ктности.
Основой технологической линии является реактор высокоскоростной высокотемпературной конверсии с воздушным дутьём и обращенным отбором газа [44]. Основные конструктивные элементы реактора представлены на Рис. 2.3.2..
Один реактор способен переработать до 500 кг навоза в час при влажности до 65 %. При снижении влажности сырья производительность реактора может достигать 750 кг сырья в час. Модуль комплекса включает пять реакторов [44] общей производительностью 2 570 кг сырья в час, вырабатывающий 4112 м3 горючего газа в час с тепловым эквивалентом 6612 КВт.
Синтез — газ производимый такими реакторами пригоден для подачи в дизельный генератор, модифицированный — для работы на газе или для сжигания в водогрейном котле, а также для сжигания в газовой горелке. Благодаря низкой температуре отбираемого газа и обращённому процессу газификации образование окислов азота, серы, хлора или фтора идёт не активно, и содержание вредных веществ находится в пределах ПДК. В частности, сера присутствует в газе в восстановленныхнелетучих формах (H2S, COS), которые проще поглотить, чем SO2. При конверсии происходит частичное разложение азотсодержащих органических соединений в бескислородной среде, что даёт меньшее количество окислов азота в дымовых газах. Выгружаемая из реактора зола имеет низкую температуру, не более 300 0С, и практически не содержит остатков углерода. Состав синтез-газа представлен в следующей таблице.Таблица Состав синтез-газа
Реактор полностью герметичен. После сушки навоз поступает на брикетирование (см. Рис. 2.3.3.).
Рис. 2.3.3. Брикеты из отходов животноводства
Весьма перспективной признана фотокаталитическая топливная установка (ФТУ) получения электрической энергии из отбросов. Её основу составляет ячейка, электродами в которой являются анод из системы титаноксидных (TiO2) нанотрубок и катод из платины. Она способна разрушать органические соединения в сточных водах [26], производя электричество. Для её работы используется энергия коротковолновой части спектра солнечного света. При очищении возникает направленное движение электронов к катоду, которые преобразуются в электрический ток. Химическая энергия отбросов, таким образом, превращается в энергию электрическую.
По оценкам создателей этой установки, полная переработка всех органических соединений, находящихся в сточных водах, способна обеспечить около трети общемировой ежегодно потребляемой энергии. Отмечается, что сточные воды являются весьма перспективным источником получения энергии, а предложенный способ выработки электричества из канализационных отбросов не представляет опасности для окружающей среды.
Оказалось [26], что при модификации электродов в фотокаталитической ячейке полупроводниками, например, сульфидом кадмия, очистительная система может использовать для разложения органики свет видимой области спектра вместо ультрафиолета. Этот факт открывает новые возможности для использования системы, так как при этом пропадет необходимость в специально приспособленных камерах с ультрафиолетовым излучением. Такая модифицированная система может успешно работать под «открытым небом».
Мусорное биотопливо или свалочный газ — одна из разновидностей биогаза. Газ мусорной свалки не является ископаемым горючим сырьём, а возникает при микробиологическом распаде органического материала (отбросов) свалок. Получение свалочного газа может решить сразу две проблемы: получить биотопливо и очистить планету от мусора. Данные ООН, полученные в результате исследования соотношения выброса мусорных экскретов и потребности в энергии 173 стран и обнародованные в Интернете, показали большую перспективность этого способа. Оказалось, что теоретически из имеющихся в мире свалок могут быть выработано около 83 млрд. литров целлюлозного этанола [42]. Энергии полученного топлива хватило бы на функционирование всего существующего автобусного городского транспорта.
Обустроенная для получения газа свалка может иметь вполне респектабельный вид и легко может быть вписана в жилищную структуру поселения городского типа (см. Рис. 3.3.4.). Свалочный газ такого «завода» способен на многие годы обеспечить энергией небольшой городок или крупный район мегаполиса.
Оценки [43] показывают, что каждая тонна свалочного мусора содержит приблизительно от 150 кг до 250 кг биологически разлагаемых органических веществ с выходом энергетически ценного метана. Один кубический метр мусорного газа имеет энергетический эквивалент от 4 до 5 кв. ч, что соответствует тепловой энергии приблизительно 0,5 л топливного мазута. Если предположить, что 1 тонна бытовых отходов имеет потенциал производства 180÷250 м3 газа за период 15÷20 лет, то энергетический потенциал, скрытый в мусорных свалках становится воистину бесценным!
В условиях ограничения кислорода бактериальное разложение органических веществ свалки условно можно подразделить на 4 фазы [43], после чего «свалочный газ» возникает как конечный продукт биоразложения. В ходе первой фазы «созревания» газа собранные на мусорной свалке экскреты содержат ещё достаточно много кислорода, что приводит к их аэробному биологическому разложению. Кислород постепенно удаляется в атмосферу в виде CO2, и позднее, когда кислород становится практически исчерпанным, наступает вторая фаза процесса.
Эта вторая фаза может быть определена как стадия кислотного брожения в процессе разложения отбросов и наступает в зависимости от окружающей температуры примерно через 2 недели после начала разложения. В это время вещества, такие как целлюлоза, белки и жиры разлагаются, давая выход субстратам, которые далее биологически разлагаются в короткоцепочные жирные кислоты, углекислый газ CO2 и водород H2. В ходе этой фазы образование CO2 и H2 достигает максимума. В стадии кислотного брожения при практически полном отсутствии кислорода в толще мусора начинают активизироваться микробы, ответственные за образование метана. Третья фаза реально начинается через 3÷4 месяца после засыпки свалки. Скорость образования газа при этом стабилизуется в пределах 2÷3 лет, после чего начинается четвертая — самая продуктивная фаза.
В четвертой фазе "свалочный газовый реактор" будет поставлять газ постоянного состава на протяжении длительного периода. Время работы такого источника энергии и его расходные характеристики зависят от многих факторов — в первую очередь от состава тела свалки и условий окружающей среды.
Безусловно, процесс биологического разложения мусора отличается от свалки к свалке и зависит от ряда существенных переменных: состава отходов, их рыхлости или слеживания, влажности, материала покрытия свалки и т. п. Эти параметры тела свалки оказывают заметное влияние на доступность и качество «питательной смеси», которую используют производящие метан микроорганизмы.
Состав и процентное содержание основных компонентов свалочного газа приведены в Таблице № 2.3.1. Кроме указанных в таблице газов в незначительных количествах имеются и некоторые другие газы, часть которых — токсична.Таблица № 2.3.1. Характерный основной состав газа мусорных свалок
Таблица № 2.3.2. иллюстрирует экономический эффект при использовании отопительного газа 20 летней мусорной свалки с общим количеством собранного мусора 3 миллиона тонн. Расчёты [51] показали, что её полный расход Q (количество генерируемого ею газа) составляет приблизительно 2300 м3/ч, утилизируемая его часть q — около 1500 м3/ч. При этом потенциал свалки как источника энергии оценивается более 5 тысячами тонн топочного мазута в год на протяжении 15 лет.
Следует отметить, что наряду с достоинствами получения энергии от модифицированных мусорных свалок, имеются и негативные факторы их эксплуатации, бесконтрольность которых может привести к большой беде. Состав вредных газов из мусорных свалок ясно иллюстрирует его потенциальную опасность для живых организмов. Потенциальный вред, который может быть вызван свалочным газом, может быть разделён на категории физиологической опасности и взрывоопасности.Таблица № 2.3.2.
Отмечается [43] высокий риск нахождения в непосредственной близости от объёмов мусорной свалки из-за опасности удушения, вызываемого замещением насыщенного кислородом воздуха газом свалки. Вдыхание токсических компонентов газа могут вызвать тошноту и угар. Свалочные газы, кроме того, негативно воздействуют на растения, приводя к разрушению зелёного покрова не только на рекультивированной площади мусорной свалки, но и вокруг неё.
Опасность взрыва свалочных газов объясняется образованием смесей метана с воздухом в пределах взрывоопасных концентраций метана (5 ÷ 15 объёмных процентов метана в воздухе). Подобные взрывы случаются при подземных работах в канализационных сетях, дренажной системе ливневых вод и других системах трубопроводов. Такие трубопроводы проходят через тело свалки и рядом с ней.
Таким образом, система трубопроводов «свалочного завода», работающая при избыточном давлении системы контроля вод, просачивающихся в грунт из свалки и из прилегающих пространств на свалке или рядом с ней, являются зонами высокого риска!
Метан не только взрывоопасен, но и представляет определённую пожарную опасность. Поэтому при отборе свалочного газа могут происходить загорания и пожары.
Опасности взрывов и пожаров часто непредсказуемы из-за различий в путях и скорости миграции мусорного газа через слои мусорной свалки. Зафиксировано документально [43], что мусорный газ собирался в сотнях метров от площади свалки в подвалах строений и вызывал мощные взрывы. Газ мигрирует при заливании водой мусорных свалок, либо из-за изменения барометрического давления при перемещении атмосферных фронтов и вообще при других изменениях погоды в зоне мусорной свалки.
Кроме всего прочего, газ мусорных свалок дурно пахнет из-за примесей сероводорода и других соединений серы.
Состояние мусорных свалок в России нельзя признать удовлетворительным; большая их часть — дикие или неорганизованные мусорки или помойки, некоторые считаются нормативными, но полностью требованиям закона удовлетворяют единичные экземпляры. Небольшое число свалок в настоящее время подвергается обустройству с учётом современных технологий по утилизации и переработке мусорных отходов [43].