Оценка энергетического потенциала полигона твердых коммунальных отходов

Одной из актуальных проблем, связанных с ухудшением качества окружающей природной среды, является нерациональное, экологически опасное размещение отходов. В России эксплуатируется более 1300 полигонов ТКО, из них только 8% отвечают санитарным требованиям ^[4].

Традиционные источники энергии, такие как нефть, газ, каменный уголь, древесина со временем иссякнут. По оценкам специалистов использование возобновляемых источников энергии для производства электроэнергии и тепла в мире будет развиваться быстрыми темпами, и к 2040 их прирост достигнет 77%, подавляющую долю при этом будет составлять биомасса с отходами ^[5].

Вопрос перехода от традиционных углеводородных источников энергии уже стоит давно и с каждым годом становится более актуальным. Помимо проблемы истощения традиционных источников энергии существует также и экологические задачи, поскольку извлечение и сжигание углеводородных источников энергии приводит к выбросам загрязняющих веществ в атмосферу, ухудшая среду обитания человека и создавая экологические проблемы, такие как: загрязнение атмосферы газообразными продуктами, выбросы теплых жидкостей в водоемы, парниковый эффект.

В последние годы широкое развитие получила альтернативная энергетика. Она представлена разнообразными видами возобновляемых источников энергии, которые являются неиссякаемыми. К таким источникам энергии относятся: энергия солнца, ветра, приливов и отливов, геотермальная и биомассы. У альтернативной энергетики есть свои плюсы, такие как низкая себестоимость, доступность, возобновляемость и она не причиняет никакого вреда экологии. К минусам можно отнести непостоянство, зависимость от погодных условий и времени суток, высокая стоимость, недостаточная единичная мощность установок и невысокий КПД. Многие нетрадиционные и возобновляемые источники энергии без затруднений можно установить в жилых зданиях. Отдельные его виды применяются в тяжелой и легкой промышленностях.

Проблема обращения с ТКО так же является одной и важнейших в настоящее время. Твердые коммунальные отходы (ТКО) – отходы, образующиеся в жилых помещениях в процессе потребления физическими лицами, а также товары, утратившие свои потребительские свойства в процессе их использования физическими лицами в жилых помещениях в целях удовлетворения личных и бытовых нужд ^[1].

Значительная часть ТКО представлена различными органическими веществами, в том числе бумагой и картоном (до 38%) и пищевыми отходами (до 30%) ^[6]. Несмотря на успехи в области совершенствования технологий переработки коммунальных отходов их большая часть захоранивается на полигонах. С каждым годом потребление различных продуктов возрастает, а значит увеличиваются и отходы. Практически все хранилища коммунальных отходов оказывают негативное воздействие на компоненты окружающей среды: загрязнение грунтовых вод, изменение ландшафта, биологическое загрязнение, связанное с неконтролируемым размножением некоторых видов животных ^[7]. Все это приводит к ухудшению экологии, и возрастает значимость в обеспечении безвредных технологических процессов. Одним из решений данной проблемы является производство альтернативного топлива из высококалорийных компонентов ТКО.

В данной работе был выбран полигон, расположенный в Приморском крае в городе Партизанске. На полигоне климат муссонного типа с тёплым влажным летом и холодной малоснежной зимой. Самый тёплый месяц – август, средняя температура которого +20°С…+22°С, максимальная 37,8°С. Самый холодный месяц – январь, средняя температура -11°С…-13°С, минимальная -29,9°С. Продолжительность периода со среднесуточной температурой выше 0°С в среднем составляет 220-240 дней, выше 5°С – 200-210, выше 10°С – 160-170 дней. Полигон начал функционировать в 1975 году. Численность обслуживаемого населения составляет 45 646 человек. Морфологический состав твердых коммунальных отходов (ТКО), складируемых на полигоне следующий: макулатура, стекло, полимеры, текстиль, металл черный и цветной, пищевые отходы и прочее. Удельный объем накопления ТКО (на 1-й год эксплуатации) составляет 1,5 м3чел./год. Ежегодный прирост объема отходов - 3%. В таблице 1 приведены данные о содержании твердых коммунальных отходов на полигоне в городе Партизанске.

Таблица 1 Исходные данные, характеризующие полигон ТКО

В таблице 2 представлен компонентный состав свалочного газа. Больше всего в свалочном газе содержится метана, меньше всего – сероводорода.

Таблица 2

Компонентный состав свалочного газа

Расчет количественного выхода свалочного газа на полигоне ТКО был произведен согласно методике расчета Академии коммунального хозяйства (АКХ) им. К. Д. Памфилова. Удельный выход биогаза (в кг от одного кг отходов) за период активного его выделения определяется по формуле:

отходов

Период активного выделения биогаза для Партизанска (tcp тепл.= 13,37 °С, Ттепл. = 214 дня) составит:

Определяем количественный выход биогаза за год, отнесенный к одной тонне захороненных отходов:

В соответствии с компонентным составом рассчитываем плотность свалочного газа:

Определяем весовое процентное содержание компонентов в биогазе:

В таблице 3 представлен среднестатистический состав биогаза. Больше всего в биогазе содержится метана – 53,740%, меньше всего сероводорода – 0,032%.

Таблица 3

Среднестатистический состав биогаза

Определяем удельные массы компонентов биогаза за год:

В Таблице 4 представлена удельная масса компонентов биогаза в год. Больше всего образуется метана – 3,923 кг/т отходов в год, меньше всего – сероводорода – 0,002 кг/т отходов в год.

Таблица 4

Удельная масса компонентов биогаза за год

Годовое и максимальное разовое количество свалочного газа на 2019 г., с учетом плотности уплотненных на полигоне отходов 670 кг/м3 составят:

Количество активных стабильно генерирующих свалочный газ отходов (∑D) рассчитывается: – для полигонов, функционирующих более двадцати лет, учитываются отходы, завезенные за последние двадцать лет, без учета отходов, завезенных за последние два года.

Учитываем отходыза 1997-2016 годы

=932,516 г/с

(a=5 мес., в=2 мес.)

Годовой объем свалочного газа (Gобр), выделившегося в 2019 г. составит:

Находим общий полезный годовой газовый потенциал полигона ТКО:

Определяем теоретическую энергетическую ценность полигона ТКО:

Рассчитываем максимальные разовые и валовые выбросы загрязняющих веществ:

В Таблице 5 представлены максимальные разовые и валовые выбросы основных загрязняющих веществ в атмосферный воздух. Больше всего выбрасывается в атмосферу метана, меньше всего – сероводорода.

Таблица 5

Максимальные разовые и валовые выбросы загрязняющих веществ

Так как образование биогаза происходит неравномерно и зависит от температуры воздуха, то часовой выход биогаза определяем исходя из его максимального разового выброса. Для рассматриваемого полигона он будет равен м3/ч, тогда полезный газовый потенциал полигона ТКО составит:

Используя данные о теплотворной способности различных видов органического топлива, определяем количество невозобновляемых энергоресурсов (уголь, нефть, природный газ), которое можно сэкономить при замене энергоносителей на свалочный газ. Данные представлены в таблице 6. Большего всего можно сэкономить природного газа, меньше всех нефти.

Таблица 6

Количество первичных энергоресурсов для полигона ТКО

Теоретический годовой потенциал рассматриваемого полигона ТКО равен МДж, что эквивалентно /3,6=44785890,2 кВт-ч. Зная средние удельные выбросы загрязняющих веществ от топливных электростанций в расчете на 1 кВт-час выработанной электроэнергии, выполним сравнительную оценку выбросов при использовании в качестве топлива свалочного газа, нефти и угля. Данные представлены в таблице 7.

Таблица 7

Средние удельные значения вредных выбросов

На основе полученных данных экологическую результативность применения свалочного газа с полигона ТКО в городе Партизанске можно оценить по следующим аспектам:

1) обезвреживание неконтролируемых выбросов вредных веществ, содержащихся в свалочном газе и поступающих в атмосферный воздух от тела полигона ТКО, в том числе парниковых газов (метан);

2) снижение загрязнения окружающей среды вредными выбросами (диоксида углерода, диоксида серы и оксида азота) при выработке тепловой и электрической энергии в сравнении с другими видами углеводородного топлива (см. табл. 6);

3) экономии невозобновляемых энергоресурсов (уголь, нефть, природный газ) при замене энергоносителей на свалочный газ.

Выполнив технические расчеты, мы определили число невозобновляемых энергоресурсов (уголь, нефть, природный газ), которое можно сэкономить при замене энергоносителей на свалочный газ. Для рассматриваемого полигона количество первичных энергоресурсов представлено в таблице 8.

Таблица 8

Количество первичных энергоресурсов

Таким образом, анализ использования ТКО в качестве возобновляемых вторичных энергетических ресурсов показывает все возрастающую роль этого источника в энергосбережении и потенциал в снижении загрязнения окружающей среды при сборе и утилизации биогаза. Изложенное позволяет сделать вывод о том, что использование биогаза, полученного из газодренажных систем современного полигона ТКО, может быть одним из потенциальных решений энергосберегающих задач. В качестве перспективы дальнейшего исследования можно отметить, что представленные материалы являются основой для изучения биогазового потенциала полигонов ТКО и возможности совершенствования технологии возведения природоохранных объектов-полигонов для складирования ТКО.