбыр мен тесіктің диаметрлері, газдың жылдамдығы, оның тығыздығы және т.б.). Биогазды перфорацияланған құбырдағы тесіктер арқылы жинау процесінде гидравликалық режим жасалады, ол биогаз қозғалған сайын ағынның тұрақты өсуімен сипатталады. Бүкіл жүйенің өнімділігі көбінесе осы гидравликалық режимнің параметрлеріне байланысты.