Утилизация свалочного газа — это процесс сбора, переработки и обработки метана или другого газа, выделяемого при разложении мусора, для производства электроэнергии, тепла, топлива и различных химических соединений. После ископаемого топлива и сельского хозяйства свалочный газ является третьим по величине источником метана, вырабатываемого человеком. [1] По сравнению с CO2 , метан в 25 [2] раз более эффективен как парниковый газ . Важно не только контролировать его выбросы, но и, где позволяют условия, использовать его для выработки энергии, тем самым компенсируя вклад двух основных источников парниковых газов в изменение климата .
Число проектов по переработке свалочного газа, преобразующего газ в электроэнергию, выросло с 399 в 2005 году до 519 в 2009 году в Соединенных Штатах, согласно Агентству по охране окружающей среды США. Эти проекты популярны, поскольку они контролируют затраты на электроэнергию и сокращают выбросы парниковых газов . Эти проекты собирают метановый газ и обрабатывают его, чтобы его можно было использовать для получения электроэнергии или модернизировать до газа трубопроводного класса для питания домов, зданий и транспортных средств. [3]
Свалочный газ (LFG) образуется в результате разложения твердых бытовых отходов (ТБО) и других биоразлагаемых отходов микроорганизмами . Аэробные условия (присутствие кислорода) приводят к выбросам преимущественно CO2 . В анаэробных условиях, что типично для свалок, метан и CO2 образуются в соотношении 60:40.
Метан ( СН
4) является важным компонентом свалочного газа, поскольку его теплотворная способность составляет 33,95 МДж/Нм^3, что дает преимущества в плане выработки энергии. [5] Количество производимого метана значительно варьируется в зависимости от состава отходов. Большая часть метана, производимого на свалках ТБО, образуется из пищевых отходов , композитной бумаги и гофрированного картона , которые составляют 19,4 ± 5,5%, 21,9 ± 5,2% и 20,9 ± 7,1% соответственно в среднем на свалках ТБО в Соединенных Штатах. [6]
Скорость образования свалочного газа зависит от возраста свалки. Существует 4 общие фазы, которые проходит часть свалки ТБО после размещения. Как правило, на большой свалке разные участки участка будут находиться на разных стадиях одновременно. Скорость образования свалочного газа достигнет максимума примерно через 5 лет и начнет снижаться. [7] Свалочный газ следует кинетическому распаду первого порядка после того, как начинается спад, со значением k в диапазоне 0,02 год-1 для засушливых условий и 0,065 год-1 для влажных условий. [4]
Программа по борьбе с метаном на свалках (LMOP) предоставляет LandGEM (модель выбросов свалочного газа), модель распада первого порядка, которая помогает определить производство свалочного газа для отдельного свалки. [4] Обычно скорость извлечения газа с полигона твердых бытовых отходов (ТБО) составляет от 25 до 10000 м 3 /ч, тогда как на свалках обычно находится от 100000 м 3 до 10 миллионов м 3 отходов. [5]
Газ на свалках ТБО обычно содержит примерно 45–60 % метана и 40–60 % углекислого газа в зависимости от количества воздуха, поступающего на свалку, либо посредством активного извлечения газа, либо из-за недостаточной герметизации (закупорки) свалки. [8] В зависимости от состава отходов на месте существует множество других второстепенных компонентов, которые составляют примерно 1 %, включая H
2С , НЕТ
х, ТАК
2, CO , неметановые летучие органические соединения (НМЛОС), полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), полихлорированные дибензодиоксины (ПХДД), полихлорированные дибензофураны (ПХДФ) и т. д. Все эти газы вредны для здоровья человека в больших дозах. [5]
Сбор свалочного газа обычно осуществляется путем установки скважин — вертикально и/или горизонтально — в массе отходов. Эвристика проектирования вертикальных скважин требует около одной скважины на акр поверхности свалки, тогда как горизонтальные скважины обычно располагаются на расстоянии около 50–200 футов друг от друга по центру. [9]
Эффективный сбор газа может быть достигнут как на открытых, так и на закрытых свалках, но закрытые свалки имеют более эффективные системы из-за большего развертывания инфраструктуры сбора, поскольку активное заполнение не происходит. В среднем закрытые свалки имеют системы сбора газа, которые захватывают около 84% произведенного газа по сравнению с примерно 67% для открытых свалок. [11] Газ из свалок также может быть извлечен через горизонтальные траншеи вместо вертикальных скважин. Обе системы эффективны при сборе.
Газ из органических отходов извлекается и подается по трубопроводу в главный коллектор сбора, откуда он отправляется на обработку или сжигание. Главный коллектор сбора может быть подключен к системе сбора фильтрата для сбора конденсата, образующегося в трубах. Для вытягивания газа из коллекторных скважин в коллектор сбора и далее вниз по течению необходим нагнетатель. Система сбора газа из органических отходов площадью 40 акров (160 000 м 2 ) с факелом, рассчитанным на скорость извлечения 600 футов 3 /мин, оценивается в 991 000 долларов США (приблизительно 24 000 долларов США за акр) с годовыми расходами на эксплуатацию и техническое обслуживание в размере 166 000 долларов США в год по 2250 долларов США за скважину, 4500 долларов США за факел и 44 500 долларов США в год на эксплуатацию нагнетателя (2008). LMOP предоставляет программную модель для прогнозирования затрат на систему сбора. [9]
Если скорость извлечения газа не гарантирует прямого использования или выработки электроэнергии, газ можно сжигать в факеле, чтобы избежать неконтролируемого выброса в атмосферу. Сто м 3 /ч — это практический порог для сжигания в факеле в США. В Великобритании используются газовые двигатели с производительностью менее 100 м3 /ч. [5] Факелы полезны во всех системах свалочного газа, поскольку они могут помочь контролировать избыточные выбросы газа и периоды простоя на техническое обслуживание. В Великобритании и ЕС закрытые факелы, из которых не видно пламени, являются обязательными на современных свалках. Факелы могут быть как открытыми, так и закрытыми, но последние, как правило, более дороги, поскольку они обеспечивают высокие температуры сгорания и определенное время пребывания, а также ограничивают шумовое и световое загрязнение. В некоторых штатах США требуется использование закрытых факелов вместо открытых. Более высокие температуры сгорания и время пребывания уничтожают нежелательные компоненты, такие как несгоревшие углеводороды. Общепринятыми значениями являются температура выхлопных газов 1000 °C со временем удержания 0,3 секунды , что, как говорят, приводит к более чем 98% эффективности уничтожения. Температура сгорания является важным контролирующим фактором, так как если она превышает 1100 °C, возникает опасность экспоненциального образования термических NOx. [12]
Газ из органических отходов необходимо очищать для удаления примесей, конденсата и частиц. Система очистки зависит от конечного использования. Минимальная очистка необходима для прямого использования газа в котлах, печах или обжиговых печах. Использование газа в производстве электроэнергии обычно требует более глубокой очистки. Системы очистки делятся на первичную и вторичную обработку. Первичные системы обработки удаляют влагу и частицы . Охлаждение и сжатие газа являются обычными для первичной обработки. Вторичные системы очистки используют несколько процессов очистки, физических и химических, в зависимости от спецификаций конечного использования. Два компонента, которые, возможно, необходимо удалить, — это силоксаны и соединения серы , которые наносят вред оборудованию и значительно увеличивают стоимость обслуживания. Адсорбция и абсорбция являются наиболее распространенными технологиями, используемыми при вторичной обработке. [9]
Трубопроводы передают газ в котлы , сушилки или печи , где он используется во многом так же, как и природный газ. Свалочный газ дешевле природного газа и имеет примерно половину теплотворной способности при 16 785–20 495 кДж/м3 (450–550 БТЕ/фут3) по сравнению с 35 406 кДж/м3 (950 БТЕ/фут3) природного газа. [13] Котлы, сушилки и печи используются часто, поскольку они максимизируют использование газа, требуют ограниченной обработки, и газ можно смешивать с другими видами топлива. Котлы используют газ для преобразования воды в пар для использования в различных целях. Для котлов около 8000–10 000 фунтов пара в час может быть получено на каждый миллион метрических тонн отходов на месте на свалке. [9] Большинство проектов прямого использования используют котлы. General Motors экономит 500 000 долларов США на расходах на электроэнергию в год на каждом из четырех заводов, принадлежащих General Motors, которые внедрили котлы, работающие на свалочном газе. [14] Недостатки котлов, сушилок и печей заключаются в том, что их необходимо модернизировать для приема газа, а конечный пользователь должен находиться поблизости (примерно в 5 милях), поскольку необходимо будет построить трубопроводы.
В ситуациях с низкими показателями извлечения газа, газ может пойти на питание инфракрасных обогревателей в зданиях, расположенных поблизости от свалки, обеспечить теплом и электроэнергией местные теплицы и обеспечить энергией энергоемкую деятельность студии, занимающейся гончарным делом, металлообработкой или выдуванием стекла. Тепло довольно недорого использовать с использованием котла. Для обеспечения электроэнергией в ситуациях с низкими показателями извлечения газа потребуется микротурбина. [9]
Газ, поступающий со свалки, может быть использован для испарения фильтрата в ситуациях, когда его обработка довольно дорога. Установка системы для испарения фильтрата стоит от 300 000 до 500 000 долларов США, а эксплуатационные расходы и расходы на техническое обслуживание составляют от 70 000 до 95 000 долларов США в год. Испаритель производительностью 30 000 галлонов в день стоит 0,05–0,06 доллара США за галлон. Стоимость за галлон увеличивается по мере уменьшения размера испарителя. Испаритель производительностью 10 000 галлонов в день стоит 0,18–0,20 доллара США за галлон. [9] Оценки приведены в долларах 2007 года.
Свалочный газ можно преобразовать в газ с высоким содержанием БТЕ, уменьшив содержание в нем углекислого газа, азота и кислорода. Газ с высоким содержанием БТЕ можно подавать в существующие газопроводы или в виде КПГ ( компрессированного природного газа ) или СПГ ( жидкого природного газа ). КПГ и СПГ можно использовать на месте для питания грузовиков или оборудования или продавать на коммерческой основе. Три наиболее часто используемых метода извлечения углекислого газа из газа — это мембранное разделение, молекулярное сито и очистка аминами. Кислород и азот контролируются правильной конструкцией и эксплуатацией полигона, поскольку основной причиной попадания кислорода или азота в газ является проникновение извне на полигон из-за разницы в давлении. Ожидается, что оборудование для обработки с высоким содержанием БТЕ будет стоить от 2600 до 4300 долларов за стандартный кубический фут в минуту (scfm) свалочного газа. Ежегодные расходы на эксплуатацию, обслуживание и поставку электроэнергии составляют от 875 000 до 3,5 миллионов долларов. [9] Стоимость зависит от качества конечного продукта, а также от размера проекта. Первым предприятием по переработке свалочного газа в СПГ в Соединенных Штатах был полигон Фрэнка Р. Бауэрмана в округе Ориндж, Калифорния . Тот же процесс используется для преобразования в КПГ, но в меньших масштабах. Проект КПГ на полигоне Пуэнте-Хиллз в Лос-Анджелесе принес 1,40 доллара за галлон бензинового эквивалента при расходе 250 стандартных кубических футов в минуту. [9] Стоимость за галлон эквивалента снижается по мере увеличения расхода газа. СПГ можно производить путем сжижения КПГ. Однако содержание кислорода необходимо снизить до менее 0,5%, чтобы избежать проблем со взрывом, содержание углекислого газа должно быть как можно ближе к нулю, чтобы избежать проблем с замерзанием, возникающих при производстве, а содержание азота должно быть снижено достаточно, чтобы достичь не менее 96% метана. Предполагается, что объект стоимостью 20 миллионов долларов обеспечит 0,65 доллара за галлон для завода, производящего 15 000 галлонов СПГ в день (3000 стандартных кубических футов в минуту). [9] Оценки приведены в долларах 2007 года.
Если уровень извлечения свалочного газа достаточно высок, можно использовать газовую турбину или двигатель внутреннего сгорания для производства электроэнергии для коммерческой продажи или использования на месте.
Более 70 процентов всех проектов по производству электроэнергии на свалках используют двигатели с возвратно-поступательным движением поршня (RP) , форму двигателя внутреннего сгорания , из-за относительно низкой стоимости, высокой эффективности и хорошего соответствия размерам большинства свалок. Двигатели RP обычно достигают эффективности от 25 до 35 процентов при использовании свалочного газа. Однако двигатели RP можно добавлять или удалять, чтобы следовать тенденциям в области газа. Каждый двигатель может достигать мощности от 150 кВт до 3 МВт в зависимости от расхода газа. Двигатель RP (менее 1 МВт) обычно может стоить 2300 долларов за кВт с годовыми расходами на эксплуатацию и техническое обслуживание в размере 210 долларов за кВт. Двигатель RP (более 800 кВт) обычно может стоить 1700 долларов за кВт с годовыми расходами на эксплуатацию и техническое обслуживание в размере 180 долларов за кВт. [9] Оценки приведены в долларах 2010 года.
Газовые турбины , еще одна форма двигателя внутреннего сгорания, обычно достигают эффективности от 20 до 28 процентов при полной нагрузке с использованием свалочного газа. Эффективность падает, когда турбина работает при частичной нагрузке. Газовые турбины имеют относительно низкие затраты на техническое обслуживание и выбросы оксидов азота по сравнению с двигателями RP. Газовые турбины требуют высокой степени сжатия газа, что потребляет больше электроэнергии для сжатия, что снижает эффективность. Газовые турбины также более устойчивы к коррозионным повреждениям, чем двигатели RP. Газовым турбинам требуется минимум 1300 куб. футов в минуту, а обычно они превышают 2100 куб. футов в минуту и могут генерировать от 1 до 10 МВт. Газовая турбина (более 3 МВт) обычно может стоить 1400 долларов за кВт с годовыми расходами на эксплуатацию и обслуживание в размере 130 долларов за кВт. [9] Оценки указаны в долларах 2010 года.
Микротурбины могут производить электроэнергию с меньшим количеством свалочного газа, чем газовые турбины или двигатели RP. Микротурбины могут работать от 20 до 200 куб. футов в минуту и выделять меньше оксидов азота, чем двигатели RP. Кроме того, они могут работать с меньшим содержанием метана (всего 35 процентов). Микротурбины требуют обширной очистки газа и выпускаются в размерах 30, 70 и 250 кВт. Микротурбина (менее 1 МВт) обычно может стоить 5500 долларов за кВт с годовыми расходами на эксплуатацию и техническое обслуживание в размере 380 долларов за кВт. [9] Оценки указаны в долларах 2010 года.
Были проведены исследования, указывающие на то, что топливные элементы из расплавленного карбоната могут работать на свалочном газе. Топливные элементы из расплавленного карбоната требуют меньшей чистоты, чем обычные топливные элементы, но все равно требуют обширной обработки. Для топливных элементов из расплавленного карбоната требуются разделение кислых газов (HCl, HF и SO2 ) , окисление ЛОС ( удаление H2S) и удаление силоксана. [ 16] Топливные элементы обычно работают на водороде, и водород может быть получен из свалочного газа. Водород, используемый в топливных элементах, имеет нулевые выбросы, высокую эффективность и низкие затраты на обслуживание. [13]
Различные стимулы для проектов по свалочному газу существуют для проектов США на федеральном и государственном уровнях. Министерство финансов , Министерство энергетики , Министерство сельского хозяйства и Министерство торговли предоставляют федеральные стимулы для проектов по свалочному газу. Обычно стимулы предоставляются в форме налоговых льгот, облигаций или грантов. Например, Налоговый кредит на производство возобновляемой электроэнергии (PTC) дает корпоративный налоговый кредит в размере 1,1 цента за кВт·ч для проектов по свалочному газу свыше 150 кВт. [19] Различные штаты и частные фонды предоставляют стимулы для проектов по свалочному газу. Стандарт портфеля возобновляемых источников (RPS) — это законодательное требование для коммунальных предприятий продавать или вырабатывать процент своей электроэнергии из возобновляемых источников, включая свалочный газ. Некоторые штаты требуют соблюдения всех коммунальных предприятий, в то время как другие требуют соблюдения только государственных предприятий. [18]
В 2005 году 166 миллионов тонн ТБО были выброшены на свалки в Соединенных Штатах. [20] Примерно 120 кг метана образуется из каждой тонны ТБО. Метан имеет потенциал глобального потепления в 25 [2] раз более эффективный как парниковый газ, чем углекислый газ на 100-летнем временном горизонте. По оценкам, более 10% всех мировых антропогенных выбросов метана приходится на свалки. [21] Проекты по свалочному газу помогают сократить выбросы метана. Однако системы сбора свалочного газа не собирают весь образующийся газ. Около 4–10 процентов свалочного газа покидают систему сбора типичной свалки с системой сбора газа. [22] Использование свалочного газа считается источником зеленого топлива , поскольку оно компенсирует использование экологически вредных видов топлива, таких как нефть или природный газ , уничтожает удерживающий тепло газ метан, а газ образуется на уже имеющихся отложениях отходов. 450 из 2300 свалок в Соединенных Штатах имеют действующие проекты по утилизации свалочного газа по состоянию на 2007 год. LMOP подсчитал, что приблизительно 520 существующих в настоящее время свалок могли бы использовать свалочный газ (достаточно для питания 700 000 домов). Проекты по свалочному газу также уменьшают локальное загрязнение и создают рабочие места, доходы и экономию средств. [22] Из примерно 450 проектов по свалочному газу, работающих в 2007 году, было произведено 11 миллиардов кВт-ч электроэнергии и 78 миллиардов кубических футов газа было поставлено конечным пользователям. Эти общие суммы составляют примерно 17 500 000 акров (7 100 000 га) сосновых или еловых лесов или ежегодные выбросы от 14 000 000 легковых автомобилей. [23]
{{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь )