СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОГО ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ БИОГАЗА ПОЛИГОНОВ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ
METHOD OF THERMAL DEACTIVATION OF BIOGAS OF SOLID DOMESTIC WASTE LANDFILLS

Изобретение относится к технологии термического обезвреживания биогаза и предназначено для снижения их негативного влияния на окружающую среду и повышения эффективности очистки выбросов установок обезвреживания биогаза.
Известны методы сбора биогаза, образуемого из органических отходов на полигонах (GB 2466554 А, опублик. 30.06.2010), согласно которому в процессе сжигания биогаза образуются дымовые газы, которые выводятся из зоны горения и затем подаются на аппарат для производства тепловой и электрической энергии. Таким образом, при сгорании биогаза дымовые газы после очистных сооружений выбрасываются в атмосферу.
Традиционная схема утилизации биогаза по данному изобретению имеет и традиционный недостаток: после сжигания биогаза дымовые газы имеют значительные колебания концентраций загрязняющих веществ, что затрудняет экологически безопасное обезвреживание биогаза и стабильность достижения нормативных концентраций загрязняющих веществ на выходе из системы очистки дымовых газов.
Прототипом предложенного изобретения является способ экологически безопасной утилизации свалочного биогаза (RU 2362636 С2, опублик. 27.07.2009) с помощью биотермофотоэлектрокаталитической когенерационной установки, в котором в процессе сжигания биогаза образуются дымовые газы, выбрасываемые в атмосферу.
Недостатком изобретения является отсутствие обеспечения предварительной очистки полигонного биогаза от высокодисперсной пыли, что не позволяет добиться нормативных концентраций загрязняющих веществ в полигонном биогазе при значительных колебаниях его химического состава.
В изобретения достигается технический результат, заключающийся в стабильности работы системы газоочистки и снижении затрат на газоочистку за счет снижения расхода реагентов для очистки отходящих газов.
Указанный технический результат в предложенном изобретении достигается следующим образом.
Способ экологически безопасного термического обезвреживания биогаза полигонов твердых бытовых отходов включает извлечение биогаза посредством дренажа и принудительного создания разрежения, снижение содержания влаги в извлекаемом биогазе за счет резкого снижения температуры, компримирование биогаза, предварительную очистку биогаза от влаги, сероводорода и пыли.
Затем проводят сжигание биогаза, а также охлаждение и очистку отходящих дымовых газов от кислых компонентов и галогенированных углеводородов.
В потоке дымовых газов непрерывно измеряют концентрации сероводорода и кислых газообразных соединений серы и углерода.
С учетом измеренных значений концентраций проводят динамическую корректировку расхода сорбентов и реагента на основе полученных предварительно по экспериментальным данным аппроксимирующих регрессионных соотношений.
При этом очистку биогаза от пыли проводят с помощью фильтрации.
Также аппроксимирующие регрессионные соотношения имеют следующий вид:
<mrow><mi>t</mi><mo>=</mo><msub><mi>c</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>L</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>c</mi><mn>5</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>L</mi><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>c</mi><mn>5</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>L</mi><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>4</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><mi>P</mi><mo>=</mo><msub><mi>a</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>L</mi><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>3</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>L</mi><mn>3</mn></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>C</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>b</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>L</mi><mo>+</mo><msub><mi>b</mi><mn>2</mn></msub><mo>⋅</mo><msup><mi>L</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msub><mi>b</mi><mn>3</mn></msub><mo>⋅</mo><msup><mi>L</mi><mn>3</mn></msup><mo>+</mo><msub><mi>b</mi><mn>4</mn></msub><mo>⋅</mo><msup><mi>L</mi><mn>4</mn></msup><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
, где
t - температура дымовых газов в любой точке газоочистного тракта;
0
1
2
3
4
c, c, c, c, c - константы уравнения (1);
0
1
2
3
a, a, a, a - константы уравнения (2);
1
3
3
4
b, b, b, b - константы уравнения (3);
Ci - концентрация i-ого загрязняющего вещества в дымовых газах в любой точке газоочистного тракта;
ΔР - разрежение дымовых газов в любой точке газоочистного тракта;
L - расстояние от начала координат до точки определения параметра.
Очистка полигонного биогаза до нормативных концентраций опасных компонентов возможна только при сочетании очистки дымовых газов от продуктов сжигания биогаза на выходе установки обезвреживания биогаза с предварительной очисткой его от высокодисперсной пыли, сорбирующей токсичные компоненты в теле полигона и десорбирующей их при сгорании биогаза.
Изобретение осуществляется следующим образом.
Вначале проводят сбор полигонного биогаза посредством вертикального газового дренажа и принудительного извлечения биогаза из свалочной толщи путем создания разрежения около 100 кПа.
Затем снижают содержание влаги в извлекаемом полигонном биогазе при резком снижении температуры с 40°С-60°С, характерной для глубинных слоев полигонов твердых бытовых отходов за счет протекания реакций биохимической ферментации, до температуры окружающей среды.
После этого проводят фильтрационную очистку биогаза от высокодисперсной пыли, освобождая таким образом биогаз от токсичных компонентов, сорбированных в теле полигона.
Затем биогаз компримируют до рабочего давления 0,2-0,5 МПа.
После компримирования проводится очистка биогаза. Процесс разбит на два этапа: вначале производится селективное удаление из биогаза кислых компонентов, осуществляемое методом адсорбции на сорбенте, а затем - выделение галогенированных углеводородов методом адсорбции на специальном активированном угле.
После очистки проводят дополнительное удаление из биогаза влаги методом адсорбции на сорбенте, что позволяет исключить коррозионные процессы, а также обеспечить защиту от капельных ударов и предотвратить капиллярную конденсацию на адсорбционной ступени удаления галогенированных углеводородов.
Затем проводят термическое обезвреживание биогаза путем сжигания. Для обеспечения взрывобезопасных режимов сжигания биогаза при снижении в нем концентрации метана менее 10% от нижнего концентрационного предела взрываемости на сжигание дополнительно подают природный газ в количестве, обеспечивающем безопасное горение смеси. Воздух на горение смеси подается с коэффициентом избытка 1,05-1,1 при температуре окружающей среды и с давлением до 0,36 МПа.
В полученном потоке отходящих после сжигания биогаза дымовых газов проводят определение их температуры и давления.
3
3
Дымовые газы охлаждают в процессе теплообмена с химочищенной водой до температуры около 160°С. Номинальный расход химочищенной воды при температуре 20°С составит 15,1 м/ч. Минимальный расход химочищенной воды при температуре 20°С составит 8,6 м/ч. Температура химочищенной воды, подаваемой в процессе теплообмена, должна быть не менее 60°С, а выходящей 115°С.
В потоке дымовых газов проводят непрерывное измерение концентрации загрязняющих канцерогенных соединений в виде кислых компонентов и галогенированных углеводородов.
Поток дымовых газов очищают от указанных загрязнений методом химической адсорбции гидроксидом кальция и активированным углем.
При очистке дымовых газов осуществляют динамическую корректировку расхода сорбентов и реагента с учетом измеряемых в потоке дымовых газов концентраций кислых компонентов и галогенированных углеводородов.
Динамическую корректировку расхода сорбента и реагента проводят путем вычисления разницы между измеренным расходом сорбента и расчетным расходом сорбента. Расчетное значение сорбента и реагента вычисляется с помощью аппроксимирующих регрессионных соотношений, полученных на основе предварительно экспериментальных данных.
Аппроксимирующие регрессионные соотношения имеют следующий вид:
, где
ic
G - расход сорбента (кг/ч);
1c
1c
1c
a, b, c - константы уравнения (4);
t - температура дымовых газов в газоочистном тракте, °C; (150÷300°C);
Р - давление дымовых газов в газоочистном тракте, МПа; (0,09÷0,11 МПа);
i
3
3
C - концентрация i-ого загрязняющего вещества в дымовых газах в газоочистном тракте, мг/м (10÷100 мг/м).
, где
ip
G - расход реагента (л/мин);
1p
1p
1p
a, b, c - константы уравнения (5);
t - температура дымовых газов в газоочистном тракте, °C; (150÷300°C);
Р - давление дымовых газов в газоочистном тракте, МПа; (0,09÷0,11 МПа);
i
3
3
C - концентрация i-ого загрязняющего вещества в дымовых газах в газоочистном тракте, мг/м (10÷200 мг/м).
1c
1c
1c
1p
1p
1р
При этом a, b, c константы уравнения (4) и a, b, с константы уравнения (5) получены в результате математической обработки экспериментальных данных и представлены в таблице 1 и таблице 2.
Таблица 1
константы уравнения (4)
a<sub>1c</sub>
b<sub>1c</sub>
c<sub>1c</sub>
Значение
9,8
0,4
0,018
Таблица 2
константы уравнения (5)
a<sub>1p</sub>
b<sub>1p</sub>
c<sub>1p</sub>
Значение
2,98
0,87
0,045
Корректировку осуществляют на основе полученных предварительно экспериментальных данных, аппроксимирующих регрессионных соотношений, описывающих изменение физико-химических параметров потока дымовых газов по тракту газоочистки.
Указанные аппроксимирующие регрессионные соотношения имеют следующий вид:
, где
t - температура дымовых газов в любой точке газоочистного тракта;
0
1
2
3
4
c, c, c, с, c - константы уравнения (1);
0
1
2
3
а, a, а, а - константы уравнения (2);
1
2
3
4
b, b, b, b - константы уравнения (3);
i
C - концентрация i-ого загрязняющего вещества в дымовых газах в любой точке газоочистного тракта;
ΔР - разрежение дымовых газов в любой точке газоочистного тракта;
L - расстояние от начала координат до точки определения параметра.
При этом константы уравнения (1) получены в результате математической обработки экспериментальных данных и представлены в таблице 3.
Таблица 3
константы уравнения (1)
с<sub>0</sub>
c<sub>1</sub>
с<sub>2</sub>
с<sub>3</sub>
с<sub>4</sub>
Значение
134
1,76*10<sup>3</sup>
-2,46
9,73*10<sup>-4</sup>
0,048
Константы уравнения (2) получены в результате математической обработки экспериментальных данных и представлены в таблице 4.
Таблица 4
константы уравнения (2)
a<sub>0</sub>
a<sub>1</sub>
а<sub>2</sub>
a<sub>3</sub>
Значение
-1,65
1,66
-0,039
4,03*10<sup>-4</sup>
Константы уравнения (3) получены в результате математической обработки экспериментальных данных и представлены в таблице 5.
Таблица 5
константы уравнения (3)
SO<sub>2</sub>
HCl
NOx
HF
b<sub>1</sub>
9,42
6,12
15,5
0,725
b<sub>2</sub>
-0,215
-0,138
-0,441
-0,021
b<sub>3</sub>
1,23·10<sup>-3</sup>
7,71·10<sup>-4</sup>
5,15·10<sup>-3</sup>
2,23·10<sup>-4</sup>
b<sub>4</sub>
0
0
-2,11·10<sup>-5</sup>
-8,35·10<sup>-7</sup>
Очищенный дымовой газ выбрасывается в рабочую зону полигона захоронения твердых бытовых отходов.
Применение предложенного изобретения позволяет обеспечить экологическую безопасность и повысить экономичность при утилизации биогаза путем очистки отходящих газов при колебании его состава за счет использования предварительной очистки биогаза, а также оценки параметров горения и определения ориентировочного состава выбросов и корректировки расхода сорбентов и реагента в газоочистной системе.