способ извлечения биогаза для обезвреживания полигонов хранения твердых отходов и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ извлечения биогаза для обезвреживания полигонов хранения твердых отходов, включающий укладку коллекторов биогаза, выполненных в виде фильтрующих труб, удаление биогаза при разряжении с последующим направлением потребителю, отличающийся тем, что фильтрующие трубы соединяют с общим сборником-смесителем и укладывают в объеме хранилища отходов на глубину не менее 3 м по линиям естественного стока с уклоном не более 15^o в сторону, противоположную месту соединения фильтрующих труб со сборником-смесителем, через который биогаз направляют потребителям, при этом фильтрующие трубы укладывают на гранулированный материал, и засыпают со всех сторон слоем гранулированного материала, например гравия.

2. Устройство для осуществления способа извлечения биогаза, содержащее коллекторы, сборники-смесители и транспортирующие трубопроводы, соединенные с компрессорной станцией, отличающееся тем, что коллекторы выполнены в виде ветвей гофрированных, перфорированных фильтрующих труб с перфорацией, расположенной между гофр на поверхности меньшего диаметра, одни концы ветвей фильтрующих труб свободны от закрепления, а другие подсоединены к общему сборнику-смесителю с помощью подводящих патрубков, оснащенных газовыми расходомерами, регулирующими кранами и пробоотборниками, а сборник-смеситель соединен с компрессорной станцией транспортирующим трубопроводом.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что коллекторы выполнены в виде радиальной системы ветвей фильтрующих труб.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что коллекторы выполнены в виде гребенчатой системы ветвей фильтрующих труб.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что компрессорная станция подсоединена к потребителю магистральным трубопроводом, снабженным трубой для сброса и сжигания излишков биогаза.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам обеззараживания полигонов хранения бытового или нетоксичного промышленного мусора путем извлечения горючего газа (биогаза) и его утилизации в качестве топлива для бытовых и промышленных нужд.

Использование биогаза в качестве топлива не только более экономично по сравнению с природным газом, но экологически более предпочтительно из-за меньшего содержания в нем соединений серы.

Образование биогаза связано с анаэробным биосинтезом метана, который естественно и постоянно протекает в рыхлых слоях отходов при условии их герметичного хранения на полигонах.

Постоянное выделение биогаза в атмосферу вызывает ухудшение экологической обстановки вследствие наличия в нем вредных веществ, таких как метан и углекислый газ. Кроме того, выделение биогаза вызывает постоянное самовозгорание отходов на полигонах их хранения.

Выход биогаза на тонну сухого вещества отходов зависит как от термодинамических условий биосинтеза, так и от типа отходов. По опыту эксплуатации действующих установок имеются следующие результаты по выходу биогаза (по метану) на тонну сухого вещества:

Старые хранилища отходов - 4 - 5 нм³/год

Старые и свежие отходы - 10 - 12 нм³/год

Свежие отходы в смеси с илом или компостом - 12 - 35 нм³/год

Сложность процесса извлечения и направления биогаза потребителю связана с неравномерностью концентрации и состава биогаза в объеме отходов на полигонах их хранения.

Относительно малая концентрация биогаза в отходах, высокая влажность биогаза, приводящая к образованию конденсата в коллекторах сбора биогаза приводит к снижению эффективности работы установок для его извлечения. Присутствие дренажных вод, содержащих коллоидные и дисперсные частицы приводит к засорению коллекторов сбора биогаза, в качестве которых обычно используют фильтрующие трубы.

Промышленное использование технологий извлечения биогаза в США и Германии заключалась в применении способа извлечения биогаза из вертикальных скважин с помощью фильтрующих труб [1].

Известен способ извлечения биогаза на полигонах твердых бытовых отходов, разработанный ВНИИГеоинформсистем МНТК "Геос" Мингеологии СССР совместно с Главмосдоруправлением Мосгорисполкома [2].

Способ заключался в бурении вертикальной скважины диаметром 145 мм глубиной 18 м, работающей в режиме фонтанирования биогаза без принудительного его извлечения разряжением. Суточная производительность скважины составляла 1200 м³ в сутки.

Извлечение биогаза из вертикальных скважин недостаточно эффективно, так как требуется сооружение большого количества скважин для извлечения биогаза по всей площади полигона хранения отходов. Радиус извлечения биогаза из одной скважины не превышает 3 м.

Снижение эффективности удаления биогаза в процессе эксплуатации вертикальных скважин также связана с постепенным их зарастанием вследствие изменения уровня дренажных вод.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ извлечения биогаза внутри полигонов хранения твердых бытовых отходов путем прокладывания горизонтальных фильтрующих труб для сбора биогаза с последующим его транспортированием и подачей потребителям. [3].

К недостаткам способа следует отнести засорение фильтрующих труб, необходимость периодического удаления конденсата, образующегося в нижнем сегменте фильтрующих труб, отсутствие возможности регулирования состава биогаза.

Известна также установка для извлечения биогаза из хранилищ твердых бытовых отходов [4] , работающая в настоящее время в Финляндии. Установка включает отдельные коллекторы для извлечения биогаза, выполненные в виде вертикальных емкостей, расположенных в рубашках из гравия. Коллекторы соединены со смесителем и подсоединены к компрессорной станции посредством транспортирующих трубопроводов. Производительность установки для извлечения биогаза составляет до 3 млн. м³ в год в зависимости от количества установленных на полигоне коллекторов для сбора биогаза.

К недостаткам установки следует отнести необходимость создания большого количества скважин для обеспечения эффективности извлечения биогаза по всей площади полигона хранения отходов, невозможность регулирования состава биогаза, сложность извлечения малых объемов биогаза при неравномерном его выделении на разных глубинах в объеме хранилища.

Задачей изобретения является повышение эффективности извлечения биогаза для обеззараживания полигонов хранения твердых отходов, улучшения экологии окружающей среды, обеспечение подачи заданного состава биогаза потребителям.

Задача решается следующим образом.

Сущность способа заключается в том, что коллекторы, выполненные в виде гибких ветвей фильтрующих труб, соединяют со сборником-смесителем и укладывают в объеме хранилища. Через сборник-смеситель биогаз направляют потребителям. Фильтрующие трубы располагают в объеме отходов на глубину не менее 3 м по линиям естественного стока с уклоном не более 15^o в сторону, противоположную месту соединения фильтрующих труб со сборником-смесителем. В фильтрующих трубах создают разряжение 50 - 60 Мбар, при котором биогаз извлекают из объема отходов.

Ветви фильтрующих труб укладывают на гранулированный материал, и засыпают со всех сторон слоем гранулированного материала например гравия.

Новизна способа заключается в том, что фильтрующие трубы укладывают с наклоном, что обеспечивает стекание попадающих в трубы дренажных вод и предотвращает трубы от образования водяных пробок.

Укладывание фильтрующих труб с уклоном более 15^o нецелесообразно, так как теряется возможность максимального использования всех слоев отходов на полигонах их хранения. Интенсивность извлечения биогаза снижается при увеличении угла наклона и приближается к интенсивности извлечения биогаза из вертикальных коллекторов.

Глубина закладки фильтрующих труб на глубину не менее 3 м связано с тем, что именно на указанной глубине расположена верхняя граница зоны анаэробного биосинтеза металла и отсутствует нежелательное подсасывание воздуха в фильтрующие трубы.

Укладывание фильтрующих труб на определенную глубину с соответствующим углом наклона обеспечивает повышение эффективности извлечения биогаза по сравнению с известными решениями аналогичной задачи.

Задача также решается тем, что устройство для сбора биогаза содержит коллекторы, выполненные в виде ветвей гофрированных, перфорированных фильтрующих труб с перфорацией, расположенной между гофр на поверхности меньшего диаметра, одни концы ветвей фильтрующих труб свободны от закрепления, а другие подсоединены к общему сборнику-смесителю с помощью подводящих патрубков, оснащенных газовыми расходомерами, регулирующими кранами и пробоотборниками, а сборник-смеситель соединен с компрессорной станцией транспортирующим трубопроводом.

Коллекторы могут быть выполнены в виде радиальной системы ветвей фильтрующих труб или в виде гребенчатой системы ветвей.

Компрессорная станция подсоединена к потребителю магистральным трубопроводом, на котором установлена труба для сбора и сжигания излишков биогаза.

Подводящие патрубки снабжены газовыми расходомерами и регулирующими кранами, меняющими гидравлическое сопротивление соответствующей фильтрующей трубы и позволяющее тем самым, учитывая состав биогаза в каждой ветви, регулировать его состав в сборнике-смесителе. Транспортирующий трубопровод также может быть снабжен газовыми расходомерами и регулирующими кранами.

Наличие перфорации, расположенной между гофрами на поверхности меньшего диаметра труб снижает их засорение дисперсными и коллоидными частицами, находящимися в дренажных водах. Кроме того, указанное конструктивное решение обеспечивает стекание дренажных вод через перфорацию фильтрующих труб и через концы фильтрующих труб свободных от закрепления в результате чего увеличивается срок их полезного использования из-за снижения зарастания.

Таким образом, новизна изобретения заключается в новом конструктивном выполнении элементов устройства, и их взаимном расположении.

Изобретение отвечает критерию "Изобретательский уровень", так как новое конструктивное выполнение устройства обеспечивает повышение эффективности извлечения биогаза и возможность регулирования состава биогаза для подачи потребителям.

На фиг. 1 изображен внешний вид устройства с радиальной системой расположения ветвей фильтрующих труб. Вид A иллюстрирует схему подсоединения подводящего патрубка к сборнику-смесителю. На фиг. 2 представлен вариант гребенчатой системы расположения фильтрующих труб.

Устройство содержит (фиг. 1) фильтрующие гофрированные перфорированные трубы 1, которые через подводящие патрубки 2 подсоединены к общему сборнику-смесителю 3, который соединен при помощи транспортирующего трубопровода 4 с компрессорной станцией 5. Подводящие патрубки 2 (вид А) снабжены газовыми расходомерами 10 и регулирующими кранами 11, а также пробоотборниками 12.

Компрессорная станция 5 соединена с потребителем магистральным трубопроводом 8, который снабжен трубой 7 и регулирующим краном 6. Труба 7 предназначена для сброса и последующего сжигания излишков биогаза. На магистральном трубопроводе 8 установлен сборник конденсата 9, выполненный в виде V-образного колодца, из которого конденсат удаляют сливом под действием избыточного давления биогаза в трубопроводе.

На фиг. 2 изображена гребенчатая система расположения ветвей фильтрующих труб 1, подсоединенных через подводящие патрубки 2 к общему сборнику-смесителю 3.

Подводящие патрубки, как показано на фиг. 1 (вид А), снабжены регулирующими кранами 11, газовыми расходомерами 10 и пробоотборниками 12.

Пример. Осуществляют извлечение биогаза из отходов бытовых и нетоксичных промышленных, включающих строительный мусор.

Прокладывают траншею на глубину 5 м с уклоном 10^o. На дно траншеи насыпают подушку из гравия толщиной 20 см и укладывают перфорированные фильтрующие высокопрочные пластиковые трубы 1 диаметром 120 мм. Сверху фильтрующие трубы также засыпают слоем гравия толщиной 20 см. Трубы расположены в виде радиальной системы из 8 ветвей (фиг. 1). Длина каждой ветви составляет от 100 до 150 м. Разряжение в фильтрующих трубах поддерживают равным 50 - 60 Мбар. Каждую ветвь фильтрующей трубы подсоединяют к подводящему патрубку 2, выполненному в виде сплошной пластиковой трубы, по которой биогаз поступает в сборник-смеситель 3. Диаметр подводящего патрубка 2 равен диаметру фильтрующей трубы 1.

От сборника-смесителя 3 биогаз подают на компрессорную станцию 5 с помощью сплошной транспортирующей трубы диаметром 350 мм. Каждый подводящий патрубок 2 снабжен газовым расходомером 10, например ротаметром, для измерения расхода биогаза. С помощью пробоотборника 12 измеряют состав биогаза, регулирующим краном 11 меняют гидравлическое сопротивление ветви: все это позволяет поддерживать требуемый состав биогаза в сборнике-смесителе. Сборник-смеситель монтируется в утепленном стальном контейнере. От компрессорной станции к потребителю после отделения конденсата в сборнике 9, газ поступает по магистральному трубопроводу 8 под избыточным давлением, определяемым расстоянием до потребителя.

В различных ветвях фильтрующих труб состав биогаза находится в следующих пределах: CH₄ 35 - 55%, CO₂ 36 - 30%, N₂ 25 - 18%, O₂ 4 - 0,5%. С помощью разработанного устройства потребителю направляют биогаз следующего состава СН₄ 50%, CO₂ 40%, N₂ 9%, O₂ 1%. Удельный выход биогаза составляет 6 м³/тонн биогаза в год по метану.

Таким образом разработанный способ и устройство для его осуществления позволяет эффективно извлекать из отходов на полигонах их хранения и направлять биогаз постоянного состава потребителям для утилизации в качестве топлива при заданном содержании компонентов, входящих в его состав, что является необходимым условием его промышленного использования. При этом происходит обезвреживание полигонов хранения отходов, что значительно улучшает экологическую обстановку.

Литература

[1] Crutcher A.J., Rovers F.A., Mc Bean E.A. Methan gas utilization from landfill site. Journ. of Energ. Divis. Asce, 107 (EY1) 1981, p. 95 - 102]/

[2] Обзорная информация в серии "Проблемы больших городов", вып. 10, Утилизация биогаза полигонов твердых бытовых отходов. М., 1988].

[3] Lagerkwist A. Test cells in Sweden, status report. Oktober 1991, Report for the IEO. Brundin H., The SORAB test cells, 1991, Report for the IEA.]

[4] Seutula landfill gas project. Helsinki Metropolitan Area Council YTV, The Electricity Company of Vantaa Ltdн