Применение тепловых насосов для теплофикации при добыче и утилизации биогаза на полигонах ТБО

Применение тепловых насосов для теплофикации при добыче и утилизации биогаза на полигонах ТБО

В.В. Лозовецкий,

профессор Московского государственного университета леса, д.т.н., В.В. Лебедев,

доцент Московского государственного университета леса, к.т.н., Е.В. Малышев,

главный инженер леспромхоза

В статье рассмотрены проблемы безопасной эксплуатации полигонов для захоронения твердых бытовых отходов. Опасность при хранении твердых бытовых отходов на полигонах связана, в частности, с неконтролируемой эмиссией в атмосферу биогаза, генерируемого при биохимической деструкции органического вещества. Организация технологического процесса добычи и утилизации биогаза позволит решить эту проблему. Рассматриваются комплексные проблемы эффективной утилизации биогаза на полигонах и использования его затем в качестве топлива для теплофикации и получения электрической энергии. Применение тепловых насосов позволяет повысить общую энергетическую эффективность технологической схемы. Также рассматриваются альтернативные способы повышения энергетической эффективности технологии утилизации энергии биогаза.

Ключевые слова: биогаз, полигон, отходы, теплообменный аппарат, тепловой насос, возобновляемый источник энергии, испаритель, компрессор, конденсатор.

Application of thermal pumps for central heating at extraction and biogas recycling on ranges of firm household waste

V.V. Lozovetsky, V.V. Lebedev, E.V. Malyshev

In article problems of safe operation of ranges for a burial place of a firm household waste are considered. Danger at storage of a firm household waste on ranges, in particular, is connected with the uncontrollable issue of biogas connected with biological decomposition of organic substance. Production process of extraction and biogas recycling on ranges will allow to solve this problem. Complex problems of effective recycling ofbiogas as fuel on ranges for the purpose of central heating and reception of electric energy are considered. Application of thermal pumps allows to raise the general power efficiency of the technological scheme. Alternative ways of increase of power efficiency of technology of recycling of energy of biogas are considered also.

Keywords: biogas, ground, wastes, heat-exchange, thermal pump, renewable energy source, evaporator, compressor, condenser.

Неконтролируемое образование биогаза на полигонах для размещения твердых бытовых отходов (ТБО) представляет серьезную экологическую проблему.

ТБО содержат около 30% органических отходов, которые подвержены анаэробной биоферментации в глубоких слоях захоронений, где нет достаточного поступления кислорода воздуха. Одна тонна ТБО при этом способна дать до 200-300 м3 биогаза. Биогаз представляет собой смесь парниковых газов: примерно 30-40% углекислого газа (СО2) и 60-70% метана (СН4).

Объемы накопления ТБО на современных селитебных территориях огромны: примерно на одного городского жителя в РФ приходится 600 кг в год. Таким образом, массы ТБО, накопленные на планете всего за один год, могут быть источником неконтролируемых выделений в атмосферу до нескольких сотен миллиардов кубометров парниковых газов. Биогаз из ТБО, захороненных на полигонах, может генерироваться в процессе биохимического анаэробного разложения органического вещества в течение 30 лет.

Биогаз, проникающий к поверхности полигона из расположенных ниже горизонтов захороненных ТБО, является часто причиной возгорания на полигонах. Эти возгорания являются источниками вторичного загрязнения атмосферы дымовыми газами, которые часто содержат в своем составе высокотоксичные компоненты, являющиеся продуктами горения или термического разложения искусственных полимеров, входящих в состав отходов. Кроме того, смеси кислорода (О2) воздуха и метана (СН4) биогаза (около 15% объема в смеси с воздухом) в замкнутых объемах взрывоопасны.

Таким образом, развитие добычи и утилизации полигонного газа является актуальным не только в направлении получения альтернативных источников энергии, но и в плане защиты окружающей природной среды.

В работе [1] рассматривается проект комплексной утилизации энергии биогаза, который генерируется на специально оборудованном полигоне

Альтернативное топливо

Ш)

......

на очистку

Рис. 1. Схема установки для утилизации полигонного биогаза как возобновляемого источника энергии: 1, 4 - теплообменники; 2 - компрессор; 3 - электродвигатель; 5 - дроссельный клапан; 6 - камера сгорания; 7 - клапан; 8 - теплообменник-регенератор; 9 - паровая турбина; 10 - конденсатор; 11 - насос; 12 - генератор

из фракций ТБО, содержащих органическое вещество, в процессах анаэробной биоферментации. Схема установки для утилизации получаемого биогаза представлена на рис. 1.

Полигон специально оборудован для добычи и утилизации образующегося биогаза и проектируется в расчете на получение тепловой мощности в количестве 2,5 МВт при использовании получаемого биогаза в качестве топлива в теплоэнергетической электрогенерирующей установке (ТЭС). Среднее количество биогаза, получаемого в единицу времени из одной скважины, принимается равным 15 м3/ч, а количество скважин, необходимых для получения объемов биогаза, требуемых для получения заданной тепловой мощности, принимается равным 45 ед.

Биогаз, собираемый из скважин проектируемого полигона, имеет температуру 25-40°С и влагосодер-жание до 20 г/м3. Объем получаемого таким способом биогаза составляет 645 м3/ч. Добываемый биогаз загрязнен увлекаемыми попутно испарениями фильтратов полигона и поэтому перед утилизацией должен подвергаться очистке, которую можно производить, например, путем охлаждения при сопутствующей конденсации выпаров. При этом

происходит также общее осушение биогаза.

В работе рассматривается применение тепловых насосов для утилизации тепла, получаемого при охлаждении и осушении биогаза.

В соответствии с представленной схемой утилизации (рис. 1) биогаз охлаждают в теплообменнике 1, который является холодильником теплового насоса. При этом происходит конденсация паров и осушение биогаза, после чего он подается по системе трубопроводов в камеру сгорания 6 и далее в паровую турбину 9 для получения электроэнергии или для аккумулирования теплоты в теплообменнике-регенераторе 8 и последующего использования его в режиме пиковых нагрузок.

Преобразование с помощью тепловых насосов низкопотенциальной тепловой энергии, получаемой из потоков сточных вод, выбрасываемых газов и т.п., и последующее использование получаемого высокопотенциального тепла в целях теплофикации позволяют вовлекать вторичные источники тепловой энергии из отходов и таким образом снижать потребление ископаемого топлива.

Ниже представлены некоторые результаты исследований по применению теплофикационного теплового

насоса, технологическая схема которого приведена на рис. 2. Рассматривается применение теплонасосной установки, которая работает в режиме обратного парокомпрессионного термодинамического цикла рабочего тела, которое, меняя свое физическое состояние, циркулирует в замкнутом контуре: испаритель 1 - рекуперативный теплообменник 5 - компрессор 2 - конденсатор 3 - ресивер 6 - рекуперативный теплообменник 5 - регулируемое дроссельное устройство 4 - испаритель 1.

Представленная на рис. 3 Т-Б-диа-грамма термодинамического цикла парокомпрессионной машины была выбрана в качестве расчетной при исследовании параметров теплового насоса. Применяется теплонасосный цикл, в котором тепло Qo биогаза, охлаждаемого и осушаемого в испарителе 1 теплового насоса за счет кипения хладагента, затем преобразуется в тепло QH, которое выделяется при охлаждении и конденсации сжатых компрессором 2 паров в конденсаторе 3 (рис. 2) при более высоких температурах, чем температура охлаждаемого биогаза. Эффект преобразования тепловой энергии достигается посредством затрат механической энергии в компрессоре для совершения работы по сжатию паров хладагента LK.

Охлажденный, осушенный биогаз

Биогаз -

с полигона

_Охлаждающая

вода

*• Горячая вода

Рис. 2. Технологическая схема парокомпрессионного теплового насоса: 1 - испаритель; 2 - компрессор; 3 - конденсатор; 4 - регулируемое дроссельное устройство; 5 - рекуперативный теплообменник; 6 - ресивер; 7 - блок регулирования; 8 - датчик

Получаемая тепловая энергия может использоваться в целях теплофикации: получения горячей воды; отопления и т.п.

В рассматриваемом цикле в целях повышения его эффективности предусматривается также внутренняя рекуперация тепла Ю4-1) между потоками жидкого хладагента, поступающего из конденсатора в ресивер, и потоком паров, поступающих из испарителя в компрессор.

Теплообмен между потоками рабочего тела организован в рекуперативном теплообменнике 5 (рис. 2).

Термодинамический цикл (рис. 3) включает в себя следующие процессы: 5-1 - испарение хладагента в испарителе холодильной машины при температуре Т1; 1"-1 - перегрев паров в рекуперативном теплообменнике на 01; 1-2 - сжатие перегретых паров в компрессоре; 2-3"-4' - охлаждение и конденсация сжатых паров хладагента в конденсаторе при температуре Т2; 4'-4 - охлаждение жидкого хладагента, поступающего из ресивера, в рекуперативном теплообменнике на 04; 4-5 - дросселирование хладагента в испаритель.

Рис. 3. Т-Б-диаграмма термодинамического парокомпрессионного цикла трансформации

тепловой энергии в тепловом насосе: Т - температура рабочего тела теплового насоса, К; Б - энтропия рабочего тела теплового насоса, Дж/

Можно оценить сравнительную энергетическую эффективность применения теплонасосных циклов по отношению к прямому сжиганию топлива в целях теплофикации по коэффициенту эффективности

_ Л(2_ (сж+1)-77тэ-?7зм-1

лэфф ~ т ~ >

Мс Лтэ ' Лэм

где ДQ - разница между количеством тепловой энергии, генерируемой в теплонасосном цикле Юн), и количеством тепловой энергии, которую необходимо затратить в теплоэлек-трогенерирующем цикле для получения электрической работы привода компрессора теплового насоса; LK - полезная механическая работа на приводном вале компрессора; £Х - холодильный коэффициент теплонасос-ного цикла; пТЭ - КПД теплоэлектро-генерирующей установки; пЭМ - КПД преобразования энергии в электроприводе компрессора из электрической в механическую.

Если использовать в качестве привода компрессора непосредственно вал энергетической установки, например, двигателя внутреннего сгорания (ДВС) или газотурбинной установки (ГТУ), можно принять это значение пЭМ я 1. В остальных случаях пЭМ <1.

Коэффициент эффективности показывает эффект использования первичного топлива (биогаза) при применении теплонасосного цикла в целях теплофикации. Поступление механической энергии на привод компрессора теплонасосной установки выполняется путем преобразования теплоты сгорания биогаза в камерах сгорания энергетических установок в механическую работу. Этот процесс можно осуществить в газовом ДВС или в газотурбинном двигателе при непосредственном применении их в качестве привода компрессора, либо путем получения электрической энергии в цикле ТЭС с последующим применением электропривода. Поэтому можно сравнивать количество тепловой энергии, получаемой в тепловом насосе на единицу затраченной механической энергии, и тепловой энергии, затрачиваемой на единицу получаемой механической энергии в энергетических установках.

Альтернативное топливо

^СоциК***

V

V

1 ^

^ 2 ^

20 40 60 80 100

т,°с

Рис. 4. Графики зависимости коэффициента эффективности теплофикационного теплового насоса от температуры конденсации: график -1-1- соответствует пТЭ=75%; график -2-2- соответствует пТЭ=45%

Анализ значений коэффициента эффективности позволяет устанавливать ограничения на область применяемых рабочих параметров для эффективного применения теп-лонасосных циклов. Положительные значения коэффициента эффективности свидетельствуют в пользу применения тепловых насосов. При отрицательных значениях коэффициента эффективности целесообразно применять другие технологические решения. По крайней мере, в этом случае более эффективным, чем тепловой насос, является прямое сжигание биогаза. Например, для осушения и охлаждения биогаза можно применять теплонасосный цикл при эффективной (то есть при Кэфф > 0) температуре конденсации (< 90°С), но если при этом необходимо получать горячую воду более высоких параметров или водяной пар, то в этом случае эффективнее будет использовать дополнительные газовые водонагреватели или парогенераторы.

Повышения эффективности теп-лонасосного цикла также возможно добиться путем применения двухступенчатых или каскадных тепловых насосов, поскольку при этом можно увеличить холодильный коэффициент (£Х), но это, однако, сопряжено с усложнением и соответствующим удорожанием применяемой техники.

Можно отметить, что особенно эффективным будет использование электрической энергии, получаемой из возобновляемых альтернативных источников, например, с использованием энергии ветра и т.п., что позволяет исключить использование биогаза как топлива на производство механической работы в тепловом насосе. Коэффициент эффективности при этом будет равен коэффициенту преобразования энергии в теплона-сосном цикле:

Коэффициент эффективности при этом всегда больше 1. Эффективность тепловой электроэнергетики определяется современным уровнем КПД: для угольных ТЭС пТЭ= 43-45%; для газовых и парогазовых ТЭС пТЭ > 60% [2].

Процессы в парокомпрессион-ном одноступенчатом теплонасосном

цикле были рассчитаны с использованием в качестве модельного рабочего тела хладагента 2, данные по термодинамическим и теплофизическим свойствам которого представлены наиболее полно в [3, 4]. Этот хладагент отличается достаточно высоким значением объемной холодопро-изводительности, что обеспечивает компактность проектируемых машин. Многие хладагенты, применяемые в настоящее время, отличаются от галогенсодержащих углеводородов в лучшую сторону с экологической точки зрения, так как не содержат галогенов, активно разрушающих озон в атмосфере в фотохимических реакциях. В то же время они часто уступают Я12 по удельным термодинамическим параметрам. Определение калорических и термических параметров состояния рабочего тела производилось методами интерполяции табличных данных, а также с применением уравнения состояния в форме вириального уравнения Боголюбова-Майера и других полуэмпирических уравнений, коэффициенты для которых подбирались для заданного модельного рабочего тела [3].

Результаты расчетов коэффициента эффективности представлены на рис. 4. Температура кипения хладагента в испарителе составляет Т1 = 0°С; температура перегрева паров в рекуперативном теплообменнике 01 = 5°С. Верхняя кривая соответствует КПД энергетической установки ПТЭ = 75%; нижняя - Г|ТЭ = 45%. КПД преобразования электрической энергии в механическую составляет пЭМ = 0,8.

Коэффициент эффективности понижается с увеличением температуры конденсации, что связано с ростом затрат механической энергии. Повышения коэффициента эффективности можно добиться путем увеличения КПД теплоэнергетической установки. При КПД пТЭ = 45% эффективное использование теплового насоса возможно при значениях температуры конденсации Т2 < 60°С, в то же время при КПД пТЭ = 75% область эффективных температур конденсации расширяется - Т2 < 90°С.

Моделирование технических параметров теплофикационной тепло-насосной машины, с помощью которой можно получать горячую воду за счет преобразования тепла, выделяемого при охлаждении генерируемого

полигонного биогаза с целью его осушения, производилось в следующей области изменения рабочих параметров:

конечная температура охлаждаемого биогаза составляет 15°С;

температуру поступающего на осушение биогаза варьировали в диапазоне значений -(25-40)°С;

температура кипения рабочего тела в испарителе составляет 0°С; это значение связано с конечной температурой охлаждаемого биогаза и экономически оправданным выбором минимального перепада температур в испарителе (15°С), так как теплообмен в испарителе идет между кипящим жидким хладагентом с одной стороны и газом с другой;

температура конденсации принимала два значения - 65°С и 95°С, которые снизу и сверху ограничивают область, экономически целесообразную для теплофикации.

Был выбран экономически оправданный минимальный перепад температур в конденсаторе, равный 5°С, поскольку в конденсаторе теплообмен осуществляется между конденсирующимися парами хладагента, с одной стороны, и водой, с другой. Нижнее значение температуры конденсации ориентировано на получение минимально приемлемой температуры горячей воды (60°С) и составляло 65°С, а верхнее значение, позволяющее получить температуру горячей воды, равную 90°С, ограничивалось приемлемым с технической и термодинамической точек зрения уровнем давления сжатия, которое значительно растет при увеличении температуры конденсации. Хладагент Я12, например, при температуре 95°С имеет давление насыщенных паров ~ 3 МПа, а при 0°С - ~0,3 МПа.

Некоторые результаты выполненных расчетов представлены графически на рис. 5 и 6, на которых наблюдается закономерный рост теплопроизводительности и потребляемой мощности теплонасосного цикла с увеличением температуры биогаза, поступающего с полигона. Прирост мощности и теплопроизво-дительности становится более интенсивным с увеличением температуры конденсации. Следует отметить, что

N. кВт 14

12

10

•г - 2 -

- 2 -

24 26 28 30 32 34 36 38 40

т,°с

Рис. 5. Графики зависимости полезной мощности на вале привода компрессора теплового насоса от температуры биогаза: график -1 -1 - соответствует температуре конденсации Т2=95°С; график -2-2- соответствует температуре конденсации Т2=65°С

технические параметры при температуре конденсации рабочего тела в диапазоне от 65 до 95°С находятся в области значений, заключенных на представленных графиках в области между изображенными кривыми.

Верхние линии на обоих графиках соответствуют температуре конденсации 95°С, а нижние кривые - соответственно температуре конденсации 65°С. Этим температурам конденсации соответствуют следую-

Угвх10, 400 м3/ч

350

300

250

200

150

100

50

1

2 '

г

2 *

24

26

28

30

32

34

36

38

40

т,°с

Рис. 6. Графики зависимости производительности теплового насоса по горячей воде от температуры биогаза: график -1 -1 - соответствует температуре конденсации Т2=95°С; график -2-2- соответствует температуре конденсации Т2=65°С

Альтернативное топливо

ш

щие температуры получаемой горячей воды: 60°С и 90°С.

Теплопроизводительность теплового насоса в области изменения рабочих параметров лежит в диапазоне от 5 до 21 кВт. Количество получаемой горячей воды - от 100 до 400 л/ч. Объемная производительность компрессора теплового насоса, которая определяет массогабаритные параметры машины, в области изменения рабочих параметров находится в диапазоне от 20 до 100 м3/ч. Мощность привода компрессорной установки лежит в диапазоне от 2 до 13 кВт.

Полученные расчетным путем технические параметры теплонасос-ной установки для проектируемого полигона соответствуют параметрам стандартных малых паровых холодильных машин, что позволяет производить подбор серийно выпускаемого оборудования при технической реализации проекта. Результаты выполненного моделирования также обосновывают возможность осуществления энергетически эффективной теплонасосной теплофикации в исследованном диапазоне режимов при условии реализации проекта утилизации теплотворной способности биогаза в энергетической парогазовой электрогенерирую-щей установке с высокими значениями КПД.

Определенный интерес могут представлять некоторые направления повышения энергетической эффективности рассматриваемой схемы, например, привод компрессора можно осуществить прямо с помощью газового ДВС или ГТУ. Также можно отметить высокий эффект от применения альтернативных возобновляемых источников энергии, например, ветровых энергоустановок, что полноценно вписывается в современные концепции развития альтернативной энергетики [5].

Интересным направлением утилизации полигонного газа, альтернативным рассмотренному теплоэнергетическому применению, является также использование его в качестве автомобильного топлива, что актуально при выполнении программ планомерного снижения потребления ископаемого органического

топлива. Эффект достигается за счет его замещения энергетически эквивалентными объемами альтернативного топлива. Вопрос применения полигонного газа как топлива для двигателей внутреннего сгорания, возможно, требует проведения технико-экономических исследований, поскольку получаемый биогаз, по-видимому, должен быть для этого подвергнут дополнительной очистке и подготовке в целях достижения необходимого качества. Например, необходимо освободить биогаз от примесей, снижающих его качество, таких как влага и углекислый газ, затем нужно произвести его сжатие или сжижение. Вовлекаемые при этом технические и экономические ресурсы необходимо сопоставить с затратами при других способах утилизации.

Обозначения

Кэфф - коэффициент эффективности; N - мощность привода компрессора теплового насоса; Qo - тепло биогаза, охлаждаемого и осушаемого в испарителе, или холодопроизводитель-ность теплового насоса; QH - тепло, которое выделяется при охлаждении и конденсации сжатых компрессором паров в конденсаторе, или теплопро-изводительность теплового насоса; Q4_1 - внутренняя рекуперация тепла между потоками жидкого хладагента, поступающего из конденсатора в ресивер, и потоком паров, поступающих из испарителя в компрессор; Т1 - температура кипения хладагента в испарителе; Т2 - температура конденсации сжатых паров хладагента в конденсаторе; Угв - объемный расход получаемой горячей воды в конденсаторе теплового насоса; 01 - температура перегрева паров в рекуперативном теплообменнике; 04 - температура охлаждения жидкого хладагента, поступающего из ресивера, в рекуперативном теплообменнике.

Выводы

1. Контролируемая добыча и утилизация полигонных газов представляет собой, по-видимому, безальтернативный путь снижения экологической опасности при эксплуатации современных полигонов ТБО.

2. Подтверждена эффективность утилизации биогаза для получения электрической и тепловой энергии на полигоне.

3. Определены условия повышения энергетической эффективности рассмотренной технологии при применении теплонасосных установок в целях теплофикации.

4. Применение альтернативных источников энергии, получаемых из отходов или низкопотенциальных источников вторичной тепловой энергии, позволяет снижать потребление ископаемого органического топлива, что должно оказывать положительное воздействие на динамику антропогенных экологических нагрузок.

5. Биогаз может также использоваться как альтернативное моторное топливо на транспорте.

Литература

1. Лозовецкий В.В., Дугин Г.С., Малышев Е.В. Методы использования биогаза (в качестве возобновляемого источника энергии), являющегося продуктом полигонного захоронения отходов. Журнал «Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций». М.: ВИНИТИ. 2010. № 1. - С. 85-95.

2. Филиппов Г.А. Состояние и проблемы развития атомной энергетики. Доклад на международной научной конференции «Глобальные проблемы современной энергетики». - Москва, 2006. - С. 33-37.

3. Теплофизические основы получения искусственного холода. - Справочник из серии справочников «Холодильная техника» под ред. Быкова А.В., Гоголина А.А. и др. М.: Изд-во: «Пищевая промышленность», 1980. - 231 с.

4. Данилова Г.Н., Филаткин В.Н., Щербов М.Г., Бучко Н.А. Сборник задач по процессам теплообмена в пищевой и холодильной промышленности. М.: Агропромиздат, 1986. - 288 с.

5. Никитин А.Т. Проблемы создания альтернативной энергетики. Доклад на международной научной конференции «Глобальные проблемы современной энергетики». - Москва, 2006. - С. 117-124.