Моделі для систем автоматизованого вилучення біогазу з полігонів твердих побутових відходів Текст научной статьи по специальности «Экономика и бизнес»

Л1тература

1. Бойлс Д. Биоэнергия: технология, термодинамика. Издержки. - М. : Изд-во "Агро-произдат", 1987. - 234 с.

2. Bruce Knight, Adam Westwood. Global growth. The world biomass market. Renewable Energy World, Jan-Feb 2005. - Vol. 8, № 1.

УДК 681.142:612.822 Ст. наук. ствроб. М.Р. Подольський, канд. техн. наук -1нститут геологи i геохми горючих копалин НАН Украти, м. Rbeie

МОДЕЛ1 ДЛЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗОВАНОГО ВИЛУЧЕННЯ Б1ОГАЗУ З ПОЛ1ГОН1В ТВЕРДИХ ПОБУТОВИХ В1ДХОД1В

Розглянуто моделi для автоматизованого вилучення бюгазу для його енерге-тично'1 утишзацп. Наведено приклади моделювання вилучення бюгазу. Встановлено, що пiд час рекультивацп полiгону твердих побутових вiдходiв (ТПВ) iз енергетич-ною утилiзацieю бюгазу на етат вишукувальних робiт проводиться ощнка загально-го газового потенщалу полiгону i визначаються оптимальнi режими вилучення бюгазу, що слугують тдставою для вибору структури i потужностi обладнання для енер-гетично'1 утилiзацii бiогазу. Доведено, що ефективш системи управлiння енергетич-ною утишзащею бiогазу можна побудувати тiльки за умови 1'хньо'1' вiдповiдностi кон-кретним газовим властивостям пол^ону ТПВ, зокрема оптимальним режимам вилучення бюгазу.

Senior research officer M.R. Podolskyy - Institute of geology and geochemistry of

combustible minerals NAS of Ukraine, Lviv

Models for biogas automatic extraction process from sanitary waste landfills

The models for automatic biogas extraction from waste landfills are described. The examples of biogas extraction modelling are presented. It is set that during rekultyvation of ground of hard domestic wastes (HDW) with power utilization of biogas on the stage of searching works the estimation of general gas potential of ground is conducted and the optimum modes are determined exceptions of biogas, which serve as foundation for the choice of structure and power of equipment for power utilization of biogas. It is well-proven that effective control system by power utilization of biogas can be built only on condition of their accordance concrete gas properties of ground of HDW, in particular to the optimum modes of exception of biogas.

Вступ. Негативний вплив на довкшля юнуючих в Украш1 пол1гошв твердих побутових в1дход1в (ТПВ) спричинений багатор1чним порушеннями еколопчних норм ix експлуатаци. Ф1зико-х1м1чш та бюлопчш процеси, яю вщбуваються в масивах ТПВ, призводять до низки негативних явищ, зокрема до забруднення атмосфери "звалищними газами" (бюгазом). Метою рекультивацп пол1гошв ТПВ е максимальне зменшення негативного впливу пол1го-шв на довкшля. При цьому, бюгаз можна нейтрашзувати шляхом спалювання на факел1 або використовувати як альтернативне джерело енергй. Для енерге-тичноi утишзацп бюгазу потр1бно оцшити газовий потенщал пол1гону ТПВ та оргашзувати оптимальний режим вилучення бюгазу. Автоматизащя управ-лшня процесом вилучення бюгазу грунтуеться на характеристик газових процеЫв у масив1 ТПВ.

Характеристика газових процесiв в масив1 ТПВ. У загальному ви-падку для розгляду газових процесiв у масивi ТПВ можна використати мето-дологiю теорн фшьтрацн [1] рiдин i газiв у пористому середовищi нафтогазо-вого пласта, з урахуванням особливостей масиву ТПВ, до яких належать:

• розмщення масиву у приповерховому шар1 земл1 (глибина - до 100 м), що унеможливлюе наявтсть високих тисшв;

• велика пористшть 1 прониктсть породи масиву;

• тривалий термш (роки) анаеробного розкладання оргашчно! частини;

• утворенняу бюгазу в пород1 масиву;

• переважно ламшарний характер газово! фшьтраци в масивц

• мала потужтсть та нешдльтсть 1золяци поверхш масиву ввд атмосфери.

У масивi ТПВ одночасно i збалансовано вiдбуваються три основнi га-зовi процеси:

1) анаеробне розкладання оргатчно! частини породи масиву з утворенням бюгазу (утворення бюгазу зменшуе частку оргатчних сполук у пород! масиву, а отже, з часом вщповщно зменшуеться кшьюсть утвореного бь огазу, тд д1ею сили тяжшня вщбуваеться ущшьнення породи масиву { зменшення його пористост та газово! проникносп);

2) утворений бюгаз поступово витюняе атмосферне повгтря { заповнюе пори в пород1 масиву;

3) за велико! частки оргатчних сполук у пород1 масиву та штенсивного га-зоутворення (якщо тиск бюгазу перевищуе атмосферний тиск), бюгаз через нещшьносп в 1золяци поверхш масиву потрапляе в атмосферу. Хiмiчний склад бiогазу, статичнi та динамiчнi характеристики газових

процесiв в масивi ТПВ визначають за допомогою вимiрювань [2] i е основою для проектування систем дегазацп i газового монiторингу полiгонiв ТПВ.

Моделi вилучення бiогазу з полiгонiв ТПВ. Для розрахунку газового потенщалу використовуються математичш моделi, якi рiзною мiрою вра-ховують особливостi пол^ошв ТПВ, однак найбiльше поширена формула ЦБ ЕРА [3] для визначення метаново! продуктивност

дiв (т/рiк); к - коефщент швидкостi утворення метану (1/рж); с - час з моменту закриття полiгону (рж); ? - час вiд початку експлуатацн полiгону (рiк).

Розрахунок за формулою (1) дае змогу оцшити загальний метановий потенцiал полiгону ТПВ за усередненим морфолопчним складом вiдходiв без врахування структури масиву ТПВ.

Коефщент Ь=140x280 м метану на одну тонну ТПВ i залежить вiд морфологiчного складу вiдходiв. Менше значення коефiцiента Ь вщповщае меншiй кiлькостi органiчних речовин у вводах. Максимальний об'емний вмют метану у бiогазi на продуктивних дiлянках полiгонiв ТПВ становить 3570 %, тому, поклавши Ь=В=400 м бюгазу на одну тонну ТПВ, за формулою

3

(1) отримуемо середнш рiчний потенцiал бiогазу V (м /рж):

V = ВЯ(е~кс - е~к).

(2)

Для ефективно! енергетично! утаизаци доцiльно встановити такий режим вилучення бюгазу, за якого забезпечуеться найдовший термш i повнота використання газового потенщалу пол^ону та економiчнiсть утаизаци бюга-зу (окупшсть витрат на спорудження i обслуговування системи вилучення та енергетично! утилiзацil бiогазу).

Для вилучення бюгазу з пол^ошв ТПВ можна використовувати ваку-умнi, водокiльцевi та поршнев^роторш насоси. Використання вакуумних на-соЫв обмежено тим, що в р^ досягнення певно! величини депреси настае "прорив" атмосферного повiтря через нещшьносп iзоляцil поверхнi масиву або "засмоктування" флю!дав (якщо депресiя компенсуе пдростатичний тиск флю!дав). Застосування водокiльцевих насоЫв частково обмежено тими ж причинами, що й вакуумних. Крiм цього, водокiльцевi насоси не дають змоги регулювати штенсившсть вiдкачування, мають низький коефщент корисно! ди i здебшьшого призначенi для використання в некерованих системах.

Для використання поршневих насоЫв, продуктившсть яких можна регулювати в широких межах, доцшьно визначити залежшсть показникiв вилучення бюгазу вщ параметрiв насосу i вибрати оптимальний варiант режиму вилучення [4]. У процес вилучення бiогазу, враховуючи потреби, i в разi зменшення його запаЫв, режими роботи поршневих насоЫв можна оперативно змшювати.

Нехай: VI - газовий потенщал полiгону (або дiлянки полiгону) в 1-му роцi (л), визначений за формулою (2); В - продуктившсть насосу (л/хв.); N -швидюсть руху поршня насосу (ходiв/хв.); Р () - тиск бюгазу (атм.) у по-чатковий момент часу t0, з якого починаеться вилучення бюгазу. Зауважимо, що значення, VI, В, N i Р (^) е постшними величинами i не залежать вiд часу

t (хв.), у= D/N - об'ем поршня насосу (л).

Визначення залежностi тиску Р (t) вiд часу t виконаемо на основi ана-

лiзу зменшення маси бiогазу у масивi за умови вiдсутностi поступання атмосферного пов^я i втрат бюгазу через нещшьносп покриття масиву, розгля-нувши процес вiдбору газу при двох послщовних ходах поршня (рис. 1), що вщповщае вилученню газу iз закрито! мiсткостi об'емом VI. Пiд час моделю-вання процесу вилучення бiогазу залежшсть барометричних i компонентних показникiв бюгазу вщ температури не враховують.

Перед першим ходом поршня масу газу М (^), що знаходився в об,емi

VI (рис. 1)), можна визначити за формулою:

М> (^) = рУ>, (3)

де: р0 - початкова питома вага газу.

Пiд час першого ходу поршня маса газу Мг (^) зменшиться на масу

газу, який перейде в об'ем поршня V (рис. 2), 3)) i буде видалений з масиву (рис. 1), 5)), тобто:

Мг (Ь ) = М(^) -Р = рУг - рр , (4)

де: р - питома вага газу в об'емi поршня V (рис. 3)).

Оскшьки за законом збереження маси = р(Уг + V), то:

Р =

рУ (V + V)

(5)

гк+1 1к+1+А1/2 1к+2=гк+1+^1

5) 6) 7) 8) 9)

Рис. 1. Схема процесу вiдбору бюгазу при двох по^довних ходах поршня насосу

1) початковий стан поршня на момент часу г= ¿и (газу в об,eмi V немае);

2) протягом промiжку часу вщ г = ^ до г = ^ + Лг/2, де: Лг = г^сотг — час здшснення одного повного ходу поршня, поршень рухаеться вверх (Ц) i вщкривае доступ газу (й) в об'ем поршня V (газ заповнюе об'ем поршня);

3) стан поршня на момент часу г = ¿и + Л1/2 (газ повтстю заповнив об'ем поршня);

4) протягом промiжку часу вщ г = ^ + Лг/2 до г = ^ + Лг = поршень рухаеться вниз (Ц) i вщкривае вихiд газу з об'ему поршня V (й);

5) стан поршня на момент часу г = ¿и +Лг = Хь+1 (газу в об'емi V немае);

6), 7), 8), 9) стан системи при наступному ходi поршня (вщповщае 2), 3), 4), 5) при г = й+Д

Пщставляючи (5) в (4), отримуемо:

/ л

(11 ) = Р —рРV-v = рoV

V,- + V

1 --

V

V + V

■ Р

V + V

(6)

Пщ час наступного ходу поршня маса газу М,- (г1) зменшиться на масу

газу, який перейде в об'ем поршня V (рис. 6), 7)) 1 буде видалений з масиву (рис. 8), 9)), тобто:

Мг (¿2 )= М,(1) -Р2V = РУ1 -Р2V , (7)

де: р2 - питома вага газу в об'ем1 поршня V (рис. 7)).

Оскiльки за законом збереження маси pVi = р2 (Vi + v ), то:

pVi

Р2 =--.

V- + v

Пщставляючи (8) в (7), отримуемо:

Mi (t2 ) = pVi —f^-v = pVi

Vi + v

1

(Vi + v)

= PiVi

v Vi + v y

Пщставляючи (5) в (9), отримуемо:

Mi (t2 ) =

PoV Vi + v

Vi

Vi

v Vi + v y

= PoVi

r V л2

При k-му ходi поршня маса газу

Mi (tk-i ) = pk-V = pVi

Vi

v Vi + v y

Nk-1

v- + v

(8)

(9)

(10)

(11)

зменшиться на масу газу, який перейде в об'ем поршня v i буде видалений з масиву, тобто:

Mi ( tk ) = Mi(tk-1) - pkv = pk-1V -Pkv, (12)

де: pk - питома вага газу у об'емi поршня v при k-му ходi поршня. Оскшьки за законом збереження маси pk-1Vi = pk (Vi + v ), то:

Pk-1V

Pk =

Vi + v

Пщставляючи (13) в (12), отримуемо:

Mi (tk) = pk-V-p^v = pk-Vi V + v

(Vi + v)

= Pk-1V

' _V_л

V Vi + v y

(13)

(14)

Пщставляючи значення pk-1 в (14), отримуемо:

Mi (tk ) = poV

Vi k

v Vi + v y

(15)

ш, то

Оскшьки тиск у свердловиш пропорцiйний кшькосл газу у свердлови-

P ( tk ) = M(tk )

Pi (to) Mi(to) '

звiдки отримуемо:

P (tk ) = P (to )Mrr = P (to )

' V 4k

(16)

Mi(to) т ^ . v y

Розкриваючи значення v в (16) та переходячи до неперервного часу (k=Nt), отримуемо:

/ ТЛ \Nt

Pi (t) = Pi (to)

Vi

Vi + D/N

(17)

Залежнiсть кшькосл вилученого газу (в м ) вщ часу вилучення визна-чають за формулою

V (t )=(т - p<t))-j0(cMj=Pl )

f f V Л Nt Л

1 - V + ^ 1 N

V(t°)

1°°°

(18)

Результата моделювання за формулами (17) i (18) обсягiв вилучення бiогазу поршневим насосом протягом 12 мiсяцiв iз масиву ТПВ з рiчним газо-вим потенщалом в 100000 м за початкового тиску 1 атм., швидкост руху поршня насосу 3000 ходiв/хв. i рiзноl продуктивностi насосу наведено на рис. 2. Порiвнюючи графiки а), б), в), г) на рис. 2, можна вибрати оптимальний режим вилучення бюгазу для конкретного пол^ону (дшянки полiгону) ТПВ.

в) 0=180 л/хв. г) 0=240 л/хв.

Рис. 2. Результаты моделювання вилучення бюгазу

Протягом перших роюв енергетично! уташзаци бiогазу оптимальним режимом його вилучення iз масиву ТПВ доцiльно вважати такий режим, за якого штенсившсть вилучення бюгазу вщповщае iнтенсивностi його утво-рення (1). У наступи роки енергетично! угишзаци бiогазу при зменшенш об-сягiв його утворення вилучаеться утворений бiогаз i бюгаз, який накопичився в породi масиву в попередш роки, що призводить до поступового вичерпання газового потенщалу пол^ону ТПВ, як альтернативного джерела енергй.

Пiдсумки. Пiд час рекультиваци полiгону ТПВ iз енергетичною ути-лiзацiею бiогазу на етапi вишукувальних робiт проводиться оцiнка загального газового потенщалу пол^ону i визначаються оптимальш режими вилучення бiогазу, що слугують пiдставою для вибору структури i потужностi облад-нання для енергетично! уташзаци бiогазу.

Ефективнi системи управлшня енергетичною утилiзацiею бiогазу можна побудувати лише за умови 1хньо1 вiдповiдностi конкретним газовим влас-тивостям пол^ону ТПВ, зокрема оптимальним режимам вилучення бюгазу.

Лггература

1. Подземная гидравлика / под общ. ред. акад. Л. Лейбензона. - М. : Изд-во "ГНТИ нефтяной и горно-топливной литературы", 1949. - 523 с.

2. Jerzy Dudek: Rola pomiarow przy opracowywaniu koncepcji odgazowania skladowisk odpadow komunalnych // Instutut nafty i gazu, Prace nr. 145. - Krakow, 2007. - Str. 263-270.

3. A Landfill Gas-to-Energy Project Development Handbook, LMQP, US EPA, 1996, part 2. - P. 5-8.

4. Подольський М., Гвоздевич О. Моделювання процесу вилучення бюгазу з пол^ошв твердих побутових вiдходiв // Пол^они твердих побутових вiдходiв: проектування та експлу-атацiя, вимоги Свропейського Союзу, Кютський протокол : матер. М1жнар. наук.-техн. конф. (Славсько, 16-18 квгг. 2008 р.). - Львiв : Вид-во "1ГГГК НАН Украïни", 2008. - С. 273-280.

УДК 630.*36(100) Асист. Н.В. Шевченко - НЛТУ Укршни, м. nwis

ВИМ1РЮВАЛЬНА АПАРАТУРА ТА МЕТОДИКА ДЛЯ ОЦ1НЮ-ВАННЯ ПЛАВНОСТ1 РУХУ Л1СОВОЗНОГО АВТОПОТЯГА

Подано методику i описано комплекс електровимiрювальноi апаратури для оць нювання плавносп руху дволанкового лiсовозного автопотяга тд час пере'1'зду через поодинокi нерiвностi. Такий комплекс електровимiрювальноi апаратури i розроблену методику можна використати для здшснення експериментальних випробувань люот-ранспортних засобiв у виробничих умовах для оцшювання плавностi ix руху в реаль-них умовах експлуатацп. Завдяки легкому переналагодженню та унiверсальним крш-ленням давачiв до елементiв та вузлiв конструкцп дослiджуваного об'екта, цей комплекс можна використовувати для випробування як тракторiв, так i автомобшв.

Assist. N.V. Schevcenko - NUFWT of Ukraine, L'viv

Method and complete set of measuring apparatus for estimation of smoothness of run of wood-transport car

In the publication there is the shown description for the apparatus of measuring and method for estimation of smoothness of run of transport vehicle for transportation of cars during motion for different roads. Such complex of electronic-instrumentation apparatus and developed method it can draw on for realization of experimental tests of forest transport facilities in production terms for the evaluation of smoothness of their motion in the real terms of exploitation. Due to an easy readjust and universal fastenings of sensors to the elements and knots of construction of the probed object, this complex it can draw on for the test of both tractors and cars.

Експериментальш дослщження дволанкового автопотяга на баз1 авто-мобшя КамАЗ-43101 з причепом ГКБ-8352 (рис. 1) здшснювали з метою пе-рев1рки адекватносл математично1' модел1 поступального руху автопотяга та вертикальних коливань його шдресорних та надресорних мас [1, 2]. Досль дження виконували у виробничих умовах ДП "Б1брське люове господарство".

Адекватшсть розрахунково!" модел1 перев1ряли шляхом пор1вняння часу руху, загального пройденого шляху i шляху на передачах, часу розгону з м1сця tpo3Z до швидкосп 60 км/год., середньоквадратичних в1дхилень приш-видшень вертикальних коливань надресорних та шдресорних мас автопотяга.

Для реестрування вим1рюваних величин використано комплекс елек-тровим1рювально1' апаратури, принципову схему якого подано на рис. 2. У ход1 здшснення експериментального дослщження за допомогою давач1в