1706

На правах рукописи

ЕФРЕМОВА ТАТЬЯНА ВАСИЛЬЕВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ СБОРА БИОГАЗА НА ПОЛИГОНАХ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ В ЦЕЛЯХ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙБЕЗОПАСНОСТИ

Специальности 03.00.16 Экология (технические науки)

05.23.03 Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ВОЛГОГРАД - 2004

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Захоронение твердых бытовых отходов (ТБО) на специальных полигонах или свалках стало традиционным для России способом размещения отходов. При этом опасность для всех компонентов окружающей среды (человека, воздушного пространства, почвы, растительности и животных) даже на значительных расстояниях от места захоронения сохраняется на долгое время, исчисляемое десятками лет после прекращения захоронения. Основная опасность, исходящая от полигонов ТБО, - загрязнение воздушного бассейна газами, образующимися при биохимических процессах распада складируемых отходов.

Обеспечение экологической безопасности полигонов ТБО возможно путем их правильного обустройства и эксплуатации. Помимо сокращения ущерба, наносимого окружающей природной среде, достигается дополнительная энергетическая выгода от сбора и утилизации метансодержащего газа.

Один из эффективных способов обеспечения экологической безопасности полигонов ТБО - это сбор биогаза с последующим энергетическим использованием его. На практике подтверждено, что потери давления в системах сбора биогаза относительно велики и приводят к неравномерному всасыванию по длине труб, что является причиной нежелательных подсосов воздуха в отдельных отверстиях. С другой стороны, при недостаточном разрежении концевые участки перфорированных труб могут не участвовать в процессе извлечения биогаза.

Таким образом, является актуальным решение задачи создания систем сбора биогаза, работающих с устойчивым гидравлическим режимом на всей площади обслуживаемых полигонов и извлекающих заданный объем биогаза.

Работа выполнялась в рамках подпрограммы «Отходы» Федеральной целевой программы «Экология и природные ресурсы России (2002-2010 годы)» и в соответствии с тематический планом научно-исследовательской работы Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Цель работы - оптимизация параметров систем сбора биогаза в целях обеспечения экологической безопасности на полигонах ТБО и получения экологически чистого газообразного топлива.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие зада-

чи:

-оценка полигонов ТБО как источников экологической опасности;

-определение физических характеристик процесса сбора биогаза через перфорированные трубы;

-определение потерь давления на трение и в местных сопротивлениях при движении двухфазного потока «биогаз - вода» путем сравнения с потерями давления при движении сухого биогаза;

-разработка классификационной системы грунтов полигонов, отражающая зависимость содержания газа в толще полигона от физико-механических свойств грунтов;

-экспериментальные исследования влияния параметров перфорированных газосборных труб и системы сбора биогаза на характеристики системы;

-разработка методики определения оптимальных параметров системы сбора биогаза;

-разработка рекомендаций по определению эколого-экономического эффекта от внедрения систем сбора, транспорта и утилизации биогаза на новых полигонах ТБО.

Основная идея работы состоит в исследовании параметров систем сбора биогаза, влияющих на эффективность процесса извлечения биогаза на полигонах ТБО, в целях получения экологически чистого газообразного топлива и обеспечения экологической безопасности.

Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, физическое моделирование, обработку экспериментальных данных методами математической статистики.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована планированием необходимого объема экспериментов, доказана применением

5

классических положений механики газов при моделировании изучаемых процессов, подтверждена удовлетворительной сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований.

Научная новизна работы состоит в том, что:

-получены аналитические зависимости, описывающие процесс извлечения биогаза из тела полигона ТБО;

-получены расчетные зависимости для определения потерь давления на трение и в местных сопротивлениях при движении влажного биогаза путем сравнения с потерями давления при движении сухого газа;

-получены зависимости, характеризующие процессы истечения и движения биогаза газа в перфорированных трубах и системе сбора биогаза ТБО.

Практическое значение работы:

-разработана методика определения оптимальных параметров системы сбора биогаза, направленная на минимизацию вредного воздействия проектируемых полигонов ТБО на окружающую среду и получения экологически чистого газообразного топлива;

-разработан модуль системы сбора биогаза на полигонах ТБО площадью 1 га;

-разработана классификационная система грунтов полигонов ТБО;

-разработаны рекомендации по определению эколого-экономического эффекта от внедрения систем сбора, транспорта и утилизации биогаза на полигонах и свалках ТБО.

Реализация результатов работы:

-рекомендации по снижению экологической опасности полигонов ТБО и проектированию систем сбора биогаза использованы при эксплуатации полигона ТБО Ольховского района Волгоградской области;

-рекомендации по определению потерь давления при движении влажного газа применены при проектировании систем газоснабжения котельных в МУП «Котельные и тепловые сети» Администрации Котовского района и при расчете газопроводов в ООО «Волжскийтеплогаз»;

-материалы диссертационной работы использованы кафедрой ТГС ВолгГАСУ в курсах лекций и в дипломном проектировании при подготовке инженеров специальности 2907.00 «Теплогазоснабжение и вентиляция».

На защиту выносятся:

-аналитические зависимости, характеризующие процессы сбора и транспорта биогаза на полигонах ТБО;

-экспериментальные зависимости, характеризующие процессы излечения, сбора и транспорта биогаза в системе сбора биогаза и перфорированной газосборной трубе;

-классификационная система грунтов полигонов ТБО;

-методика определения оптимальных параметров системы сбора биогаза на полигонах ТБО;

-модуль системы сбора биогаза на полигонах ТБО.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на III Международной научнотехнической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций», Волгоград, 2003; VIII Региональной конференции молодых исследователей «Экология, охрана среды, строительство», Волгоград, 2003; научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВолгГАСА, 2001-2003.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 8 печатных работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы - 148 страниц, в том числе: 129 страниц - основной текст, содержащий 29 таблиц на 27 страницах, 45 рисунков на 32 страницах; список литературы из 139 наименований на 11 страницах; 2 приложения на 7 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Эффективность извлечения биогаза из толщи полигона ТБО зависит не только от вида системы сбора биогаза, но и от распределения газа в грунте полигона. Тело полигона представляет собой достаточно сложную структуру, которая меняется во времени, так как непрерывно идет процесс газообразования, насыпаются новые слои отходов и т.п. Плотность и пористость грунта полигона ТБО зависит от фракционного состава, стадии биохимического распада отходов и уровня динамических нагрузок (уплотнения транспортом). Характерная черта грунта полигонов и свалок ТБО - значительная сжимаемость. Под влиянием собственного веса осадка грунтов городских свалок составляет до 28-30 %. Процесс уплотнения заканчивается за 10-30 лет и более.

Обобщение имеющейся опубликованной информации позволило создать общую классификацию грунтов полигонов и свалок ТБО по основным физическим свойствам (табл. 1).

Для эффективной дегазации полигонов и свалок ТБО в мировой практике применяется активный способ, при котором предусматривается прокладка системы вертикальных или горизонтальных трубопроводов, находящихся под разрежением, создаваемым воздуходувным устройством (компрессором). Извлечение и движение биогаза в системах сбора описывается такими процессами, как движение газа в пористом грунте, истечение газа через отверстия, движение газа с переменным расходом. В толще слоев отходов наблюдается достаточно высокая влажность. Вода в извлекаемом биогазе может находится как в паровой фазе, так и виде конденсата. Поэтому извлекаемый биогаз необходимо рассматривать как двухфазный поток «биогаз - вода», движение которого имеет ряд особенностей.

На процесс истечения газа через отверстия газосборных труб влияют такие параметры, как давление газа в грунте и газосборной трубе, диаметр трубы и отверстия, скорость и плотность газа. Максимальный расход газа достигается при критических значениях давления газа внутри трубы и скорости истечения газа. Анализ зависимости расхода биогаза от отношения давлений показал, что максимальный объем извлекаемого биогаза достигается при отношении давлений внутри трубы и в фунте, равном 0,54. Получены аналитические зависимости для определения максимального объемного расхода биогаза через всасывающее отверстие (1) и критической скорости (2):

(2)

В процессе сбора биогаза через отверстия в перфорированной трубе создается сложный гидравлический режим, характеризуемый постоянным увеличением расхода по мере движения биогаза. При п рядах перфорации для определения давления у i-го отверстия предлагается следующая зависимость

Анализ формулы Дюпюи и уравнения (3) позволил получить уравнение для коэффициента дополнительных фильтрационных сопротивлений, характеризующего гидродинамическое несовершенство газосборных труб

(4)

Потери давления на трение при движении двухфазных потоков определяются по методикам Локкарта-Мартинелли, Чисхолма и Фриделя. В целях упрощения вычислений предложен ряд формул для определения потерь давления на трение и в местных сопротивлениях при движении двухфазного потока «биогаз - вода» в зависимости от потерь давления при движении сухого газа или геометрических параметров местных сопротивлений (табл. 2).

Т а б л и ц а 2

Определение потерь давления при движении двухфазного потока «биогаз - вода»

Натрение

Крутоизогнутый

отвод

Тройник

Внезапное расшире-

ние

Внезапное сужение

Вход в трубу

10

Для изучения гидравлических режимов в системах сбора биогаза ТБО разработаны две опытные установки (рис. 1,2) и проведены экспериментальные исследования.

В качестве параметров оптимизации приняты разрежение р, Па, создаваемое в системе, и объем извлекаемого биогаза Q, м3/ч. В качестве определяющих факторов были выбраны: материал труб (сталь и полиэтилен); угол наклона труб а; диаметр всасывающих отверстий dome ; расстояние от конца трубы до всасывающего отверстия lотв ; диаметр перфорированной трубы dmp ; расстояние между перфорированными трубами lmp ; расстояние от коллектора до всасывающего отверстия lотв; расстояние от конца коллектора 1кол; соотношение диаметра перфорированной трубы и диаметра коллектора dmp /dкол ; соотношение диаметра и длины коллектора lкол /dкол .

Установлено, что материал труб (сталь или полиэтилен) практически не влияет на гидравлический режим всасывания, а что угол наклона трубы а оказывает существенное влияние на величину объема собираемого газа. На основании экспериментальных данных построены эпюры расхода газа в зависимости от угла наклона и диаметра перфорированной трубы (рис. 3).

Обработка результатов экспериментального изучения работы инженерноэкологической системы позволила получить уравнение регрессии (4)

После соответствующих преобразований и введения значений определяющих параметров на нулевых уровнях и интервала варьирования параметров