СПОСІБ УТИЛІЗАЦІЇ ЗВАЛИЩНОГО ГАЗУ

1. Спосіб утилізації звалищного газу, за яким у товщі твердих побутових відходів полігону або сміттєзвалища утворюють мережу свердловин, з яких за допомогою вакуум-нагнітача відкачують звалищний газ, який попередньо піддають очищенню від дисперсних частинок, після чого очищений звалищний газ транспортують до оснащеного системою охолодження й системою відведення вихлопних газів теплового двигуна, механічно з'єднаного з генератором, а вироблену генератором електричну енергію спрямовують в електромережу, який відрізняється тим, що після очищення звалищного газу від дисперсних частинок з нього методом абсорбції водним розчином амінів вилучають діоксид вуглецю, після чого абсорбент піддають тепловій десорбції й видаляють з нього діоксид вуглецю, при цьому теплоту для її проведення одержують в утилізаторі тепла, сполученому з системою охолодження та системою відведення вихлопних газів теплового двигуна. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що абсорбцію діоксиду вуглецю проводять водним розчином метилдіетаноламіну й моноетаноламіну за такого співвідношення, мас. %: метилдіетаноламін 35-45 моноетаноламін 5-15 вода решта. 3. Спосіб п. 1 або 2, який відрізняється тим, що десорбований діоксид вуглецю піддають зрідженню для подальшого зберігання й постачання споживачу.

Винахід належить до безпечної та економічно ефективної експлуатації полігонів і звалищ твердих побутових відходів (ТПВ), а саме технології одержання електричної та теплової енергії зі звалищних газів та їх комплексного перероблення, й може бути використаний на діючих, закритих і законсервованих полігонах і звалищах ТПВ насамперед для енергетичної утилізації звалищних газів. Відомий спосіб утилізації звалищного газу, за яким у товщі твердих побутових відходів полігону або сміттєзвалища утворюють мережу свердловин, з яких за допомогою вакуум-нагнітача, наприклад газодувки, відкачують звалищний газ, який транспортують до теплового двигуна, механічно з'єднаного з генератором, а вироблену генератором електричну енергію спрямовують в електромережу, при цьому в товщу твердих побутових відходів полігону або сміттєзвалища для збільшення виходу звалищного газу закачують діоксид вуглецю, у тому числі й виділений з вихлопних газів теплового двигуна [заявка № WO2023/137048A2, МПК(2006.01) B65F5/00, опубл. 20.07.2023]. Недоліком цього способу с насичення звалищного газу додатковим діоксидом вуглецю, що призводить до підвищення його концентрації в звалищному газі й відповідно зниженні концентрації біометану, а отже, й погіршенні енергетичних властивостей газоподібного палива, що надходить до теплового двигуна. У свого чергу це призводить до зниження обсягів генерування електрики, а також підвищення викидів парникових газів, насамперед діоксиду вуглецю, в атмосферу, що погіршує екологічний стан довкілля. Найближчим до пропонованого технічного рішення є спосіб утилізації звалищного газу, за яким у товщі твердих побутових відходів полігону або сміттєзвалища утворюють мережу свердловин, з яких за допомогою вакуум-нагнітача, наприклад газодувки, відкачують звалищний газ, який попередньо піддають очищенню від дисперсних частинок, після чого очищений звалищний газ транспортують до оснащеного системою охолодження й системою відведення вихлопних газів теплового двигуна, наприклад, газопоршневого двигуна внутрішнього згорання, механічно з'єднаного з генератором, при цьому вироблену генератором електричну енергію спрямовують в електромережу [Перспективні газові технології для сучасної України / Г.В. Жук, Ю.В. Іванов, Л.Р. Онопа та ін. Київ: Прометей, 2022. С. 235-242]. На відміну від попереднього аналога цей спосіб не потребує додаткової витрати діоксиду вуглецю, проте його високий вміст (зазвичай 32-42 % (об.)) у звалищному газі знижує енергетичні характеристики газоподібного палива, що надходить до теплового двигуна для генерування електроенергії. При цьому також збільшується викиди діоксиду вуглецю в атмосферу, адже він не лише утворюється в результаті роботи теплового двигуна, а й уже міститься на вході в нього у складі звалищного газу, що погіршує екологічний стан довкілля. В основу винаходу поставлено задачу вдосконалити спосіб утилізації звалищного газу, в якому його нова реалізація забезпечує енергоефективне вилучення діоксиду вуглецю зі звалищного газу та одночасно підвищує в ньому концентрацію біометану, що сприяє збільшенню обсягів генерування електрики в результаті енергетичної утилізації звалищного газу, що продукується на полігонах і звалищах твердих побутових відходів. Поставлена задача вирішується тим, що в способі утилізації звалищного газу, за яким у товщі твердих побутових відходів полігону або сміттєзвалища утворюють мережу свердловин, з яких за допомогою вакуум-нагнітача відкачують звалищний газ, який попередньо піддають очищенню від дисперсних частинок, після чого очищений звалищний газ транспортують до оснащеного системою охолодження і системою відведення вихлопних газів теплового двигуна, механічно з'єднаного з генератором, а вироблену генератором електричну енергію спрямовують в електромережу, згідно з пропонованим винаходом, новим є те, що після очищення звалищного газу від дисперсних частинок з нього методом абсорбції водним розчином амінів вилучають діоксид вуглецю, після чого абсорбент піддають тепловій десорбції й видаляють з нього діоксид вуглецю, при цьому теплоту для її проведення одержують в утилізаторі тепла, сполученому з системою охолодження та системою відведення вихлопних газів теплового двигуна. У переважних прикладах реалізації способу абсорбцію діоксиду вуглецю проводять водним розчином метилдіетаноламіну й моноетаноламіну за такого співвідношення, мас. %: метилдіетаноламіну - 35-45; моноетаноламін - 5-15; вода - решта, а десорбований діоксид вуглецю піддають зрідженню для подальшого зберігання й постачання споживачу. Реалізація пропонованого способу утилізації звалищного газу із зазначеними відмітними ознаками дає змогу видалити діоксид вуглецю з газоподібного палива та одночасно в ньому підвищити концентрацію біометану на вході в тепловий двигун, що сприяє збільшенню обсягів генерування електрики в результаті енергетичної утилізації звалищного газу. Підвищення концентрації біометану також дає змогу підвищити продуктивність вакуум-нагнітача звалищного газу, а отже, й витрату газоподібного палива на вході в тепловий двигун. При цьому збільшується підсмоктування навколишнього повітря в товщу твердих побутових відходів полігону або сміттєзвалища, а отже, й потрапляння його в звалищний газ, що дещо знижує в ньому концентрацію біометану. Проте зазначене зниження концентрації біометану, як було зазначено, може бути скомпенсоване підвищенням витрати газоподібного палива на вході в тепловий двигун. У цьому разі важливо знайти компроміс між концентрацією біометану в газоподібному паливі на вході в тепловий двигун та витратою зазначеною палива для забезпечення стабільної роботи теплового двигуна. Вилучення з очищеного від дисперсних частинок звалищного газу діоксиду вуглецю методом абсорбції водним розчином амінів (на відміну від традиційного методу абсорбції водою) забезпечує не лише ефективне вилучення зі звалищного газу діоксиду вуглецю, а й унеможливлює часткове розчинення в абсорбенті цільового компоненту біометану, потрібного для ефективної роботи теплового двигуна. Одержання ж потрібної для проведення процесу теплової десорбції діоксиду вуглецю теплоти в утилізаторі тепла, сполученому з системою охолодження та системою відведення вихлопних газів теплового двигуна, робить пропонований спосіб енергетично незалежним через утилізацію теплоти, що виділяється в результаті роботи теплового двигуна й не потребує сторонніх джерел енергії. Проведення абсорбції діоксиду вуглецю водним розчином метилдіетаноламіну й моноетаноламіну за зазначеного співвідношення компонентів абсорбенту забезпечує найбільш ефективні умови її проходження. Зрідження десорбованого діоксиду вуглецю та його подальше зберігання й постачання споживачу не лише дає змогу використовувати цю речовину в різних галузях економіки (насамперед у хімічній промисловості під час виробництва соди, сечовини тощо, а також у харчовій промисловості виробництві цукру, вина, пива, газованої води і т. д.), а й знизити викиди парникових газів в атмосферу. Суть пропонованого способу пояснюється креслениками, на яких зображено: - на фіг. 1 - схему установки утилізації біогазу полігону ТПВ відповідно до найближчого аналогу; - на фіг. 2 - схему установки утилізації біогазу полігону ТПВ у режимі когенерації відповідно до пропонованого винаходу; - на фіг. 3 - принципову схему блоку вилучення діоксиду вуглецю (СО2) з біогазу, що входить до складу установки для реалізації пропонованого винаходу. Спосіб утилізації звалищного газу відповідно до найближчого аналогу та пропонований спосіб реалізують у такій послідовності. Приклад 1 (найближчий аналог). У товщі твердих побутових відходів 1 полігону або сміттєзвалища утворюють мережу свердловин 2, з яких за допомогою вакуум-нагнітача 3, наприклад, газодувки, відкачують звалищний газ, який піддають очищенню від дисперсних частинок у фільтрі 4, після чого очищений звалищний газ транспортують до оснащеного системою охолодження й системою відведення вихлопних газів 5 теплового двигуна 6, наприклад, газопоршневого двигуна внутрішнього згорання, механічно з'єднаного з генератором 7, а вироблену генератором електричну енергію спрямовують в електромережу 8. Цей спосіб за умови використання 250 Нм3/год. біогазу полігону ТПВ забезпечує генерування близько 300 кВт електроенергії та приблизно таку саму кількість теплової енергії. Склад біогазу з урахуванням підсмоктування навколишнього повітря в товщу твердих побутових відходів полігону, а отже й потрапляння його у звалищний газ, що може суттєво знижувати в ньому концентрацію біометану, складає, % (об.): СН4 - 31, СО2 - 26, N2 - 40, Н2О - 3. Отже, об'ємна витрата СН4 у біогазі за даних умов становить 77,5 Нм3/год. Продукти згоряння біометану в тепловому двигуні визначаються за формулою СН4 + 2О2 → СО2 + 2Н2О + 891 кДж, тому в результаті проходження реакції окиснення СН4 в атмосферу виділиться 77,5 Нм3/год. СО2. З урахуванням кількості СО2 у складі біогазу - 65 Нм3/год., загальні викиди СО2 у довкілля складають 142,5 Нм3/год. (280 кг/год.). Слід зазначити, що зниження вмісту CН4 у біогазі негативно впливає на ефективність і стабільність роботи теплового двигуна (зокрема газопоршневого двигуна внутрішнього згорання) теплоелектростанції, на якій реалізується зазначений спосіб. Приклад 2 (пропонований спосіб). Спосіб реалізують відповідно до прикладу 1, проте після очищення звалищного газу у фільтрі 4 від дисперсних частинок з нього в блоці вилучення діоксиду вуглецю (СО2) 9 методом абсорбції водним розчином амінів вилучають діоксид вуглецю, після чого абсорбент піддають тепловій десорбції (також у блоці 9) й видаляють з нього діоксид вуглецю СО2, при цьому теплоту для проведення теплової десорбції одержують в утилізаторі тепла 10, сполученому з системою охолодження та системою відведення вихлопних газів 5 теплового двигуна 6. Абсорбцію діоксиду вуглецю проводять водним розчином метилдіетаноламіну й моноетаноламіну за такого співвідношення, мас. %: метилдіетаноламін - 40; моноетаноламін - 10; вода - 50. Десорбований діоксид вуглецю піддають зрідженню для подальшого зберігання його в газових балонах і постачання споживачу. Отже, порівняно зі схемою відповідно до найближчого аналогу (див. фіг. 1) у схему установки утилізації біогазу полігону ТПВ у режимі когенерації відповідно до пропонованого способу (фіг. 2) включено блок вилучення діоксиду вуглецю (СО2) (фіг. 3), принцип роботи якою полягає в такому. Звалищний газ І надходить в абсорбер 11, який зрошується водним розчином амінів II при t = 45 °C. В абсорбері 11 концентрація діоксиду вуглецю в біогазі знижується, а збагачений біогаз III направляється в тепловий двигун 6 (фіг. 2). Насичений розчин амінів IV надходить у рекуперативний теплообмінник 12, в якому нагрівається до температури 90-100 °C гарячим зворотним потоком V регенерованого розчину абсорбенту, який виходить з десорбера 13. Нагрітий насичений розчин абсорбенту VI надходить у верхню частину десорбера 13, де здійснюється відпарювання увібраного водним розчином амінів діоксиду вуглецю до необхідної концентрації. Процес регенерації здійснюється за температури кипіння водних розчинів амінів 105-118 °C за рахунок теплової енергії когенерації. Парогазова суміш, яка виходить з верхньої частини десорбера 13, охолоджується в конденсаторі до 25 °C, при цьому водяна пара конденсується і надходить у десорбер 13 як зрошення (флегма) у верхню його частину, а газ (потік VII) виходить з конденсатора і містить діоксид вуглецю (приблизно 98 %). Регенерований водний розчин амінів VIII насосом 14 (як гарячий зворотний потік регенерованого розчину абсорбенту потік - V) подається у рекуперативний теплообмінник 12, після чого потік IX (тобто попередньо охолоджений потік V) надходить в охолоджувач 15. Після охолоджувача 15 остаточно охолоджений зворотний потік регенерованого розчину абсорбенту (потік II) надходить у верхню частину абсорбера 11, і процес вилучення діоксиду вуглецю (СO2) у блоці 9 продовжується. Зазначений блок вилучення діоксиду вуглецю (СО2) з біогазу 9 може задіяти як весь потік біогазу, що надходить зі свердловин 2 (див. фіг. 2), так і його частину. Таким чином, крім генерації електроенергії пропонований спосіб забезпечує енергоефективне вилучення діоксиду вуглецю зі звалищного газу та одночасне підвищення в ньому концентрації біометану, що сприяє збільшенню обсягів генерування електрики в результаті енергетичної утилізації звалищного газу, що продукується на полігонах і звалищах твердих побутових відходів, при цьому виділений зі звалищного газу СO2 надалі зріджують і постачають споживачу. Результати розрахунків абсорбційного амінового процесу збагачення біогазу в блоці 9 за рахунок вилучення діоксиду вуглецю з біогазу наведено в табл. 1. Концентрація СH4 у біогазі підвищилась з 31 до 41 %, а концентрація СO2 знизилась до 1,6 %, що дало змогу вилучити зі звалищного газу 122 кг/год. газоподібного СО2. Розрахункова кількість теплоти, яку можна отримати в утилізаторі тепла 10, сполученому з системою охолодження та системою відведення вихлопних газів 5 теплового двигуна 6, складає 150 кВт і може повністю компенсувати теплове навантаження ребойлера десорбера (тобто нагрівника нижньої частини десорбера), яке становить 130 кВт. Таблиця 1 Результати розрахунків показників процесу збагачення біогазу Показники процесу збагачення 250 Нм3/год. біогазу складу, % (об.): 31СН4/26 СО2/40 N2Витрата, біогазу, Нм3/год. 250Витрата абсорбенту, кг/год. 2450Концентрація в збагаченому біогазі, % (об.)СH4СО2 41 1,6Вихід СО2 з десорбера на зрідження, кг/год. 122Теплове навантаження ребойлера десорбера, кВт 130Теплова енергія вихлопних газів двигуна, електростанції, кВт 150 У табл. 2 наведено порівняльні розрахунки викидів діоксиду вуглецю СО2 (парникового газу) під час роботи електростанції за обома наведеними прикладами. Як бачимо, впровадження пропонованого способу знижує загальні викиди СО2 у навколишнє середовище на 44 %, що складає 1040 т/рік. Таблиця 2 Результати розрахунків викидів діоксиду вуглецю CO2 (парникового газу) електростанції Показники викидів CO2Склад біогазу на вході в тепловий двигун електростанції, % (об.)відповідно до найближчого аналогу (без збагачення)відповідно до пропонованого винаходу (зі збагаченням)250 Нм3/год.31 СН4/26 СО2/40N2189 Нм3/год.41 СН4/1.6 СО2/52N2СО2 у складі біогазу, кг/год.1286СО2 у реакції окиснення СН4 біогазу, кг/год.152152Загальні викиди газоподібного СО2 в атмосферу, кг/год.280158Зниження загальних викидів СО2 в атмосферу,%кг/год.т/рік-44 %-1221040 Пропонований спосіб забезпечує енергоефективне вилучення діоксиду вуглецю зі звалищного газу та одночасно підвищує в ньому концентрацію біометану, що сприяє збільшенню обсягів генерування електрики в результаті енергетичної утилізації звалищного газу та знижує техногенне навантаження на довкілля.