埋め立て地からのバイオガス。スキーム、説明

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埋め立て地からのバイオガス。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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過去数十年にわたり、都市固形廃棄物（MSW）の量は大幅に増加しました。毎年約 400 億トンの MSW が生物圏に流入しており、この量は毎年 3 ～ 6% 増加しており、世界の人口増加率を超えています。 MSW のかなりの量は、食品廃棄物、紙、段ボール、木材です。 MSW の有機部分の一部は、先進国の 56% から発展途上国の 62% に及びます。

世界の慣例では、固形廃棄物を処分する主な方法は XNUMX つあります。

廃棄物焼却工場での直接燃焼。
堆肥化技術。
埋め立て地および固形廃棄物埋め立て地への処分 (埋め立て地とは異なり、埋め立て地には土壌隔離システムと浸出水除去システムが装備されています)

一部の先進国、特に人口密度の高い国（スイス、日本など）では、MSW、さらには下水汚泥が主に燃焼されています。

MSW の焼却では、燃焼生成物を重金属や有害なガスから除去するための複雑で高価な技術の使用が必要です。排ガスからダイオキシンを除去する問題は、どの国でもまだ解決されていません。

おそらく、肥沃な土壌への移行が容認できない重金属塩から堆肥を除去するという問題が解決されていないため、堆肥化は長期間使用されないでしょう。

現在、世界の多くの国では、特別な埋め立て地での MSW の処分が最も経済的な処分方法と考えられています。埋め立て地または埋め立て地に持ち込まれる固形廃棄物の量は、オランダで45〜55％、米国で62〜85％、カナダで93〜96％、ロシアで97％です。

さまざまな国の固形廃棄物埋立地からのバイオガスの抽出と利用

バイオガスは酸素を利用せずに MSW 内で生成されます。細菌の作用により、有機物の一部が分解されてメタン (50 ～ 70%) と二酸化炭素 (30 ～ 50%) が生成され、その混合物がバイオガスを形成します。さらに、少量の窒素、酸素が含まれています。そして水素。バイオガスは可燃性であり、18 MJ/m3 以上の高い発熱量を持っています。

最も経済的に正当化されるのは、1万トンを超える廃棄物が置かれ、その層が10メートルを超える大規模な埋め立て地や埋め立て地でのバイオガスの収集と利用です。廃棄物のほとんどは、次の「年齢」を持つことが望ましいです。 10年以内。埋め立て地の領域は埋め立てられなければなりません：少なくとも30〜40 cmの土の層で覆われます。

このような埋め立て地からのバイオガスの平均収量は、5 年間で MSW 3 トンあたり少なくとも 1 m20 になります。非常に重要なのは有機物の割合です（建設廃棄物はバイオガスを生成しません）。

EU におけるバイオガスの総潜在可能量は 9 億 m3/年、米国では最大 13 億 m3/年に達します。米国のすべての都市廃棄物埋め立て地からのメタンを利用すると、その量は国内の総天然ガス消費量の 5% になります。 1992 年には、世界中で 481 台のバイオガス収集システムが稼働していました (EU 諸国に 175 台、アメリカに 264 台、アジアとオーストラリアに各 4 台、アフリカに 2 台)。しかし、バイオガスの約 25 ～ 50% が商業目的に使用され、残りはフレアで燃焼されたことに注意する必要があります。

バイオガスは主要な温室効果ガスの XNUMX つです。

環境への害の程度に応じて、メタンは二酸化炭素に次いで 0,6 番目に有害なガスと考えられています。大気中のメタン濃度は年間約 0,4% で増加しており、過去 11 世紀で 120 倍になりました (二酸化炭素濃度は年間 XNUMX% ずつ増加しています)。メタンは大気中での「寿命」が短く (XNUMX 年)、二酸化炭素は XNUMX 年です。したがって、大気中へのメタン排出量の安定化または削減は、急速なプラスの気候変動につながるでしょう。

地球規模での大気中へのメタンの放出は、気候変動の重要な要因です。米国では、例外なくすべての固形廃棄物埋め立て地にバイオガスの抽出と利用のためのシステムの設置を義務付ける法律が制定された。 1987 年に遡ると、地球の埋め立て地からのメタンの総排出量は年間 30 ～ 70 万トンで、これは大気中への総排出量の 6 ～ 18% であると判明しました。気候変動に関する政府間委員会の専門家グループは、世界の主要な温室効果ガスのリストに埋立地メタンを含めました。

環境中にバイオガスが拡散すると、負の現象が連鎖的に発生します。その蓄積により、固形廃棄物集積所の近くにある家屋や構造物に爆発や火災の危険な状態が生じる可能性があります。閉鎖空間にバイオガスが蓄積することは、毒性学的観点からも危険です。ディープエンジニアリングコミュニケーションの維持中に、中毒の多くの事例が記録されています。バイオガスは植物層にも悪影響を及ぼします（根系を「窒息」させます）。これらすべては、大気中への排出と戦う必要性を示しています。これを実現する主な方法は、バイオガスの収集と利用です。

埋め立て地でのバイオガスの収集/生産のための技術

最も一般的なバイオガス収集システムは、水平パイプで接続された垂直井戸のネットワークで構成されます。直径0,6〜1,2 mの垂直井戸の中央に、直径12〜25 mmの穴が開けられた直径3〜6 cmのプラスチックパイプが設置されます。井戸の深さは少なくとも 7 m で、MSW 層の厚さの 50 ～ 90% に相当します。穴の開いたプラスチックパイプの周囲の井戸の容積は砂利または小石で満たされています。井戸の上部 (上端から約 0,5 m) は、大気中へのバイオガスの放出を排除するために、コンクリートまたは粘土で固められています。井戸の範囲は平均 30 ～ 35 メートルで、埋め立て地 2,5 ヘクタールあたりの井戸の平均数は 1 個です。ガス排水システムの建設は、埋立地の運用終了後に埋め立て地全体で行うことも、埋め立て時の別のエリアで行うこともできます。バイオガスの生成、収集、利用の概略図を図に示します。

バイオガスの利用・利用技術

バイオガスの利用には主に 3 つの方法があります。XNUMX つは生産現場で熱を生成するために使用する方法、もう XNUMX つは発電して電力網に販売する方法です。通常、埋め立て地から半径 XNUMX km 以内でバイオガスを直接使用するのが、最もコスト効率の高い使用方法です。

このガスは、地域暖房ネットワークのボイラーやさまざまな産業消費者（セメント生産、ガラス生産、レンガ乾燥）の燃料として使用できます。消費者が 3 km を超えると、収益性が低下します。

ウクライナにおけるバイオガスの生産および利用技術開発の実現可能性調査と展望

ウクライナの都市だけでも年間約 40 万立方メートルの都市廃棄物が発生しています。この量の 3% 以上が収集され、都市から 90 ～ 655 km 離れた 10 か所の埋立地に除去されます。ウクライナの20以上の埋立地には、地下水や大気汚染に対する基本的な保護手段が備わっていない。約 500 の埋立地は、バイオガスの抽出と使用に適していると考えられる MSW 埋立地です。 140 の埋立地のうち 140 は非常に大規模で、ウクライナの全固形廃棄物の 90% が含まれています。ガス生産にとって最も収益性が高いのは、これらの埋め立て地です。これら30カ所の最終処分場にバイオガス回収・利用システムを導入すると、二酸化炭素排出量が年間90万トン削減される。

ウクライナ国内市場の電力料金はかなり低いため、埋立地近くにある産業企業のニーズに合わせてバイオガスを使用するのが最も費用対効果が高くなります。それが不可能な場合は、ネットワーク内で発電するのが合理的です。この場合、1および1,6 MW（ハリコフのマリシェフにちなんで名付けられたGPプラント）または0,40,8 MW（ペルボマイスクのペルボマイスクディゼルマッシュ）の容量を持つウクライナ製の内燃機関をベースにした発電所を使用できます。

表は、1,6万トンの固形廃棄物が埋蔵されているルガンスク埋立地での発電用にバイオガスを抽出して使用するプロジェクトの実現可能性調査を示しています。 Pervomaiskdieselmash 製エンジンと米国製 Caterpillar エンジンを搭載し、バイオガスで動作する、容量 2 MW の小型発電所用の 5 つのバリエーションの機器を検討します。計算には、廃棄物 3 トンあたり 20 mXNUMX の年間バイオガス発生量や、プラントの寿命 - XNUMX 年などのパラメーターが使用されました。

埋め立て地からのバイオガス

どちらの場合の電力コストも、ウクライナの電力卸売コスト (0,021 kWh あたり 1 ドル) よりも低くなります。

上記の経済計算には、このプロジェクトによって削減された炭素排出量を「販売」する可能性は考慮されていません。削減された温室効果ガス排出量は4,5トン当たり9～1ユーロの価格で「買い取り」されるため、バイオエネルギープロジェクトの経済性は大幅に向上する可能性がある。

ウクライナにおけるバイオガスの生産および使用技術の普及の最初のステップは、少なくともXNUMXつの実証プロジェクトの実施であり、その目的は、そのような技術を使用する技術的能力、経済的および技術的実現可能性を示すことです。

結論：

1. 現在、世界のほとんどの国では、固形廃棄物を埋め立て地や埋め立て地に処分することが中和の主な方法となっています。

2. 埋め立て地におけるメタンの排出は、大気中への総排出量の 6 ～ 18% と推定されています。メタンの排出を削減する最も効果的な方法は、メタンを回収して利用することです。

3. ほとんどの国におけるバイオガスのエネルギー潜在力は、エネルギー消費量の約 1% です。

4. ほとんどの国で、バイオガスの生産と使用が増加しています。

5. バイオガスの抽出と使用のプロジェクトは、特に近くに産業用ガスの消費者がいる場合、非常に費用対効果が高くなります。

6. バイオガスの抽出と使用のための技術の導入は、環境と経済の両方の観点から、ウクライナにおいて非常に有望である。

7. ウクライナにおけるバイオガスの生産と利用のための少なくとも XNUMX つの実証プロジェクトに、国家予算または生態省の予算から資金を提供することは理にかなっています。

著者: G. Geletukha、K. Kopeikin、ウクライナ国立科学アカデミー技術熱物理研究所、科学技術センター「バイオマス」

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