Способ и устройство для получения биогаза из массива бытовых отходов
METHOD AND DEVICE FOR OBTAINING BIOGAS FROM AN ARRAY OF HOUSEHOLD WASTE

Предлагаемое изобретение относится к охране окружающей среды и может быть использовано для получения биогаза при обезвреживании и утилизации городских и промышленных отходов органического происхождения за счет солнечной энергии и атмосферных осадков.
Известен способ для термической утилизации твердых бытовых отходов, содержащий бурение скважины на полигоне захоронения отходов и проведение газификации органических компонентов отходов непосредственно в массиве складированных отходов при помощи контролируемого нагрева, включающего подачу топлива и воздуха, горение топлива, в результате чего температура в прилегающей к горелке зоне и начинается горение отходов до температуры 900°С, при которой внутри участка массива отходов образуется реакторная зона, где происходит контролируемая газификация органических компонентов твердых отходов в автотермическом режиме и образование синтез-газа, который извлекается из тела полигона. Способ осуществляют с помощью устройства, содержащего проложенную в скважине газовоздушной магистрали, снабженной горелкой и электрическим поджигом (камеры сгорания), которую перемещают внутри массива по вертикали путем погружения-извлечения подводящих и отводящих труб, а по горизонтали - путем бурения скважин по рассчитанной сетке с чередованием подводящих и отводящих труб. [Патент РФ №2536944, МПК В09В 3/00, В09С 1/06, F23G 5/027, F23G 5/34, 2014].
Основными недостатками известного способа и устройства являются необходимость камеры сгорания с подводящими и отводящими трубопроводами, ее монтажа и перемещения внутри массива по вертикали путем погружения-извлечения подводящих и отводящих труб, а по горизонтали - нулем бурения скважин по рассчитанной сетке с чередованием подводящих и отводящих труб, что обусловливает технические трудности, низкую надежность и высокие издержки на создание и эксплуатацию известного устройства и, в конечном итоге снижает его надежность, экологическую и экономическую эффективность.
Более близким к предлагаемому изобретению является способ и устройство для обезвреживания и утилизации массива бытовых отходов, содержащий бурение скважин в толще массива и установку в них вертикальных перфорированных отводящих труб, солнечный нагрев и увлажнение массива, размещенного под пирамидальными прозрачными колпаками, атмосферными осадками и питательной водой из канавок между колпаками, анаэробное брожение в толще массива с получением био-газа (метана), вывод его из колпаков и пор массива через вертикальные перфорированные отводящие трубы, соединенные через газопроводы с компрессором, который создает разрежение в полости колпаков и соединенных с ним на всасе газопроводов и сжимает на выходе биогаз, поступающий далее под давлением в трубное пространство воздушного холодильника, охлаждаемого наружным воздухом за счет естественной тяги, где происходит его охлаждения с конденсацией значительной части водяных паров и тяжелых углеводородов, после чего очищенный и охлажденный биогаз поступает в газосборник, а конденсат, состоящий из воды и тяжелых углеводородов направляют в накопительную емкость.
1
2
Устройство для обезвреживания и утилизации массива бытовых отходов, содержит участок массива на подошве полигона захоронения отходов, пробуренные в массиве по рассчитанной сетке N скважин, над которыми установлены N прозрачных герметичных пирамидальных колпаков с зазорами между собой по горизонту шириной Δ и глубиной погружения в массив Δ, образующими канавки, причем в каждом колпаке через верхнее кольцо пропущены в скважины сквозные отводящие вертикальные перфорированные трубы, достигающие нижним торцом подошвы полигона, а верхним соединен с рядовым газовым коллектором, соединенного с общим газовым коллектором, компрессором, воздушным трубчатым холодильником и газосборником, а канавки пограничных колпаков соединены через распределительный лоток с питательным насосом [Патент РФ №2701678, МПК В09В 3/00, 2019].
Основными недостатками известного способа и устройства являются невозможность очистки полученного биогаза от балластных и вредных примесей, например, таких как углекислый газ и сероводород и отсутствие установки очистки полученного биогаза от вышеупомянутых примесей, что снижает его экологическую и экономическую эффективность.
Техническим результатом, на решение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение экологической и экономической эффективности способа и устройства для получения биогаза из массива бытовых отходов.
4
Технический результат достигается тем, что способ для получения биогаза из массива бытовых отходов содержит бурение скважин в толще массива и установку в них вертикальных перфорированных отводящих труб, солнечный нагрев и увлажнение массива, размещенного под пирамидальными прозрачными колпаками, атмосферными осадками и питательной водой из канавок между колпаками, анаэробное брожение в толще массива с получением био-газа (метана), вывод его из колпаков и пор массива через вертикальные перфорированные отводящие трубы, соединенные через газопроводы с компрессором, который создает разрежение в полости колпаков и соединенных с ним на всасе газопроводов и сжимает на выходе биогаз, поступающий далее под давлением в трубное пространство воздушного холодильника, охлаждаемого наружным воздухом за счет естественной тяги, где происходит его охлаждения с конденсацией значительной части водяных паров и тяжелых углеводородов, далее предварительно очищенный и охлажденный биогаз, поступает в адсорбер, в котором размещены корзины с гранулированным доменным шлаком, где осуществляется его очистка от балластных и вредных примесей, например, таких как углекислый газ и сероводород, после чего газ, состоящий в основном из СН, поступает в газосборник, а конденсат, состоящий из воды и тяжелых углеводородов направляют в накопительную емкость.
Устройство для реализации предлагаемого способа и устройства для получения биогаза из массива бытовых отходов приведено на фиг. 1, 2 (фиг. 1 - общий вид, фиг. 2 - адсорбер).
1
2
Устройство для получения метана из массива бытовых отходов, содержит участок массива 1 на подошве 2 полигона захоронения отходов, пробуренные в массиве 1 по рассчитанной сетке (на фиг. 1, 2 не показана) N скважин 3, над которыми установлены N прозрачных герметичных пирамидальных колпаков 4 с зазорами между собой по горизонту шириной Δ и глубиной погружения в массив 1 Δ (на фиг. 1, 2 не показаны), образующими канавки (на фиг. 1, 2 не показаны), соединенные с распределительным лотком 5, причем в каждом колпаке 4 пропущены в скважины 3 сквозные отводящие вертикальные перфорированные трубы 6, достигающие нижним торцом подошвы 2 полигона, верхним торцом соединенные с рядовым газовым коллектором 7, соединенным с общим газовым коллектором 8 и всасывающим газопроводом 9, с расположенными за границей полигона компрессором 10, воздушным трубчатым холодильником 11, адсорбером 12, состоящим из вертикального цилиндрического корпуса 13 с верхней и нижней крышками 14 и 15, обрамленного снаружи кольцевыми водосборниками 16, снабженного сбоку и сверху входным и выходным газовыми патрубками 17, 18, снизу водным штуцером 19, причем внутри корпуса 13 в шахматном порядке сверху-вниз размещены перфорированные корзины 20, заполненные гранулированным доменным шлаком 21, над корзинами 20 размещены разбрызгиватели 22, соединенные патрубками 23 с кольцевыми водосборникапми 16, при этом входной газовый патрубок 17 соединен с трубчатым холодильником 11, выходной газовый патрубок 18 соединен с газосборником (на фиг. 1, 2 не показан), водный штуцер 19 с распределительным лотком 5, который, в свою очередь, с питательным насосом (на фиг. 1, 2 не показан).
2
2
3
2
2
2
В основу работы предлагаемого способа и устройства положены хорошая растворимость диоксида углерода, находящегося в дождевой воде, в сыром массиве бытовых отходов, ввиду наличия в нем белков, жиров и других органических соединений [К. Неницеску. Общая химия. - М.: Мир, 1968, 4, с. 490], возможность получения метана при сбраживании сырого массива бытовых отходов [С.В. Яковлев и др. Канализация. - М.: Госстройизд. 1976, с. 263] и использование в качестве адосрбента для очистки полученного биогаза от балластных и вредных примесей (таких как углекислый газ и сероводород). Так, по данным [Рекомендации по расчету образования биогаза и выбору систем дегазации на полигонах захоронения твердых бытовых отходов, М. ФГУП, Федеральный центр по благоустройству и обращению с отходами, 2003 г. ], биогаз имеет следующий усредненный состав, %: метан - 50-65, диоксид углерода - 30-45, сероводород - 0,2-0,8, азот, кислород, водород - 1-2, ароматические углеводороды, сложные эфиры - до 1. Средняя влажность биогаза - 35-40%. Шлаковая пемза, изготовленная из основных металлургических шлаков, представляет собой материал с высокопористой механически прочной структурой (прочность на сдавливание до 2,7 МПа), состоящий из оксида кальция, оксида кремния, оксида алюминия и частично из оксида магния (СаО, SiO, AlO, MnO) с модулем основности М>1 [Строительные материалы. Справочник. Под ред. Болдырева А.С. и др. - М.: Стройизд.,1989, с. 423; Домокеев А.К. Строительные материалы. - М.: Высш. школа, 1989, с. 163]. Высокое значение модуля основности придает гранулам шлаковой пемзы основные свойства, позволяющие сорбировать на их поверхности вещества, обладающие кислыми свойствами, к которым относятся и вредные примеси, которые присутствуют в полученном биогазе (СО, HS, О), а высокая пористость их структуры обеспечивает высокую удельную поверхность. Кроме того, исходя из своего состава, гранулы шлаковой пемзы устойчивы к коррозионному воздействию кислых компонентов биогаза, широкодоступны и дешевы.
Предлагаемый способ получения биогаза из массива бытовых отходов осуществляется в предлагаемом устройстве следующим образом.
1
2
2
1
Предварительно, вблизи полигона захоронения отходов монтируют стационарное оборудование установки (место установки этого оборудования желательно располагать также поблизости от источника водоснабжения), а именно: компрессор 10, воздушный трубчатый холодильник 11, распределительный лоток 5, адсорбер 12, газосборник, накопительную емкость и питательный насос (на фиг. 1, 2 не показаны), на участке массива 1 полигона захоронения бурят скважины 3, куда вставляют отводящие вертикальные перфорированные трубы 6, достигающие нижним торцом подошвы 2 полигона, после чего засыпают свободное пространство скважин 3. Затем на вышеупомянутом участке массива 1 устанавливают N предварительно собранных, прозрачных герметичных пирамидальных колпаков 4 с зазорами между собой по горизонту шириной Δ и глубиной погружения в массив 1 Δ, образующими канавки (на фиг. 1, 2 не показаны). При этом, глубина погружения Δ должна обеспечивать достаточную герметичность колпаков 4, а ширина заторов Δ и их глубина должны обеспечивать надежное увлажнение площади и толщи массива 1 под колпаками 4. Далее верхние торцы труб 6 соединяют с рядовыми газовыми коллекторами 7, соединяют их с общим газовым коллектором 8, который соединяют через всасывающий газопровод 9 с компрессором 10.
Примечание. Площадь колпаков 4 находят, исходя из оптимального расстояния всасывания биогаза всасывающим газопроводом 9 и увлажнения массива 1 из канавок (на фиг. 1, 2 не показаны), а угол наклона ребер колпаков 4 должен быть не меньше угла естественного откоса воды. Количество пирамидальных прозрачных колпаков 4 N и соответствующее им количество скважин 3 с отводящими трубами 6 лимитируется аэродинамическим сопротивлением всасывающей части газопроводов установки.
2
x
x
2
2
4
-
-
Проведение процесса получения биогаза совместно с обезвреживанием органических компонентов полигона захоронения отходов осуществляют в теплое время года непосредственно в массиве 1 складированных отходов при помощи солнечного нагрева и дождевого увлажнения (при недостаточном естественном увлажнении используют подачу воды в канавки (на фиг. 1, 2 не показаны) и в кольцевые водосборники 16 адсорбера 12 из постороннего источника водоснабжения посредством питательною насоса и распределительного лотка 5) с последующим выводом биогаза через отводящие трубы 6 из пор массива 1 в пространство под колпаками 4 и газопроводы 7. При насыщении массива 1 дождевой водой или водой из источника водоснабжения и нагрева его солнечными лучами через прозрачную оболочку пирамидальных колпаков 4, в толще массива 1 образуется нечто подобное сырому осадку в метантенке с температурой (20-30)°С, которая достаточно близка к оптимальной температуре анаэробного брожения (30-50)°С. Температура в толще массива 1 может также повышаться за счет экзотермических реакции, происходящих между его компонентами. В тоже время, наряду с увлажнением, массив 1 насыщается примесями, присутствующими в дождевой или подпиточной воде (СО, NO, SO, соли Са, Mg и пр.), а также воды, сливаемой из адсорбера 12 и насыщенной СО, в результате процессов абсорбции, адсорбции и хемосорбции, которые протекают с компонентами массива бытовых отходов (частицами белков, жирами, песком, глиной и. д.), причем в массиве 1 при разложения жиров, белков, минеральных солей и пр. образуется CO, а дождевая вода уменьшает рН массива 1, что также интенсифицирует процессы образования СН. В результате взаимодействия вышеперечисленных факторов происходит обезвреживание органических компонентов сырого массива 1 путем анаэробного сбраживания, которое является основным методом обезвреживания сырых осадков сточных вод, имеющих приблизительно тот же состав, что и массив бытовых отходов. При этом, в результате распада органических веществ бытовых отходов и взаимодействия продуктов распада с диоксидом углерода в качестве основных продуктов получается метан.
2
Метан образуется в результате восстановления СО или метильной группы уксусной кислоты
2
где AH - органическое вещество, служащее для метанобразующих бактерий донором водорода (жирные кислоты кроме уксусной и спирты кроме метилового);
Кроме этого многие виды метанообразуюших бактерий окисляют молекулярный водород, образующийся в кислой фазе по реакции:
Микроорганизмы, использующие уксусную кислоту и метиловый спирт, осуществляют реакции:
2
При этом, если в массиве 1 имеется свободный СО, скорость реакций (1), (2) увеличивается, а реакций (3), (4) уменьшается, что повышает долю метана в получаемом газе.
4
2
2
2
2
2
Полученный биогаз компрессором 10 подают в трубное пространство воздушного холодильника 11, который охлаждается наружным воздухом за счет естественной тяги, где происходит его охлаждения с конденсацией значительной части водяных паров и тяжелых углеводородов. Частично очищенный и охлажденный биогаз, состоящий в основном из CH и CO, после холодильника 11 поступает в адсорбер 12, где последовательно проходит через все перфорированные корзины 20, заполненные гранулированным доменным шлаком 21. Биогаз через отверстия в перфорированных корзинах 20 заполняет свободное пространство между гранулами шлаковой пемзы 21, находящиеся в газовой смеси молекулы HS, СО контактируют с гранулами 21, адсорбируясь на поверхности их пор. Поток биогаза, многократно попадая на поверхность гранул 21 и вовнутрь их, очищается от балластных и вредных примесей (СО, HS), которые сорбируются на поверхности и внутри гранул 21. После прохождения самой верхней корзины 20 адсорбера 12 очищенный до требуемой степени биогаз поступает в газосборник (на фиг. 1, 2 не показан) 1 и выбрасываются в атмосферу.
2
2
При падении активности гранул 21 их следует подвергать регенерации. Процесс регенерации заключается в очистке поверхности и пор гранул шлаковой пемзы 21 от мелкодисперсных частиц и абсорбированных молекул вредных примесей и осуществляется путем промывки гранул 21 из кольцевых водосборников 16 дождевой водой (при отсутствии дождей вода подается из источника водоснабжения). Дождевая или резервная вода из кольцевых водосборников 16 через патрубки 23 и оросители 22, орошает гранулированный шлак 21 в корзинах 20, после чего, насыщенная СО и HS, через водяной штуцер 19 сливается в распределительный лоток 5, откуда поступает в массив 1, интенсифицируя там по вышеприведенным реакциям (1), (2) процесс образования метана. Регенерацию загрузки проводят без остановки процесса очистки. Замену адсорбента (гранул 21) на свежий производят при окончании работы установки.
Полученный метан может быть использован как топливо для теплогенераторов, конденсат в зависимости от типа и концентрации в нем углеводородов направляют на дальнейшую переработку или сбрасывают с питательной водой на увлажнение массива 1, а сброженный массив после отделения от него посторонних предметов используется как высокоэффективное удобрение для сельского хозяйства.
Процесс получения биогаза, совмещенный с обезвреживанием участка массива 1 проводят в течении теплого периода одного года (длительность процесса зависит от средней температуры теплого периода, толщины и пористости массива 1, содержания и характера органических компонентов отходов). По окончании обезвреживания демонтируют все оборудование одновременно с вывозом сброженных бытовых отходов и устанавливают его на следующем участке полигона захоронения отходов. Для увеличения количества биогаза и ускорения процесса обезвреживания полигона можно устраивать несколько одновременно функционирующих участков массива 1.
Таким образом, предлагаемые способ и устройство за счет использования природных факторов (солнечного тепла и атмосферных осадков), наряду с улучшением экологической ситуации в местах обезвреживания бытовых отходов, обеспечивают утилизацию их наиболее опасной (органической) части с получением биогаза (топливного газа-метана), очищенного от большей части балласта и вредных примесей без существенных энергетических затрат (энергия тратится только на привод компрессора и питательного насоса), что повышает экологическую и экономическую эффективность процесса получения биогаза при обезвреживании и утилизации массива бытовых отходов.