Введение 3
1 Образование и состав свалочного газа, его добыча и утилизация 5
1.1 Классификация твердых бытовых отходов 5
1.2 Конструкция полигонов ТБО 6
1.3 Образование и состав свалочного газа 10
1.4 Технология сбора свалочного газа и его транспортировка 11
1.5 Газотурбинная установка 15
1.6 Газопоршневая установка 18
1.7 Использование свалочного газа в качестве газомоторного топлива 19
1.8 Способы переработки твердых бытовых отходов (ТБО) 21
1.8.1 Сжигание ТБО 23
1.8.2 Аэробная ферментация при переработке ТБО 24
1.8.3 Анаэробная ферментация при переработке ТБО 25
2 Процесс преобразования свалочного газа в энергию 27
2.1 Твердооксидный топливный элемент 27
2.2 Предварительная обработка свалочного газа 29
2.3 Преобразование газа в энергию 33
3 Модель системы сбора и утилизации свалочного газа 36
3.1 Патентное исследование 36
3.2 Разработка модели утилизации свалочного газа 39
3.3 Защита интеллектуальной собственности 44
Заключение 47
Список использованных источников 49
Приложение
Важной проблемой современности является рациональная утилизация твердых бытовых отходов (ТБО) [18].
В России основным способом утилизации ТБО является их захоронение на специальных полигонах. В этих условиях отходы подвергаются интенсивному биологическому разложению, которое сопровождается выделением свалочного газа [47].
Основными компонентами свалочного газа являются не только газы, создающие «парниковый эффект», такие как метан и диоксид углерода, но и такие токсичные соединения как оксид углерода, оксиды азота, сероводород, диоксид серы. Выбросы свалочных газов, поступающих в окружающую среду, оказывает негативные эффекты как локального, так и глобального геоэкологического характера [20].
Свалочный газ относится к числу причин возгорания отходов на полигонах ТБО и мусорных свалках [49]. Если содержание метана в воздухе становится от 5 до 15%, а содержание кислорода 12%, происходит образование взрывоопасной смеси.
Необходимость энергосбережения и снижения загрязнения окружающей среды приводит к более рациональному использованию традиционных энергоресурсов, а также поиску возобновляемых и недорогих источников энергии, к которым в последнее время все чаще относят твердые бытовые отходы.
Образующийся на полигонах ТБО свалочный газ является высококалорийным топливом, не уступающим по энергетике традиционному бурому углю. Газообразное топливо используется для производства тепловой и электрической энергии.
Для энергетики большинства развитых стран применение свалочного газа не является первостепенной задачей, однако оставлять без внимания данный источник энергии не следует как по экологическим, так и по экономическим соображениям, что доказывается опытом ряда стран [21]. Например, в ЕС введена Директива, согласно которой сбор и утилизация свалочного газа со всех свалок с биологически разлагающимися отходами являются обязательными ввиду сокращения негативных воздействий на окружающий мир и здоровье человека.
Образующийся на свалках газ с начала 80-х гг. усиленно добывается во многих странах. На сегодняшний день в мире используется порядка 1,2 млрд. м3/год свалочного газа, что равносильно 429 тыс. тонн метана, или 1% его глобальной эмиссии. Всего в мире в настоящее время применяется или разрабатывается порядка 60 разновидностей технологий по переработке свалочного газа.
Однако в России свалочный газ практически не используют.
Цель магистерской диссертации: разработать теоретической модели способа утилизации свалочного газа с условием обеспечения комбинированной выработки тепловой и электрической энергии.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
1) изучить процесс образования и состав свалочного газа, требования к его предварительной обработке перед дальнейшим использованием;
2) разработать структурную схему процесса утилизации свалочного газа с условием комбинированной выработки тепловой и электрической энергии;
3) выбрать техническое решение и сформировать требования к технологическим блокам схемы энергетической утилизации свалочного газа;
4) предложить вариант защиты технического решения как объекта интеллектуальной собственности.
При написании работы были использованы труды отечественных и зарубежных авторов, таких как Бобович Б. Б., Аносова М. М, Вайсман Я. И., Коробко В. И., Мацукевич В. В., Ножевникова А. Н.
В ходе выполнения магистерской работы были изучены способ образования и состав свалочного газа, требования к его предварительной обработке перед дальнейшим использованием.
В качестве технического решения была разработана теоретическая модель способа утилизации свалочного газа с условием обеспечения комбинированной выработки тепловой и электрической энергии, включающая в себя технологическую часть добычи, накопления, транспортировки свалочного газа и его конечного использования после газоподготовки.
К каждому технологическому блоку схемы энергетической утилизации свалочного газа были сформированы требования.
Свалочный газ относится к надежным источникам альтернативной возобновляемой энергии, так как образуется из постоянно поступающего на полигоны твердых бытовых отходов мусора [5]. Использование свалочного газа в качестве топлива для выработки электрической и тепловой энергии дает возможность значительно снизить объем выбросов метана с полигонов ТБО и сократить потребность в энергии, получаемой из ископаемых видов топлива.
Г аз, полученный с полигона ТБО, на 55-80% состоит из метана и на 20-45% из углекислого газа. Его можно использовать как в качестве топлива для двигателей транспортных средств, так и для получения тепловой и электрической энергии.
Существует 4 способа утилизации свалочного газа: факельное сжигание, использование в качестве топлива для газотурбинных и газопоршневых установок, преобразование в энергию с помощью топливных элементов.
Наиболее эффективным способом утилизации является утилизация свалочного газа с использованием топливного элемента.
Наиболее перспективным видом топливных элементов является твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ), который не нуждается в дорогом катализаторе и может работать на многих видах топлива. Электрический КПД ТОТЭ составляет в среднем 35%, тепловой КПД - 55%. Таким образом суммарный КПД твердооксидного топливного элемента может достигать 90%.
Сформулированное техническое решение представляет собой модель энергетической утилизации свалочного газа, начиная с отбора газа с полигона ТБО и заканчивая преобразованием очищенного газа в энергию.
Техническое решение предлагается защищать как рационализаторское предложение. Был изучен порядок оформления и регистрации рационализаторского предложения, составлена документация на подачу заявки на регистрацию объекта интеллектуальной собственности (приложение).
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
