Відходи деревної маси і паперу
У 1972 р. промисловість Росії провела 37 млн. т сухої деревної маси і близько 49,5 млн. т (сухою) паперової і картонної продукції. Загальну кількість необхідної сировини склало приблизно 76 млн. т сухої маси, з яких близько 62 % (47 млн. т) поступило у вигляді кругляка і 38 % (29 млн. т) у вигляді відходів [10]. Як випливає з табл. 2.9, при переробці 76 млн. т сировини утворюється близько 40 млн. т відходів на суху масу; відходи складалися з 34,6 млн. т твердих речовин, отриманих з чорного лужного розчину, що відходить, і 5,4 млн. т кори. [1]
|
Таблиця 2.9 — Хімічний склад і теплота згорання твердих речовин чор — ного лужного розчину [9]_____________________________________________
|
130 =0 ЕО £ 70
Газ метантенків міських очисних каналізаційних споруд (КОС) характеризується більш стабільним складом. Об’ємна частка основного горючого компоненту — метану, на різних очисних спорудах змінюється від 60 до 65 %.
Більш значні коливання складу газу можна спостерігати при переробці відходів сільського господарства, в яких об’ємна частка метану може змінюватись від 50 до 75 %. Крім того, при зброджуванні сільськогосподарських відходів утворюється достатньо значна кількість сірководню (до 3 %), тому біогаз перед використанням необхідно обов’язково очистити. Також, в літературі не виявлено відомостей відносно присутності інших шкідливих компонентів (аміаку, оксидів азоту, канцерогенних сполук).
Кількість газу, отриманого на міських КОС, приймаємо рівним 1г на 1 г розкладеної без зольної сухої речовини завантаженого осаду (близько 500 м3 на 1 т вихідного субстрату) [Г]. Кількість бі — огазу, отриманого при переробці сільськогосподарських_відходів з 1 тони сухої органічної речовини в результаті анаеробного зброджування, приведена на рисунку 2.2.
 |
Дослідженнями, проведеними спеціалістами різних країн, визначена розрахункова кількість виходу біогазу при переробці сільськогосподарських відходів (таблиця 2.10).
|
Таблиця 2.10 — Вихід біогазу при зброджуванні відходів сільського господарства_____________________________________________________
|
При складуванні відходів на звалищах в Україні, збирання та утилізація біогазу не передбачалися. В той же час, досвід західних країн (Німеччині, Великобританії, СІЛА, Нідерландів, Італії, Франції та інших) доводить доцільність використання газу зі звалищ. Як правило, на звалищах близько 80 % всієї кількості відходів складають побутові відходи, які містять значну частку органіки [11]. З часом, органічна складова, без доступу повітря, анаеробними бактері
ями переробляється в біогаз, який можна використовувати як паливо в різних установках замість цінних традиційних видів палива. Переважно, процес на звалищах некерований. Це обумовлено гетерогенним складом міських відходів, геологічними умовами звалищ, технологіями укладання та методами видобутку газу. При створенні умов, які сприяють анаеробній ферментації (вибір території з водонепроникним ґрунтом навколо звалища, попереднє сортування відходів для регулювання процесу утворення газу, створення газонепроникного покриття на поверхні полігону звалища) та збору бі — огазу, що утворюється (прокладання збірних колекторів, обмурування стін з відповідною ізоляцією для розміщення колодязів), з 2
з
тон відходів можна виробляти до 240 м біогазу калорійністю
18.. .25 МДж/м3. Опубліковані дані [12,13,14] про склад біогазу, що отримується зі звалищ Німеччини, наведені в таблиці 2.11.
|
Таблиця 2.11 — Склад біогазу зі звалищ
2.6.2 Економічні аспекти виробництва та застосування біогазу |
Газ метантенків. В Технічних рішеннях з використання газу метантенків [15] відзначається, що застосування газу метантенків котельнями міських очисних споруд зменшує забруднення навколишнього природного середовища та значно скорочує витрати на традиційні види палива. Економічний ефект від використання газу метантенків полягає в економії значної кількості природних ресурсів (природного газу, мазуту), що витрачаються для технологічних потреб, опалення та гарячого водопостачання очисних споруд ка
налізації. За нашими розрахунками, за рік, очисні споруди м. Запо — ріжжя, продуктивність яких складає близько 1 млн. м за добу, до-
о
 |
зболять одержати понад 27 млн. м газу метантенків та заощадять понад 15 млн. м природного газу. Економічний ефект заміщення такої кількості природного газу біогазом складе приблизно 950 тис. грн. Техніко-економічні показники установок, що використовують газ метантенків на міських очисних спорудах різної потужності, наведені на рисунку 2.3.
Біогаз сільськогосподарських БГУ. Проведені розрахунки виявили, що використання типовим тваринницьким комплексом біогазу дозволить заощадити щорічно від 150 до 2600 т у. п. Розрахунки проводили для мезофільного режиму (температура біореактору 35 °С), відповідно до норм [16], вихід біогазу приймали в залежності від вмісту абсолютно сухої речовини гною за даними [17], з те — плотою згоряння біогазу 22 МДж/м. Результати розрахунків наведені в таблиці 2.12.
|
Таблиця 2.12 — Енергетичні показники застосування типовими тварин — ницькими комплексами технології анаеробного зброджування___________
|
Критичний аналіз економічних проблем, пов’язаних з впровадженням біогазової технології [18, 19], доводить, що виробництво біогазу економічно виправдано, якщо є:
— повне забезпечення сировиною з мінімальними транспортними витратами;
— система використання біогазу без нагромадження та зберігання;
— дешеве джерело низькопотенційного тепла для обігріву та термостату — вання метантенків.
Оцінюючи економічну ефективність роботи сільськогосподарських біогазових установок (БГУ), на наш погляд, потрібно враховувати не тільки вартість заміщеного природного палива та ефект від зменшення шкоди, завданої навколишньому середовищу, але й також заощадження за рахунок повної або часткової відмови від закупівлі мінеральних добрив. В роботі пропонується оцінити економічну ефективність біогазових технологій, враховуючи наступні фактори:
— первинний субстрат — вид тварин, вміст сухої речовини, кількість відходів, склад осаду;
— місцеві умови — транспортування вхідних та вихідних продуктів, наявне обладнання, споживання енергії, характер місцевості;
— технологія — попередня обробка субстрату, конструкція реактора (форма, ізоляція, перемішування, підігрів тощо);
— виробництво біогазу — вихід газу (м на кг завантаженого субстрату), продуктивність (м газу на м об’єму реактору за добу), вміст метану в газі, потреба в газі для підтримання технологічних параметрів процесу;
— вартість технології — амортизація, вартість монтажу, вартість енергії, заробітна плата обслуговуючого персоналу, інші витрати;
— ступінь використання біогазу — розміри акумуляторів енергії, споживання енергії протягом року, можливості перетворення енергії;
-побічні фактори впливу виробництва біогазу — на придатність субстрату після зброджування (в якості добрива), на навколишнє середовище, на продуктивність рослин (врожайність після внесення добрив).
На сьогодні, в Україні не існує єдиної методики розрахунку економічної ефективності біоенергетичних установок (БЕУ), тому дані різних авторів, що наводяться в літературі, не можна зіставляти.
Так, наприклад, автори [20, 21] використовують підхід до оцінки економічної ефективності біотехнології, яка ґрунтується на принципі кінцевого економічного ефекту від впровадження цієї технології, де замикальними елементами системи є зовнішньоторговельні операції зі скорочення імпорту продовольчої сировини та збільшення експорту високоякісного палива. Прибутки від підвищення врожайності пов’язано зі скороченням імпорту зерна та заощадженням валюти, та наведено результати розрахунків на імітаційній моделі БЕУ, описаної в [21 ]. Термін окупності БЕУ, за умови повного використання осаду в якості добрива, визначається за формулою:
ок 55 • G +140 ■ V6 ■ Е ■ G -15
де Ток — термін окупності БЕУ, рік;
G — кількість осаду за рік (за сухою речовиною), т;
V — об’єм біореактору, м3;
V6 — об’єм біогазу за рік, тис. м3;
Е — екологічна складова ефекту, грн./т сухого залишку;
І — експлуатаційні видатки, грн./рік.
В таблиці 2.13 зібрані результати розрахунку ТЕП для біога — зових установок для об’єктів сільського господарства Центрального району Російської Федерації.
|
Центрального району Російської Федерації
|
Експлуатаційні витрати пропонується визначати за формулою:
( ф Л
—- + 0,05 + 0,01 +140 • V
U00 CHJ
де К — первісне капіталовкладення, грн.;
Ф — заробітна плата в відсотках від капіталовкладень;
Ф = 31-3-1пУ +
Vc. H. — річний об’єм біогазу, якого не вистачає для покриття власних по-
о
треб БГУ, тис. м.
Ефективність використання збродженого осаду в якості добрив оцінюється в 55 грн. на тону сухого органічного залишку,
з
ефект утилізації 1000 м товарного біогазу 140 грн., додаткові капі — таловкладення на 1 т субстрату прийняті 180 грн./м, ефект від зменшення забруднення навколишнього середовища визначено за [1,
4].
В реальних умовах, згідно досвіду експлуатації БЕУ, витрати енергії біогазу на власні потреби вище, ніж у моделі, яку досліджували. Терміни окупності скорочуються зі збільшенням їх продуктивності (за даними табл. 2.13 — навпаки). Показники роботи деяких діючих БЕУ, наведені в таблиці 2.14.
 |
Як видно з таблиці, для забезпечення технологічних параметрів процесу витрачається 40…50 % виробленого біогазу. Частку залишкового біогазу можна визначити за формулою:
ЧПел
з
де Qh6 — нижча теплота згоряння біогазу, МДж/м ;
Ыел — потрібна електрична потужність на виробництво 1 м біогазу, МДж/м3;
Qx — потрібна кількість теплової енергії на виробництво 1 м біогазу, МДж/м3;
г)С І, Л і — ККД використання біогазу відповідно до електричної та теплової енергії, що генерується, відповідно.
|
Таблиця 2,14 — Показники роботи деяких сільськогосподарських біогазових установок (БГУ)
|
Враховуючи частку товарного біогазу, отриману шляхом удосконалення енергопостачання установки, можна суттєво підвищити ефективність її роботи. Заміна біогазом твердого та рідкого палива забезпечує не тільки економічний зиск, але й дозволяє досягнути значного скорочення збитків від забруднення навколишнього середовища. Проведено дослідження для ВТК «Запоріжсталь» міста Запоріжжя. Хазяйство має комплекс продуктивністю 8000 голів свиней. Енергопостачання ферми здійснюється котельнею, яка працює біопаливі та природному газі. Продукти згоряння перед викидами в атмосферу не очищуються. Оцінку економічного збитку від забруднення навколишнього середовища проведено за методикою [22, 23]. В результаті досліджень встановлено, що річний економічний ефект від заміни природного палива біогазом складе понад одного мільйона гривень.
Газ зі звалищ. Приведені в публікаціях дані з економічної оцінки утилізації біогазу зі звалищ, значно відрізняються один від одного. У більшості випадків, думки збігаються в тому, що видобуток та утилізацію газу доцільно проектувати не більш ніж на 20.. .25 річний період. Розрахункова кількість біогазу з однієї тони відходів протягом 20 років складає ЗО… 100 м, передбачається, що кількість біогазу протягом 50-річного періоду повного розкладання повинна скласти 100… 150 м на тону відходів [24]. За іншими даними, зага — льний вихід газу за весь час зброджування може досягати 250 м на тону відходів. Нами було зроблено спробу зробити економічну оцінку заходів з організації видобування біогазу на міському звалищі Запоріжжя. Приймемо, що із однієї тони сміття виділяється 100 м біогазу. Площа звалища, що придатна для збору газу складає 36 га (400х 900 м), висота шару в середньому 8 м; щільність сміття 1350 кг/м. Загальний вихід біогазу складе:
Vr3B = 360000 • 8 • 1350 • 100 = 3,9 • 108 м3.
Якщо передбачити двадцятирічну експлуатацію звалища з ме-
1
тою видобутку газу, річний вихід біогазу складатиме 1,95* 10
З в о
м /рік, що відповідає годинній витраті — приблизно 2000 м /год. Вартість будівництва системи біогазу, збору та утилізації складає, за попередніми розрахунками, 142,5 тис. гри. Економія від заміни мазуту біогазом, якщо вартість 1 тони мазуту складає 35 грн., з урахуванням вартості установки для збору газу, вже після першого року експлуатації оцінюється в 177 тис. грн. Варто також зазначити, що із-за відсутності реального досвіду використання в Україні подібних установок, наведені дані можуть бути неточними.
Очевидно, потрібні більш глибокі дослідження з встановлення достовірної методики оцінки потенційного виходу біогазу, способів консервації та експлуатації звалищ, методам обробки та утилізації газу. Проте, навіть приблизні розрахунки, що ґрунтуються на даних закордонних джерел, доводять безперечну доцільність використання газу зі звалищ.
Обробка біогазу. Умови отримання біогазів та наявність в їх складі шкідливих та баластних речовин, свідчить про необхідність попередньої обробки біогазу перед використанням в теплових установках. Основні етапи підготовки газу до використання на рисунку 2.4. В залежності від способу використання газу, ступінь очищення може бути різною [7]. Процес відокремлення зважених частинок для попередження засмічення арматури та трубопроводів, є вкрай необхідним. В більшості випадків достатньо застосування грубої фільтрації в гравійному фільтрі [24], але іноді використовують тонкі фільтри зі скловолокна, що пов’язано з додатковими витратами.
Рисунок 2.4 — Основні етапи підготовки біогазу для використання в теплових установках