매립지에서 나오는 바이오가스. 계획, 설명

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매립지에서 나오는 바이오가스. 무선 전자 및 전기 공학 백과사전

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지난 수십 년 동안 도시 고형 폐기물(MSW)의 양이 크게 증가했습니다. 매년 약 400억 톤의 MSW가 생물권에 유입되며, 이 양은 매년 3-6%씩 증가하여 세계 인구 증가율을 초과합니다. 상당한 양의 MSW는 음식물 쓰레기, 종이, 판지, 목재입니다. MSW의 유기 부분 중 일부는 선진국의 56%에서 개발도상국의 62% 범위입니다.

세계 관행에서 고형 폐기물을 처리하는 세 가지 주요 방법이 있습니다.

폐기물 소각장에서 직접 연소.
퇴비화 기술.
매립지 및 고형 폐기물 매립지에서의 처리(매립지와 달리 매립지는 토양 격리 시스템 및 침출수 제거 시스템을 갖추고 있음)

일부 선진국, 특히 인구 밀도가 높은 국가(스위스, 일본 등)에서는 MSW 및 심지어 하수 슬러지가 우세하게 연소됩니다.

MSW 소각은 중금속 및 유해 가스로부터 연소 제품을 청소하기 위해 복잡하고 값비싼 기술을 사용해야 합니다. 다이옥신으로부터 연도 가스를 정화하는 문제는 아직 어떤 국가에서도 해결되지 않았습니다.

비옥 한 토양으로의 이동이 용납 될 수없는 중금속 염에서 퇴비를 청소하는 문제가 해결되지 않았기 때문에 퇴비화는 오랫동안 사용되지 않을 것입니다.

현재 세계 여러 나라에서 MSW를 특수 매립지에 처리하는 것이 MSW를 처리하는 가장 경제적인 방법으로 간주됩니다. 매립지로 보내지는 고형 폐기물의 양은 네덜란드에서 45-55%, 미국에서 62-85%, 캐나다에서 93-96%, 러시아에서 97%입니다.

여러 국가의 고형 폐기물 매립지에서 바이오 가스 추출 및 활용

바이오가스는 산소에 접근할 수 없는 MSW에서 형성됩니다. 박테리아의 작용으로 유기물의 일부가 메탄(50-70%)과 이산화탄소(30-50%)의 형성으로 분해되며, 이들의 혼합물은 바이오가스를 형성하고 소량의 질소, 산소를 함유합니다. 그리고 수소. 바이오가스는 가연성이며 발열량이 18 MJ/m3 이상입니다.

가장 경제적으로 정당한 것은 1만 톤 이상의 폐기물이 있고 그 층이 10m를 초과하는 대규모 매립지 및 매립지에서 바이오가스를 수집하고 활용하는 것입니다. 대부분의 폐기물의 "나이"는 10년이 채 안 됩니다. 매립지의 영토는 매립되어야 합니다: 최소 30-40cm의 토양층으로 덮여 있습니다.

이러한 매립지에서 나오는 바이오가스의 평균 생산량은 5년 동안 MSW 3톤당 최소 1m20가 될 것입니다. 매우 중요한 것은 유기물의 비율입니다(건설 폐기물은 바이오가스를 생성하지 않습니다).

EU에서 바이오가스의 총 잠재력은 연간 9억 m3, 미국에서는 최대 13억 m3/년에 이릅니다. 미국의 모든 MSW 매립지에서 메탄을 활용하면 그 양은 미국 전체 천연 가스 소비량의 5%가 될 것입니다. 1992년에는 481개의 바이오가스 수집 시스템이 전 세계적으로 운영되었습니다(EU 국가에 175개, 미국에 264개, 아시아와 호주에 각각 4개, 아프리카에 2개). 그러나 바이오가스의 약 25-50%가 상업적 목적으로 사용되었고 나머지는 플레어로 태워졌다는 점에 유의해야 합니다.

바이오가스는 주요 온실가스 중 하나입니다.

환경 유해 정도에 따라 메탄은 이산화탄소 다음으로 두 번째 유해 가스로 간주됩니다. 대기 중 메탄 농도는 매년 약 0,6%씩 증가하고 있으며 지난 0,4세기 동안 두 배로 증가했습니다(이산화탄소 농도는 매년 11%씩 증가하고 있습니다). 메탄은 대기에서 "수명"이 더 짧은 반면(120년), 이산화탄소는 XNUMX년입니다. 따라서 대기로의 메탄 배출의 안정화 또는 감소는 빠르고 긍정적인 기후 변화로 이어질 것입니다.

대기로의 메탄의 세계적인 방출은 기후 변화의 중요한 요소입니다. 미국에서는 예외 없이 모든 고형 폐기물 매립지에 바이오가스 추출 및 활용을 위한 시스템을 갖추도록 의무화하는 법이 제정되었습니다. 1987년에 지구의 매립지에서 배출되는 총 메탄은 연간 30만~70만 톤으로 대기 중 총 배출량의 6~18%인 것으로 확인되었습니다. 기후 변화에 관한 정부 간 위원회의 전문가 그룹은 매립지 메탄을 세계 주요 온실 가스 목록에 포함시켰습니다.

환경에서 바이오 가스의 확산은 일련의 부정적인 현상을 유발합니다. 그것의 축적은 고형 폐기물 덤프 근처에 위치한 주택 및 구조물에서 폭발 및 화재 위험 조건을 만들 수 있습니다. 밀폐된 공간에 바이오 가스가 축적되는 것은 독성학적 관점에서도 위험합니다. 딥 엔지니어링 커뮤니케이션을 유지 관리하는 동안 많은 중독 사례가 등록되었습니다. 바이오가스는 또한 식물 층에 해로운 영향을 미칩니다(뿌리 시스템을 "질식"시킵니다). 이 모든 것은 대기로의 배출과 싸울 필요성을 나타냅니다. 이를 수행할 수 있는 주요 방법은 바이오가스의 수집 및 활용입니다.

매립지 바이오가스 수집/생산 기술

가장 일반적인 바이오가스 수집 시스템은 수평 파이프로 연결된 수직 우물 네트워크로 구성됩니다. 직경 0,6-1,2m의 수직 우물 중간에 직경 12-25cm의 플라스틱 파이프가 설치되고 직경 3-6mm의 구멍이 뚫려 있습니다. 우물의 깊이는 최소 7m이며 MSW 층 두께의 50-90%에 해당합니다. 구멍이 뚫린 플라스틱 파이프 주변의 우물 부피는 자갈 또는 자갈로 채워져 있습니다. 우물의 상부(상단 가장자리에서 약 0,5m)는 바이오 가스가 대기 중으로 방출되는 것을 방지하기 위해 콘크리트 또는 점토로 압축됩니다. 우물의 범위는 평균 30~35m이며 평균 우물 수는 매립지 2,5헥타르당 1개입니다. 가스 배수 시스템의 건설은 작업 종료 후 매립지 전체와 매립되는 별도의 영역에서 수행할 수 있습니다. 그림은 바이오가스의 생산, 수집 및 활용에 대한 개략도를 보여줍니다.

바이오가스 활용/이용 기술

바이오가스를 사용하는 방법에는 크게 두 가지가 있습니다. 하나는 생산 현장에서 열을 발생시키는 데 사용하는 것이고 다른 하나는 전기를 생산하여 그리드에 판매하는 것입니다. 매립지에서 반경 3km 이내의 바이오가스를 직접 사용하는 것이 일반적으로 가장 비용 효율적인 사용 방법입니다.

가스는 지역 난방 네트워크의 보일러, 다양한 산업 소비자(시멘트 생산, 유리 생산, 벽돌 건조)의 연료로 사용할 수 있습니다. 소비자가 3km 이상 떨어져 있으면 수익성이 떨어집니다.

우크라이나의 바이오가스 생산 및 사용 기술 개발에 대한 타당성 조사 및 전망

우크라이나의 도시에서만 연간 약 40천만 m3의 MSW가 발생합니다. 이 양의 90% 이상이 수거되어 도시에서 655-10km 떨어진 20개 매립지로 이동됩니다. 우크라이나의 500개 이상의 매립지는 지하수 및 대기 오염에 대한 기본적인 보호 수단이 없습니다. 약 140개의 매립지는 바이오가스 추출 및 사용에 적합하다고 간주될 수 있는 MSW 매립지입니다. 140개 매립지 중 90개는 매우 크며 우크라이나 전체 고형 폐기물의 30%를 포함합니다. 가스 생산에 가장 수익성이 높은 것은 바로 이러한 매립지입니다. 이 90개 매립지에 바이오가스 수집 및 활용 시스템을 도입하면 연간 3,26만 톤의 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있습니다.

우크라이나 국내 시장의 전기 요금이 다소 낮기 때문에 매립지 근처에 위치한 산업 기업의 요구에 바이오가스를 사용하는 것이 가장 비용 효율적입니다. 이것이 가능하지 않다면 네트워크에서 전기를 생성하는 것이 합리적입니다. 이 경우 용량이 1 및 1,6MW(Malyshev, Kharkov의 이름을 딴 GP Plant) 또는 0,40,8MW(Pervomaiskdizelmash, Pervomaisk) 용량의 우크라이나산 내연기관 기반 발전소를 사용할 수 있습니다.

이 표는 1,6만 톤의 고형 폐기물이 있는 Lugansk 매립지에서 전력 생산을 위한 바이오가스 추출 및 사용 프로젝트에 대한 타당성 조사를 보여줍니다. Pervomaiskdieselmash가 생산한 엔진과 미국산 Caterpillar 엔진을 사용하여 바이오가스로 작동하는 2MW 용량의 미니 발전소용 장비의 두 가지 변형이 고려됩니다. 계산에는 연간 바이오가스 생산량 5m3/t의 폐기물 및 시설 수명(20년)과 같은 매개변수를 사용했습니다.

매립지에서 나오는 바이오가스

두 경우 모두 전기 비용은 우크라이나의 도매 전기 비용(0,021kWh당 $1)보다 낮습니다.

위의 경제적 계산은 이 프로젝트에 의해 감소된 탄소 배출량을 "판매"할 가능성을 고려하지 않습니다. 감축된 온실가스 배출량은 4,5톤당 9유로에서 1유로의 가격으로 "구입"되며, 이로 인해 바이오 에너지 프로젝트의 경제적 성과가 크게 향상될 수 있습니다.

우크라이나에서 바이오가스 생산 및 사용을 위한 기술 보급을 위한 첫 번째 단계는 적어도 하나의 시범 프로젝트를 구현하는 것이며, 그 목적은 이러한 기술 사용의 기술적 능력, 경제적 및 기술적 타당성을 보여주는 것입니다.

결론 :

1. 현재 매립지 및 매립지에 고형 폐기물을 처리하는 것은 세계 대부분의 국가에서 중화의 주요 방법으로 남아 있습니다.

2. 매립지의 메탄 배출량은 총 배출량의 6-18%로 추정됩니다. 메탄 배출을 줄이는 가장 효과적인 방법은 그것을 포집하여 사용하는 것입니다.

3. 대부분의 국가에서 바이오가스의 에너지 잠재력은 에너지 소비의 약 1%입니다.

4. 대부분의 국가에서 바이오가스의 생산과 사용이 증가하고 있습니다.

5. 바이오가스 추출 및 사용 프로젝트는 특히 근처에 산업용 가스 소비자가 있는 경우 상당히 비용 효율적입니다.

6. 바이오가스의 추출 및 사용을 위한 기술의 도입은 환경 및 경제적 관점에서 우크라이나에서 매우 유망합니다.

7. 국가 예산 또는 생태부 예산에서 우크라이나의 바이오가스 생산 및 사용을 위한 최소 하나의 시범 프로젝트에 자금을 지원하는 것이 합리적입니다.

저자: G. Geletukha, K. Kopeikin, 우크라이나 국립 과학원 기술 열 물리학 연구소, 과학 기술 센터 "바이오매스"

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