CC BY
40(Ж
Альтернативное топливо
Использование токсичного биогаза в качестве возобновляемого источника энергии, являющегося продуктом полигонного захоронения отходов
В.В. Лозовецкий, профессор Московского государственного университета леса, д.т.н., М.В. Кондратенко,
студентка Российского государственного университета туризма и сервиса, Г.С. Дугин,
зам. заведующего отделом научной информации по проблемам транспорта, старший научный сотрудник Всероссийского института научной и технической информации (ВИНИТИ РАН)
Предлагается использовать биогаз, образующийся при полигонном захоронении отходов и являющийся загрязнителем окружающей среды, в качестве возобновляемого источника энергии в различных установках для производства электроэнергии, холода, теплофикации и в качестве моторного топлива на транспорте. Приводятся методика расчета системы подачи биогаза потребителю и критериальные зависимости для гидравлического и теплового расчета регенеративного теплообменного аппарата, накапливающего теплоту при малых нагрузках и отдающих ее в режиме пиковых. Рассмотрены возможности применения биогаза в качестве моторного топлива на транспорте.
Ключевые слова: биогаз, полигон, отходы, скважина, коэффициент гидравлического сопротивления, коэффициент теплоотдачи, тепловой насос, теплообменный аппарат-регенератор, возобновляемый источник энергии, моторное топливо.
Methods application of harmful! biogas (as renewabl energy source) - a product of ground burial place of wastes
V.V. Lozovetsky, M.V. Kondratenko, G.S. Dugin
It is suggested to utillize biogas, appearing at the ground burial place of wastes and being contemination of environment, as a renewable energy source in different options for the production of electric power, cold, power-and-heat supply and as motor fuel. Offered method of calculation of the system of serve of biogas to the user and criterion dependences for the hydraulic and thermal calculation of regenerative heat-exchange vehicle, accumulating a warmth at the small loadings and givings it in the mode of spades. Also it is considered possibility of biogas application as motor fuel.
Keywords: biogas, ground, wastes, mining hole, coefficient of hydraulic resistance, coefficient of heat emission, thermal pump, heat-exchange vehicle-regenerator, renewable energy source, motor fuel.
Во всем мире проблема утилизации твердых бытовых отходов (ТБО) является одной из приоритетных, занимая в системе городского хозяйства второе место по затратам и инвестициям после сектора водоснабжения и канализации. Неэффективная утилизация таких отходов может привести к нарушениям экологического равновесия и часто является причиной возникновения чрезвычайных ситуаций. Поэтому санитарная очистка городов обеспечивается своевременным удалением ТБО из мест их образования, что создает необходимые санитарно-экологические условия существования населенного пункта.
В условиях истощения природных ресурсов практически не учитывается промышленный потенциал накопленных и образующихся отходов, которые необходимо использовать. При этом сложившаяся система утилизации отходов фактически не стимулирует процессы ликвидации и переработки отходов, а скорее способствует их накоплению на территориях предприятий и в местах, не предназначенных для этого.
В настоящее время наиболее распространенный и экономически приемлемый метод удаления отходов - это размещение их в специально отведенных местах для хранения и захоронения: на полигонах, в шламохранилищах, отвалах и других объектах.
Современный полигон - инженерно обустроенное сооружение, обеспечивающее реализацию технологии размещения ТБО (прием, складирование, уплотнение, захоронение) и охрану окружающей природной среды от загрязнения. В соответствии с современными требованиями полигон должен быть оборудован следующими отдельными инженерными объектами: уплотненным основанием из минеральных слоев в комбинации с искусственными материалами; проездами; сооружениями по сбору фильтрата и его очистке; устройствами по сбору и утилизации выделяющегося газа; сооружениями по защите ландшафта с помощью рекультивации земель.
При недостатке кислорода органические ТБО на полигоне подвергаются анаэробному сбраживанию, что приводит к образованию так называемого «свалочного газа» - биогаза (смесь метана, углекислого газа, сероводорода и др.), создающего парниковый эффект и являющегося причиной возгорания ТБО на полигонах и свалках. Биогаз, полученный на полигонах ТБО, может использоваться в качестве топлива для выработки теплоты, холода и электроэнергии, особенно в режиме пиковых нагрузок, для коммунально-бытовых целей и сельского хозяйства. Одновременно утилизация биогаза с полигонов позволяет улучшить экологическую обстановку, уменьшить загрязнение атмосферы и практически исключить самовозгорание отходов.
Температура образующегося биогаза соответствует температуре полигона, которая при анаэробном разложении органической фракции ТБО повышается до 20-40°С, что позволяет предварительно использовать биогаз в качестве источника теплоты в тепловых насосах, преобразующих низко потенциальную тепловую энергию в теплоту более высокого потенциала и холод. Поскольку для отходов характерна высокая влажность, биогаз насыщается парами воды. При снижении температуры биогаза в системе
газопровода образуется до 20 г/м3 конденсата, который необходимо удалять из системы сбора биогаза и направлять на обезвреживание, так как по химическому составу он во многом аналогичен фильтрату. Влага из системы удаляется за счет ее конденсации в испарителе 1 (рис. 1) теплового насоса при снижении температуры биогаза в процессе нагревания рабочего тела. После осушки биогаз подается по системе трубопроводов на сжигание в камере сгорания 6 и далее в паровую турбину для получения электроэнергии или для аккумулирования теплоты в теплообменнике-регенераторе 8 и ее последующего использования в режиме пиковых нагрузок.
Таким образом, предлагаемая система получения биогаза на эксплуатируемых полигонах ТБО состоит из скважин, дренажа, промежуточных и магистральных трубопроводов с арматурой, из устройства по очистке и осушке биогаза, вентиляторной и энергетической установок. Проектная система должна быть составной частью технологической схемы эксплуатации полигона. На основании рабочей карты монтируют скважины для отвода биогаза из тела полигона. В каждую скважину сначала устанавливают железобетонное кольцо диаметром 1 м. Затем в это кольцо снизу размещают перфорированную дренажную трубу, а сверху нее - обсадную трубу без перфорации. Промежуток между железобетонным кольцом и этими двумя трубами заполняют крупнозернистым щебнем. К скважинам через
каждые 2 м по высоте (толщина рабочего слоя) подводят 3-4 дренажные сети, длина каждой из которых составляет 10-15 м. Сверху дренажную сеть засыпают ТБО.
Гидравлический расчет разветвленной газовой сети системы сбора и утилизации биогаза на полигоне ТБО сводится к определению оптимального диаметра труб каждого участка газопровода на основе подсчета потерь давления газа по заданным расходам.
При гидравлическом расчете выбирается основное направление газопровода, соединяющее начальную наиболее удаленную точку и конечную точку магистрального трубопровода. Для удобства расчета участки газовой сети нумеруются двумя цифрами: первая обозначает начало участка, вторая - конец участка. В связи с тем, что в разветвленной сети к любому узлу подают лишь один линейный расход, при заданных в конечных точках расходах определяют линейные расходы всех участков. По линейным расходам и скоростям движения биогаза определяются диаметры труб каждого участка.
В качестве примера рассмотрим систему с электрической мощностью 2,5 МВт. Исследования показали, что для получения мощности в 1 МВт требуется 15-20 скважин [1]. Для расчета примем среднее значение, равное 18 скважинам. Тогда общее количество скважин на полигоне для обеспечения указанной мощности составит п = 2,5 • 18 = 45 скважин.
Полигон ТБО
Рис. 1. Схема установки для реализации биогаза как возобновляемого источника энергии
200
150
100
50
/ //
V 7 2
\ X
150
>00
300
100
500
Рис. 2. График изменения эксплуатационных и капитальных затрат
в зависимости от диаметра трубопровода: I - общие затраты; II - диаметр трубопровода; 1 - эксплуатационные расходы; 2 - капитальные расходы; 3 - общие затраты
=0,276
33 Б^
Яе
0,6
109
-+1
(1)
Данная зависимость может быть рекомендована для расчета коэффициента гидравлического сопротивления
в регулярных и нерегулярных монодисперсных шаровых засыпках в диапазоне чисел Рейнольдса Reо = (200-104).
Сопротивление при кипении воды и движении пароводяной смеси в режиме пиковых нагрузок, когда шаровая засыпка отдает накопленную теплоту, моделировалось с помощью смеси воздуха и воды. Результаты исследований показали, что коэффициент гидравлического сопротивления хорошо описывается критериальными зависимостями двух видов:
для области чисел Рейнольдса Re0 = 4.545-102
= ехр [1.96(4.6 - 1пЯе0)]. (2)
для области чисел Рейнольдса Re0 = 102-7.2 • 104
£ =0.276
(
33
Ие
0.6
ю9
(3)
Выход биогаза из пробуренной скважины глубиной 10 м обычно составляет 10-20 м3/ч. Примем среднее значение, равное 15 м3/ч. Тогда потребный расход биогаза равен: О = 15 • 45 = 645 м3/ч = 0,1875 м3/с.
С учетом различных диаметров труб и потребного расхода рассчитываются гидравлические потери и эксплуатационные расходы на прокачку биогаза в системе (кривая 1). Для этих же диаметров рассчитываются капитальные затраты (кривая 2). Результаты таких расчетов, представленные на рис. 2, позволяют определить оптимальный диаметр труб на основе минимума общих издержек (кривая 3).
Упрощенный расчет годового экономического эффекта от внедрения такой системы подачи биогаза показывает, что для производящей электроэнергию установки мощностью N = 2,5 МВт, работающей Т = 11 мес. в году, при современной цене на электроэнергию С = 2,76 руб./кВт^ч он составляет:
Е = NTС = 2,5 • 11 • 30 • 24 • 2,76 = 54,53 млн. руб. в год.
Для реализации данного проекта были проведены исследования процессов гидродинамики и теплообмена в теплообменниках-аккумуляторах, которые обеспечивают максимальное заполнение объема воспринимающей и отдающей теплоту средой (шаровыми элементами с плавящимся при нагревании заполнением).
В режиме малых нагрузок засыпка шаровых элементов омывается однофазной средой - горячими газами, образующимися при горении биогаза. В этом случае для расчета обобщенного коэффициента гидравлических потерь в условиях модели внутреннего отрывного течения [2] предлагается использовать следующую зависимость:
Формулы (2) и (3) хорошо обобщают опытные данные и могут быть рекомендованы для расчета обобщенного коэффициента гидравлического сопротивления в регулярных и нерегулярных монодисперсных шаровых засыпках в диапазоне чисел Рейнольдса Re0 = 4.545-7.2004 при течении в них воздуха, воды и газожидкостных потоков.
Теплообмен в шаровом монодисперсном слое так же, как и сопротивление, согласно модели внутреннего отрывного течения определяется отрывным характером течения. Обработка экспериментальных данных, полученных в настоящей работе, и учет влияния степени расширения проходного сечения монодисперсного шарового слоя позволили получить следующую критериальную зависимость для расчета среднего коэффициента теплоотдачи на стабилизированном участке при теплообмене с однофазной средой, в частности, с продуктами, образующимися при сгорании биогаза:
Яи„= 0,076
1 + ^г
Ые
0,69
(4)
В режиме пиковых нагрузок теплообменник-регенератор с засыпкой шаровых элементов работает как источник теплоты, нагревая воду до температуры кипения и производя пар высоких параметров. Следует отметить, что процессы гидродинамики и теплообмена при кипении воды в засыпке шаровых элементов практически не исследованы.
Проведенные нами экспериментальные исследования позволили обнаружить две области кипения: пузырьковую и переходную. Данные по коэффициенту теплоотдачи при пузырьковом режиме кипения представлены на рис. 3. Они хорошо описываются соотношением:
"10,48
А/и, = 0,03
*(А - А.)
г и /• РгГ
V
и
.(5)
где т = 0,69
, п = -0,313 ■ Ргв°
где комплекс
а
с дг
Рг2
;ЛГи, =
а<1,„
К '
1, 2 - пузырьковый и переходной режим кипения соответственно.
Из рис. 3 следует, что при пузырьковом режиме кипения, как и в случае кипения в большом объеме, с ростом плотности теплового потока коэффициент теплоотдачи увеличивается. Рост коэффициента теплоотдачи вызван ростом центров парообразования на поверхности шаровых элементов и увеличением скорости движения паровой среды, что связано с ростом величины паросодержания р. В случае кипения жидкости в условиях вынужденного движения в шаровой засыпке тепло от поверхности нагрева переносится в ядро пузырьками пара, образовавшимися на ней, и конвекцией жидкости. Количество тепла, переносимого паром, зависит, в основном, от плотности теплового потока ц на поверхности сферы. Количество тепла, переносимого путем конвекции жидкости, в случае малых объемов паро-содержаний р определяется скоростью циркуляции.
При достаточно развитом кипении, когда вблизи поверхности шарового элемента содержание пара становится значительным, высокая интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении определяется малым термическим сопротивлением тонкой жидкостной пленки, которая остается на самой теплоотдающей поверхности. Эффективная толщина этого слоя жидкости уменьшается по мере увеличения тепловой нагрузки, что приводит к увеличению интенсивности теплоотдачи.
Анализ экспериментальных данных показал, что при паросодержании р = 8,58% (ц = 1,098 • 105 Вт/м2), имеет место максимум теплоотдачи. При дальнейшем росте паросодержания коэффициент теплоотдачи уменьшается и достигает своего минимального значения для данной серии экспериментов, соответствующего Ыи= 8,06 при р = 58,6%. Снижение величины коэффициента теплоотдачи
объясняется тем, что как на самой поверхности шаровых элементов, так и вблизи нее пузырьки пара непрерывно сливаются между собой, образуя большие паровые объемы, которые все больше затрудняют доступ к теплоотдающей поверхности. В отдельных ее областях возникают сухие пятна, их число и плотность непрерывно увеличиваются по мере увеличения Тш и соответственно ДТ и р. Эти участки исключаются из теплообмена с жидкой средой, они контактируют с паром, теплоотдача к которому существенно менее интенсивна, чем к воде.
Уменьшение теплоотдачи с ростом плотности теплового потока соответствует переходному режиму кипения, для описания которого нами получена следующая критериальная зависимость:
-1-0,884
№3 =8,93-10'
8(Р. ~Рп)
г П1 / РГ-2.69
V
'
(6)
где т1 = -1,28 •
л, =-0,579 Рг°3.
I £(/>„-/>„)_
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Предложена система использования биогаза, образующегося при полигонном захоронении ТБО, в качестве возобновляемого источника энергии.
2. Определены геометрические параметры, характеризующие модель внутреннего отрывного течения и процессы теплообмена и гидродинамики в шаровом монодисперсном слое.
3. Получены критериальные уравнения, удовлетворительно описывающие экспериментальные данные по сопротивлению и теплообмену в засыпке шаровых элементов при течении одно- и двухфазных сред и кипении.
4. При кипении в засыпке шаровых элементов во всем исследованном диапазоне наблюдается монотонный рост плотности теплового потока с увеличением параметра ДТ, который несколько замедляется в области больших значений этого параметра.
Список принятых обозначений
Св - удельная теплоемкость воды, кДжДкг^К); Сш - удельная теплоемкость материала шарового элемента, кДж/(кг^К); Св - удельная эквивалентная теплоемкость воды, кДж/(кг^К);
- диаметр шарового элемента, м; д - ускорение свободного падения, м/с2; N1^ - критерий Нуссельта для воды; Ргв - критерий Прандтля для воды; ц - плотность теплового потока, Вт/м2; г - удельная теплота парообразования, Дж/кг; Ре0 - критерий Рейнольдса; ДТ - разность температур поверхности шарового элемента и насыщения воды, °С; Р - паросодержание, %; - коэффициент теплопроводности воды, Вт/(м^К); - коэффициент теплопроводности материала шарового элемента, ВтДм-К); Хэ - эквивалентный коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); рв - плотность воды, кг/м3; р - плотность пара, кг/м3; % - обобщенный
коэффициент гидравлического сопротивления; а - поверхностное натяжение, Н/м. Индексы: в - вода; п - пар; ш - шаровой элемент; э - эквивалентный; s - насыщение.
Использование биотоплива на транспорте
В ближайшей перспективе основными проблемами на автомобильном транспорте всех без исключения стран мира, которые требуют немедленного своего решения, станут обеспечение безопасности движения, борьба с загрязнением атмосферного воздуха продуктами выхлопа автомобильных двигателей и, наконец, внедрение альтернативных видов топлива.
Сейчас все двигатели внутреннего сгорания (ДВС) автомобилей производят более 85% всей энергии и потребляют более 1 млрд. т кислорода в год, выбрасывая в атмосферу сотни миллионов тонн токсичных веществ. Автомобилизация сопровождается значительным ростом масштабов потребления традиционного жидкого нефтяного топлива и повсеместным загрязнением окружающей среды отработавшими газами автомобилей. При этом запасы нефти на Земле ограничены, а затраты на ее добычу постоянно возрастают. Все это приводит к необходимости поиска и последующего использования альтернативных видов автомобильных топлив, к которым относится топливо, полученное не из нефтяных источников, а из возобновляемых видов сырья. Среди таких видов топлива можно назвать газовое топливо (сжиженный и сжатый нефтяной газ), водородное топливо и, наконец, биотопливо.
В настоящее время все большее распространение получают виды топлива на основе растительных масел (рапсовые, соевые, подсолнечные и т.п.). Это пока единственное альтернативное топливо, прошедшее строгие требования Закона о чистом воздухе, так как не содержит серы и биологически разлагается в природной среде, сокращает выбросы токсичных окиси углерода, несгоревших углеводородов и твердых частиц.
Преимущества и перспективы получения биотоплива из возобновляемого растительного сырья и положительные экологические аспекты не вызывают сомнения и подкреплены успешными результатами его применения во многих странах. Сейчас в Европе производится более 1,5 млн. т биодизельного топлива с тенденцией дальнейшего расширения его производства. Согласно экспертным прогнозам, к 2030 г. мировое производство биотоплива достигнет уже 150 млн. т.
Следует отметить, что биотопливо становится конкурентоспособным, когда цены на нефть достигают 50 долл. США за баррель.
Лидером потребления автомобильного биотоплива является Бразилия, где почти 50% продаваемых автомобилей используют спиртосодержащее топливо, полученное из сахарного тростника.
В мире существуют семь стандартов на этот вид топлива (Германия, Австрия, Чехия, Франция, Италия, Швеция и США). Так, в Германии топливо, представляющее собой диметиловый эфир (ДМЭ), производят уже 8 фирм, и оно отпускается на 800 заправочных станциях.
Применение в качестве альтернативного вида топлива этанола или биодизеля, полученных за счет переработки растений, рассматривается как значительный шаг к сокращению выбросов углекислого газа в атмосферу. Хотя при сжигании биотоплива все же выделяется углекислый газ, но растительная масса, используемая для его получения, создавалась за счет фотосинтеза, то есть усвоения углекислого газа, и поэтому выброс этого продукта оказывается минимальным. Биодизель может использоваться в качестве альтернативного вида моторного топлива в обычных ДВС как самостоятельно, так и в смеси с обычным дизтопливом без внесения каких-либо изменений в конструкцию двигателя. Биодизель имеет высокое цетановое число 51-58 (а минеральное дизтопливо - только 42-45).
Рапсовое масло является самым дешевым из растительных масел. В России, Украине, Белоруссии и других странах СНГ, благодаря особым природно-климатическим условиям, обеспечивается достаточно высокая урожайность рапса. Кроме рапса, для производства можно использовать и другие маслосодержащие культуры - подсолнечник, кукурузу и др., однако, рапс технологически проще и экономически выгоднее. Сгорание 1 г биодизеля дает 9,5 килокалорий, что является огромным энергетическим потенциалом.
В России, к сожалению, доля биотоплива в общем объеме потребления составляет менее 1%, а моторное биотопливо здесь практически не применяется, хотя в Европе этот показатель составляет почти 8%. Но с 2007 г. появился интерес к инвестициям в эту отрасль в нашей стране. В ближайшее время планируется реализовать несколько проектов по производству биоэтанола, хотя ряд экспертов считает, что конечное производство биотоплива в России нерентабельно и возможен только экспорт сырья (например, рапса) в Европу.
На 5-м Байкальском экономическом форуме, который состоялся 8-10.09.2008 г. в Иркутске, представитель Ростех-нологии заявил о планируемом строительстве в России 30 заводов по производству биотоплива. ООО Кировский биохимзавод приступил к выпуску биотоплива из непищевого сырья, производство которого должно обеспечить решение экологических проблем крупных городов.
Для полного замещения потребления бензина в России биотопливом потребуется 110-120 млн. т зерна, что нереально, так как суммарное производство его в десятки раз меньше. Поэтому специалисты считают, что наиболее перспективным для России можно считать производство твердого биотоплива (брикетированное), когда в качестве сырья используются отходы сельскохозяйственного и лесоперерабатывающего производств.
Также в качестве примера реальных дел в нашей стране по производству биотоплив можно назвать ГК «Титан», который уже строит в Омской области агропромышленный комплекс с заводом по производству биоэтанола. Здесь будет ежегодно перерабатываться до 500 тыс. т сельскохозяйственных культур. Мощности для переработки рапса (200 тыс. т в год) планируется создать в Липецкой области. Воронежская ГК «Маслопродукт» объявила о намерении построить предприятие по производству биодизеля.
Интересен также опыт Канады, где в 2010 г. должен появиться первый в мире мусороперерабатывающий завод, который будет производить в промышленном масштабе этанол из ТБО.
Наиболее эффективной разновидностью биотоплива является биогаз. По экологическим характеристикам био-газ чище дизельного топлива на 75% и бензина на 50%. Токсичность биогаза для человека на 60% ниже. Продукты его сгорания практически не содержат канцерогенных веществ. Влияние отработавших газов двигателей, работающих на биогазе, на разрушение озонового слоя на 60-80% ниже, чем работающих на нефтяных видах топлива. Так, например, выход биогаза из 1 т сухого вещества растительных отходов и сорняков для различных растительных масс составляет: для соломы пшеничной - 342 м3; стеблей кукурузы - 420 м3; подсолнечниковой шелухи - 300 м3; ботвы картофеля - 420 м3; сорной растительности - 500 м3. При этом коэффициент превращения органических веществ в биогаз достигает 0,9.
Биогаз с высокой эффективностью может трансформироваться в другие виды энергии. КДП его использования в качестве топлива на газогенераторах составляет до 83%. При промышленном производстве биогаза происходят те же процессы, что и в природе, но только, как правило, в анаэробной (без доступа воздуха) среде. При этом в специальных биореакторах - так называемых «метантенках» - производят не только газ, но и органические удобрения. В сырьевом биогазе содержится в среднем 65% метана и 35% углекислого газа, влаги и других примесей. Так же как и природный газ, то есть газ, извлекаемый из недр, перед применением в двигателе внутреннего сгорания биогаз подвергается обогащению (до уровня содержание метана в газе 95%), очистке, осушке и компримированию. Энергетический эквивалент газа составляет 9-10 кВтч/м3. Физико-химические и экологические свойства очищенного биогаза и природного газа практически идентичны, поэтому для них применяется одна и та же топливная аппаратура. Уровень шума двигателя, работающего на биогазе, на 510 dB (А) ниже, чем у дизельного аналога. Поэтому биогаз считается абсолютно сбалансированным биологическим топливом, так как выделение СО2 у него при сгорании в двигателе минимальное.
Чтобы стабилизировать и в перспективе улучшить экологическую ситуацию, муниципалитет Стокгольма принял политическое решение о производстве и использовании в качестве энергоносителя и моторного топлива биогаза. Автобус, работающий на этом виде топлива, выбрасывает в атмосферу за год на 1,2 т меньше оксидов азота и на 9 т меньше двуокиси углерода. Еще в 1996 г. на одном из заводов Стокгольма по очистке канализационных вод была построена опытная установка для производства биогаза. Установка позволяла получать 1000 м3 газа в день, что эквивалентно примерно 1000 л бензина. В основном газ использовался на котельной, а 150 м3 газа применялись на заводских газобаллонных машинах. Муниципалитет Стокгольма утвердил программу строительства еще двух заводов (в пригородах Бромма и Хенриксдаль) по переработке отходов и получению биогаза на 1,5 и 3 млн. м3 в год. При
этом городские власти решают задачу снижения вредных выбросов в атмосферу сразу от нескольких источников: автомобильного транспорта, канализационных коллекторов и свалок органических отходов.
С начала 2000 г. в Стокгольме на биогазе работают уже более 300 автомобилей, заправку которых обеспечивают четыре «сателлитных» станции. Всего власти Стокгольма планируют перевести на этот вид газа 3000 столичных автомобилей. В программе принимают непосредственное участие компании «Вольво», «Фольксваген» и «BMW». В рамках городской экологической программы муниципалитет Стокгольма принял решение о переводе всех мусороуборочных автомобилей на биогаз. Топливо будут получать при переработке органических отходов, собираемых в столичных ресторанах и столовых больших предприятий. При этом называется ряд преимуществ биогаза по сравнению с другими энергоносителями, а именно: возобновляемость; наличие местных источников сырья для получения топлива; снижение парникового эффекта; сокращение зависимости от зарубежных поставщиков нефти и газа; снижение экологического ущерба от систем сбора органических отходов; обеспечение экологически замкнутой энергетической системы.
Использованием биогаза на транспорте занимаются не только в Стокгольме. В той же Швеции в городе Линчопинг в 1990 г. переоборудовали для работы на биогазе 64 автобуса («Вольво», «Мерседес», «Неоплан/Камминс») и два таксопарка. В Евле биогаз применяется для производства тепла, электричества и в качестве топлива на 10 автобусах «Неоплан» с газовыми и гибридными силовыми установками. В Троль-хеттане на биогазе, получаемом при переработке отходов мясной и рыбной промышленности, работают 15 автобусов. В городе Упсала 31 автобус «Неоплан», шесть легковых автомобилей и одна мусороуборочная машина работают на биогазе, получаемом из органических отходов и навоза.
Во Франции в Туре работает установка получения и ком-примирования биогаза, обслуживающая 30 легковых автомобилей («Рено Клио», «Пежо-106»). В Лиле на этом топливе работают 100 автобусов, а в Тулузе - 6.
В Швейцарии (кантон Цюрих) с 1997 г. биогаз получают из органических отходов. Правительство страны ограничивает отпускную цену этого вида топлива на уровне 70% от стоимости дизельного топлива.
В Рейкьявике (Исландия) с загородной свалки органических отходов собирают до 500 м3 газа в час. После очистки, обогащения и компримирования газ, содержащий до 98% метана, заправляется в транспортные контейнеры до давления 260 атм. Контейнеры перевозят к потребителю и заправляют газом автомобили. Стоимость 1 м3 очищенного биогаза на 1,11 евро ниже стоимости бензина. Общая потребность Рейкьявика в автомобилях на биогазе равна 1000 ед.
Но не только в Исландии городские свалки твердых бытовых отходов стали источником биогаза. В заметных объемах биогаз добывается и утилизируется в ряде развитых западных стран. К их числу относятся США (500 млн. м3), Германия (400 млн. м3), Великобритания (200 млн. м3), Нидерланды (50 млн. м3), Франция (40 млн. м3), Италия
(Ж
Альтернативное топливо
(35 млн. м3) и Дания (5 млн. м3). В Китае уже в 1999 г. действовали 7 млн. малых установок получения биогаза. Еще в начале 70-х гг. прошлого века тогдашнее руководство КНР предписало совершить «большой биогазовый скачок». В результате свыше 60% всего автобусного парка страны, в том числе около 80% в сельской местности, ныне работают на биогазе. Между прочим, производство биогазовых и двухтопливных двигателей в КНР было засекречено до конца 80-х гг. прошлого века. Зато сегодня Китай их экспортирует, как и сам биогаз, более чем в 20 стран мира.
Объемы годовой газодобычи и утилизации свалочного газа в мире составляют примерно 1,2 млрд. м3 в год, что эквивалентно 429 тыс. т метана или 1% его глобальной эмиссии. Таким образом, объем извлекаемого газа ничтожен по сравнению с объемом его образования. Это открывает широкие возможности для развития биогаза, как отрасли в целом.
В рамках ЕЭК ООН разработана и реализуется программа ZEUS, направленная на создание транспортных средств с нулевым и сверхнизким содержанием загрязняющих веществ в отработавших газах. Получение и применение биогаза является составной частью этой программы, и на реализацию проектов получения и применения этого вида топлива Европейское сообщество выделяет значительные суммы.
В нашей стране работы по промышленному получению и использованию биогаза начались в 60-х гг. прошлого века. Уже тогда проводились работы по энергетическому использованию коммунально-бытовых, лесных и сельскохозяйственных отходов. Но так как ресурсы нефти тогда казались неисчерпаемыми, а цены на наши нефтепродукты были символическими, то это, по сути, сворачивало исследования в области новой энергетики. А после 1991 г. эти работы вообще потеряли системность, плановость и, естественно, нормальное финансирование. Тем не менее кое-что удалось сделать. Разработанные биогазовые установки и системы в 1992 г. были приняты к производству в АО «Стройтехника - Тульский завод». Сегодня уже создано производство типоразмерного ряда биогазовых установок и систем, отвечающих требованиям современного рынка. Сегодня они используются в хозяйствах от Алтая до Белоруссии.
Перспективы использования биогаза в России
Следует сказать, что Россия давно созрела для производства и использования биотоплива, однако, здесь необходима государственная поддержка. Поэтому очень важным является желание Минсельхоза внести в план законопроектной деятельности министерства Федеральный закон «Об основах развития биоэнергетики в РФ», который должен выстроить четкую систему понятий, связанных с биоэнергетикой, и обеспечить проведение государственной политики в области использования альтернативных видов моторного топлива и особенно биотоплив.
В России практически отсутствует сырьевая база для получения этанола и биодизельного топлива, а также технологическая и производственная база для широкого применения процесса пиролиза отходов. Поэтому их рынок в России ограничен.
Наибольший практический интерес для России представляет только такое альтернативное моторное топливо из местного сырья, как биогаз. Биогаз - это смесь метана и углекислого газа, продукт метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения. Метановое брожение, как результат природного биоценоза анаэробных бактерий, протекает при температурах от 10 до 55°С. Содержание метана в биогазе варьируется в зависимости от химического состава сырья и может составлять 50-90%.
Наиболее эффективным для анаэробного сбраживания осадков является использование металлического или железобетонного резервуаров, где идет только сбраживание осадка с подогревом и перемешиванием. Подогрев производится с помощью паровых эжекторов и теплообменников, а перемешивание - с помощью механических мешалок, а также инжектированием паром.
Канализационные (аэрационные) газы - это продукт брожения сточных вод городской канализации, представляющий собой разновидность биогаза, имеющего в своем составе 60-65% метана (СН4), 30-35% диоксида углерода (СО2) и 2-4% водорода (Н2). Как показывает практика, выход канализационных газов со станции переработки, питаемой канализационной сетью и обслуживающей населенный пункт с численностью жителей 100 тыс. чел., достигает в сутки более 2,5 тыс. м3, что эквивалентно 2 тыс. л. бензина. С учетом того, что население крупных городов России, как правило, превышает 500 тыс. чел., канализационные газы становятся реальным источником альтернативного топлива.
Так, автотранспортное хозяйство г. Санкт-Петербург ежедневно может получать до 100 тыс. м3 аэрационного газа, что позволяет перевести значительную часть городского автотранспорта на альтернативный вид моторного топлива, экономя тем самым более 80 тыс. л нефтепродуктов в сутки.
При сбраживании осадков сточных вод очистных станций городской канализации можно выделить от 5 до 15 м3 газа на 1 м3 подобного осадка. По ряду данных только на очистных станциях России и стран СНГ накопление жидких осадков сточных вод составляет 170 млн. м3/г. При анаэробном сбраживании может быть получено 1,5 млрд. м3 биогаза в год (1,2 млн. т условного топлива).
Также возможно получение биогаза из ТБО, когда измельченные отходы в резервуаре перемешивают с канализационным осадком из отстойников очистных сооружений. Температура массы повышается до 65-70°С. Процесс анаэробного сбраживания идет в течение 1-2 мес. По данным зарубежных специалистов, из 1 м3 ТБО выделяется до 1,5 м3 газов. В своем составе газы имеют до 50% метана, 25% двуокиси углерода, до 2% водорода и азота. Эта технология достаточно широко используется за рубежом - в США, Германии, Японии, Швеции. Общее количество биогаза, полученного из ТБО, эквивалентно энергии в 37*1015 Дж.
В результате анаэробного сбраживания из 1 т сухого навоза при оптимальных условиях можно получить 340 м3 биогаза. Во время сбраживания в навозе развивается микрофлора, которая последовательно разрушает органические вещества до кислот, а последние под действием
синтрофных и метанообразующих бактерий превращаются в газообразные продукты - метан и углекислоту.
Следует, однако, отметить, что разработка двигателей автотранспортных средств, работающих на газе с низкой теплотой сгорания, как у биогаза, представляет определенные трудности. Поэтому целесообразнее использовать не биогаз, а получаемый из него биометан. Для этого из биогаза удаляют СО2 и другие примеси. Получаемый газ имеет однородный состав (биометан), содержащий 90-97% СН4 с теплотой сгорания 35-40 МДж/м3. Очистка биогаза от двуокиси углерода может производиться различными способами. Наиболее распространенные: промывка газов через жидкие поглотители (например, воду), вымораживание, адсорбция при низких температурах.
Биометан имеет низкую объемную концентрацию энергии. При нормальных условиях теплота сгорания 1 л биометана составляет 33-36 кДж, в то время как теплота сгорания 1 л бензина составляет 31400 кДж, то есть в 1000 раз больше, чем у биометана. Поэтому биометан может применяться в автомобилях как моторное топливо в ком-примированном или криогенном (сжиженном) состоянии. Биометан имеет более высокую детонационную стойкость, что позволяет снижать концентрацию вредных веществ в отработавших газах и уменьшать количество отложений в двигателе. Ввиду отсутствия жидкой фазы масляная пленка с цилиндров двигателя не смывается, износ деталей ци-линдропоршневой группы уменьшается в два раза. Выброс токсических составляющих сокращается в 3-8 раз. Компанией «Уо!уо» реализуется проект перевода городских автобусов г. Гетеборг на биогаз (свалочный газ). Подтверждено, что при переводе автотранспорта на биогаз суммарные «парниковые» эмиссии сократились на 90%.
Главным сдерживающим фактором широкого применения сжатого биометана в качестве моторного топлива, как и КПГ, является транспортировка толстостенных баллонов, составляющих до 96% веса топливной системы. На 100 км пути для трехтонного автомобиля потребуется более 30 м3 газа. При давлении 20 МПа в баллон емкостью 50 л вмещается до 10 м3 газа, следовательно, для суточного пробега необходимо иметь не менее 8 таких баллонов (вес около 700 кг).
Уменьшить объем газа почти в 600 раз позволяет его сжижение. Но до последнего времени не существовало экономически целесообразной технологии сжижения газообразного биометана, поэтому в двигателях внутреннего сгорания он ранее не применялся.
Можно выделить два основных направления решения этой проблемы. Одно - создание централизованных производств на основе биогенераторных заводов и крупных ожижительных комплексов. Другое - создание небольших производств на основе биогенераторных и криогенных установок. Первое направление, в силу кризиса экономики России, в ближайшем будущем вряд ли применимо. Производство сжиженного биометана (СБМ) в России может быть налажено только в рамках региональных программ или локальных проектов, основанных на использовании канализационного газа, отходов животноводства и птицеводства. Использование такого топлива, в первую очередь, для собственного автотранспорта животноводческих и птицеводческих предприятий, фермерских хозяйств и
сельскохозяйственных кооперативов, а также общественного и грузового городского транспорта может дать существенный экономический эффект.
Для того, чтобы сделать этот вид топлива конкурентоспособным на российском рынке моторных топлив, надо разработать сравнительно дешевые способы производства сжиженного биометана. В этом отношении наиболее перспективна новая технология производства биометана на основе использования криогенных газовых машин (КГМ), работающих по циклу Стирлинга. Криогенные газовые машины Стирлинга отечественных и зарубежных фирм являются криогенераторами, основанными на принципе только внешнего охлаждения, и предназначены для сжижения газов, температура конденсации которых не ниже 70 К (-200°С). В России производится несколько модификаций КГМ Стирлинга с производительностью от 14 до 80 л/ч СБМ. За рубежом фирмами «Филипс» и «Веркспоор» освоено серийное производство более мощных КГМ Стирлинга с производительностью по СБМ более 700 л/ч.
На основе КГМ Стирлинга могут быть созданы малогабаритные комплексы по производству биогаза в любом автохозяйстве, имеющем возможность получения такого топлива. В качестве комплектующих предполагается использовать только серийно производимое отечественной промышленностью оборудование. Криогенные машины Стирлинга выпускаются ОАО «Машиностроительный завод «АРСЕНАЛ» и НПО «Гелиймаш», а предназначенные для них биогенераторные установки «КОБОС-1» (для крупного рогатого скота) и «БИОГАЗ-301С» (для свиноводческой фермы в 3000 свиней) Шумихинским машиностроительным заводом. Малогабаритный комплекс СБМ на основе данного оборудования позволяет получать до 700 л сжиженного биометана в сутки (достаточно для заправки грузовых автомобилей «ЗИЛ-130» или 15 легковых). Производительность комплекса может быть увеличена за счет дополнительных модулей. В качестве биогенераторных установок могут быть использованы более мощные установки других производителей, например, опытного завода ООО «Газпром ВНИИГАЗ». Биогенераторная установка этого предприятия с производительностью биогаза 1000 м3/сут. из куриного помета в настоящее время эксплуатируется на Октябрьской птицефабрике Глебовского птицеводческого объединения.
Литература
1. Шубов Л.Я., Ставровский М.Е., Шехирев Д.В. Технологии отходов (Технологические процессы в сервисе): учебник. - ГОУВПО «МГУС». - М., 2006.
2. Лозовецкий В.В., Пелевин Ф.В., Крымасов В.Н. Гидродинамика и теплообмен в слое тепловыделяющих элементов. Дисперсные потоки и пористые среды: Тр. 3-й РНКТ. М.: МЭИ, 2002. Т.5. - С. 254-257.
3. Туровский Ф., Бакалейник А., Максимова Е. Проблемы применения новых автомобильных топлив. - Автотранспорт: эксплуатация, обслуживание, ремонт. - 2009, № 5. - С. 43-48.
4. Беляев С.В., Давыдков Г.А. Применение биотоплив на транспорте. - Труды Петрозаводского госуниверситета . - 2008. - 12 с.
5. Triebstoff fur Bussflotte aus Klarschlamm. Autofachmann. - 2006, № 8, С. 22-25.
6. Drung zum Alkohol. Automomile Revue. - 2006, № 29.
