Система утилізації біогазу та тепла з масиву полігону твердих побутових відходів

1 Система утилізації бюгазу та тепла з масиву полігону твердих побутових ВІДХОДІВ, яка включає перфорований дегазатор-газохід з отворами, встановлений в обсаджену свердловину, що пробурена в масив, та порожнина якого підключена до системи дегазації масиву з магістральним газопроводом, вакуум-помпою та утилізатором бюгазу, наприклад, електричним газогенератором контейнерного типу та/або водонагрівним котлом, а також теплопомпову систему теплохолодопостачан ня з помпою тепла, що підключена до труб замкнутого теплообмінника, встановленого в масив, помпою для вимушеної циркуляції теплоносія по трубах теплообмінника, крім того, вітровий генератор електричного струму, електромережа якого та електромережа електричного газогенератора прокладені в тому числі до дегазаційної та теплопомпової систем, яка відрізняється тим, що труба теплообмінника прикріплена до газоходу та виконана спіральною, витки труби прикріплені між отворами на дегазаторі-газоході, причому низхідна частина труби прикріплена всередині газоходу, а висхідна - на його ЗОВНІШНІЙ поверхні 2 Система за п 1, яка відрізняється тим, що система виконана з плоским, горизонтальним розміщенням дегазатора-теплообмінника у вигляді колектора труб 3 Система за пп 1, 2, яка відрізняється тим, що порожнина висхідної частини труби теплообмінника сполучена з системами подачі води до водонагрівного котла та/або до системи сонячної установки гарячого водопостачання Винахід стосується систем утилізації енергії масивів, здатних до самозапалювання, та може бути використаний при утилізації бюгазу та тепла з масиву полігону твердих побутових ВІДХОДІВ (ТПВ), а також вугільних териконів, торф'яних покладів, тощо Відомою Є система [1] утилізації тепла і газу від спалювання подрібненої породи, що містить горючі компоненти Система включає свердловину, пробурену в масив вугільного терикону і підключену до вакуум-помпи, перфорований газохід та замкнутий теплообмінник з пароутворювачем, які встановлені в свердловину для інтенсивного теплообміну між водою та гарячим газом, що утворюється при горінні вуглистих порід терикону Недоліком відомої системи є мала ефективність при проведенні процесів утилізації низькотемпературного бюгазу та тепла масиву полігону твердих побутових ВІДХОДІВ При допомозі відомої системи передбачається свердловинна утилізація теплоти тільки гарячих газів, що утворюються під час горіння терикону, без утилізації теплоти масиву Найближчим за технічною суттю до системи, що заявляється, є відома система утилізації бюгазу та низькопотенційного тепла масиву полігону твердих побутових ВІДХОДІВ, яка обрана за прототип [2], і описана в способі формування полігону твердих побутових ВІДХОДІВ та має наступні ознаки, СПІЛЬНІ з ознаками пропонованого технічного рішення, а саме наявність перфорованого трубного дегазатора-газохода з отворами, встановленого в обсаджену свердловину, що пробурена в масив полігону ТПВ, підключення порожнини дегазатора-газохода до системи дегазації масиву магістрального газопроводу, вакуум-помпи та утилізаторів бюгазу електричного газогенератора контейнерного типу та/або водонагрівного котла, 00 ю 58244 наявність теплопомпової системи теплохолодопостачання з помпою тепла, що підключена до труб теплообмінника, помпою для вимушеної циркуляції теплоносія по трубах теплообмінника, встановлення труб теплообмінника в масив полігону ТПВ, наявність вітрового електрогенератора, електромережа якого та електромережа електричного газогенератора прокладені, в тому числі, до дегазаційної та теплопомпової систем Недоліком даної системи є мала продуктивність, висока затратність та низька оптимізація проведення процесів збору бюгазу та утилізацій тепла з масиву ТПВ внаслідок роздільного буріння дегазаційних свердловин та закладки теплообмінних пристроїв в різних місцях масиву, тобто при використанні даної системи не враховується сприятливий фактор максимального утворення бюгазу в тій частині товщі масиву ТПВ, де накопичується максимальна теплота, внаслідок анаеробного розкладу органічних ВІДХОДІВ В основу винаходу поставлено задачу підвищити продуктивність роботи системи та оптимізувати процеси вилучення бюгазу та утилізацій тепла масиву полігону ТПВ шляхом одночасного проведення вищеназваних процесів однією свердловиною (або сіткою аналогічно облаштованих свердловин, або у вигляді колектора труб), уникаючи роздільного буріння дегазаційних свердловин та закладку теплообмінних колекторів в різних місцях масиву ВІДХОДІВ Поставлена задача вирішується тим, що в системі утилізації бюгазу та низькопотенційного тепла масиву полігону твердих побутових ВІДХОДІВ, яка включає перфорований трубний дегазаторгазохід з отворами, встановлений в обсаджену свердловину, що пробурена в масив, та порожнина якого підключена до системи дегазації масиву з магістральним газопроводом, вакуум-помпою та утилізатором бюгазу, наприклад, електричним газогенератором контейнерного типу та/або водонагрівним котлом, а також теплопомпову систему теплохолодопостачання з помпою тепла, що підключена до труб замкнутого теплообмінника, встановленого в масив, помпою для вимушеної циркуляції теплоносія по трубах теплообмінника, крім того, вітровий генератор електричного струму, електромережа якого та електромережа електричного газогенератора прокладені, в тому числі, до дегазаційної та теплопомпової систем в новому технічному рішенні труба теплообмінника прикріплена до газоходу та виконана спіральною, витки труби прикріплені між отворами на дегазаторігазоході, причому низхідна частина труби прикріплена всередині газоходу, а висхідна - на його ЗОВНІШНІЙ поверхні Крім того, в новому технічному рішенні система виконана з плоским, горизонтальним розміщенням дегазатора-теплообмінника у вигляді колектора труб Крім того, в новому технічному рішенні порожнина висхідної частини труби теплообмінника сполучена з системами подачі води до водонагрівного котла та/або до системи сонячної установки гарячого водопостачання В джерелах патентної та технічної інформації не виявлено нових ознак, що заявляються, а саме прикріплення труби теплообмінника до дегазатора-газоходу та виконання її спіральною, прикріплення низхідної частини труби теплообмінника, по якій подають теплоносій від випаровувача теплопомпової установки, всередині дегазатора-газоходу, прикріплення висхідної частини труби теплообмінника на ЗОВНІШНІЙ поверхні дегазаторагазоходу, прикріплення витків труби (як низхідних, так і висхідних) МІЖ отворами на дегазаторі-газоході, крім того, виконання системи дегазаторатеплообмінника з плоским, горизонтальним розміщенням, у вигляді колектора труб крім того, сполучення порожнини висхідної частини спіральної труби теплообмінника масиву полігону ТПВ з системами подачі води до водонагрівного котла та/або до системи сонячної установки гарячого водопостачання Отже, можна стверджувати, що система збору і утилізації бюгазу та низькопотенційного тепла масиву полігону твердих побутових ВІДХОДІВ відповідає критерію "новизна" Причинно-наслідковий зв'язок між відрізняючими ознаками винаходу і технічним результатом, який буде досягнуто, полягає втому, що прикріплення труби теплообмінника до дегазатора-газоходу та виконання и спіральною дозволяє оптимізувати роботу системи та врахувати фактор максимального утворення бюгазу в тій частині товщі масиву ТПВ, де накопичується максимальна теплота, внаслідок анаеробного розкладу органічних ВІДХОДІВ Крім того, при використанні пропонованої системи зникають витрати на роздільне встановлення в різних місцях товщі масиву ТПВ дегазаційної та теплообмінної систем, прикріплення низхідної частини труби теплообмінника всередині газоходу, по якій подають теплоносій від випаровувача теплопомпової установки призводить до поступового підігріву теплоносія, оскільки температура всередині дегазаторагазоходу є нижчою, за температуру масиву, з яким контактує його зовнішня поверхня та з якого утилізують тепло, прикріплення висхідної частини труби теплообмінника на ЗОВНІШНІЙ поверхні дегазаторагазоходу сприяє и максимальному контакту з масивом, з яким проводять теплообмін Таке виконання пропонованої конструкції дозволяє вивести теплоносій на поверхню з максимальною температурою, прикріплення витків труби теплообмінника (як низхідних, так і висхідних) між отворами на дегазаторі-газоході не перешкоджає проникненню бюгазу в його порожнину, крім того, виконання системи дегазаторатеплообмінника з плоским, горизонтальним розміщенням, у вигляді колектора труб дозволяє охопити більшу площу масиву для дегазації та утилізації тепла, що підвищує коефіцієнт корисної дії системи, крім того, сполучення порожнини висхідної частини спіральної труби теплообмінника масиву полігону ТПВ з системами подачі води до водонагрівного котла та/або до системи сонячної устано 58244 вки гарячого водопостачання також підвищує коефіцієнт корисної дії системи Таким чином, відрізняючі ознаки пропонованої системи та характерне їх розміщення надають їй нових властивостей, а саме оптимізують проведення процесів збору біогазу, утилізації тепла одночасно в найбільш оптимальній для цього ДІЛЬНИЦІ масиву полігону твердих побутових ВІДХОДІВ, підвищують продуктивність та ефективність системи, отже, відповідають критерію "суттєві ознаки" Техніко-економічні переваги технічного рішення полягають в тому, що при використанні нової системи утилізації біогазу та тепла масиву полігону твердих побутових ВІДХОДІВ зникають витрати на проведення додаткових бурильних робіт зі збору та вилученню біогазу та тепла масиву, а також підвищується рентабельність процесу На кресленні показана частина масиву полігону ТПВ з системою утилізації біогазу та тепла масиву полігону ТПВ (розріз та блок-схема) Система утилізації біогазу та тепла з масиву полігону твердих побутових ВІДХОДІВ включає перфорований трубний дегазатор-газохід 1 виконаний з отворами 2, та який встановлений в одну із свердловин, пробурених в товщу масиву 3 полігону ТПВ за наперед визначеною сіткою буріння До зовнішньої поверхні газохода 1 та між його отворами 2 прикріплена спіральна низхідна 4 частина труби замкнутого теплообмінника, яка в нижній частині газохода 1 нерозривно переходить в його порожнину, починаючи утворювати висхідну 5 частину труби теплообмінника На горловині обидві частини труби виходять з дегазатора-газоходу 1, який зверху герметично закритий кришкою 6 Газохід 1 обсаджений у свердловині крупнокусковим матеріалом 7, наприклад, гравієм, а в приповерхневому шарі масиву 3 - цементним кільцем 8 Зверху масив 3 ВІДХОДІВ засипано шаром 9 глини, на який покладено родючий ґрунт 10 Обидва КІНЦІ дегазатора-газохода 1 підключені до трубопроводів, що сполучені з ВІДПОВІДНИМИ кінцями випаровувача 11 теплопомпової установки (ТПУ) 12, яку під'єднано до водонагрівного котла 13 та/або сонячної установки 14 для виробництва гарячої води Трубопроводи гарячої води від котла 13 та сонячної установки 14 підключені до споживача 15, наприклад, тепличного комплексу Теплообмінна система включає також помпу 16 для вимушеної циркуляції теплоносія та вітрогенератор 17 для електричного живлення переважно теплової помпи 12 Дегазаційна система масиву 3, крім вищеописаної конструкції дегазатора-газоходу 1, включає також послідовно підключені до його порожнини вакуум-помпу 18, установку 19 для сушіння та очищення біогазу, електростанцію 20 контейнерного типу з газоелектрогенератором При цьому технологічні комунікації дегазаційної системи підключені також до водонагрівного котла 13 Електростанцію 20 використовують частково для живлення всіх необхідних агрегатів всієї системи утилізації біогазу та тепла масиву 3 полігону ТПВ Система утилізації біогазу та тепла з масиву полігону твердих побутових ВІДХОДІВ працює наступним чином Приклад 1 Після облаштування системи на території полігону ТПВ проводять одночасно процеси дегазації та утилізації тепла масиву 3 ВІДХОДІВ, що засипаний шаром 9 глини, та рекультивований родючим ґрунтом 10 Вакуум - помпою 18 створюють депресію в товщі масиву 3, звідки бюгаз через отвори 2 в дегазаторі-газоході 1 поступає спочатку в його порожнину, а далі в установку 19 для сушіння та очищення біогазу від шкідливих домішок Виконання дегазатора-газохода 1 з кришкою 6 та обцементування свердловини в приповерхневому шарі кільцем 8 забезпечують належну герметизацію та запобігають проникненню атмосферного повітря в порожнину газохода 1 Цим уникають розбавлення енергетичного цільового газу повітрям, тобто не зменшують його теплоту згорання, а також - утворення в порожнині газохода 1 вибухонебезпечної суміші метану (що присутній в складі біогазу) з повітрям Очищений бюгаз подають в електростанцію 20 контейнерного типу, де при допомозі газогенератора виробляють електроенергію, яку подають в мережу або направляють частково для живлення всієї системи Отриманий бюгаз подають безпосередньо споживачу 15 або направляють для спалювання у водонагрівному котлі 13 для отримання гарячої води Одночасно з вилученням енергетичного біогазу проводять утилізацію тепла масиву 3 полігону ТПВ, температура в товщі якого складає близько 30°С-45°С за рахунок накопичення теплоти, яка виділяється під дією мікроорганізмів при анаеробному розкладі органічних речовин ВІДХОДІВ ДЛЯ цього за допомогою помпи 16 для вимушеної циркуляції теплоносій подають в низхідну 4 частину спіральної труби замкнутого теплообмінника, прикріпленого до внутрішньої поверхні дегазаторагазохода 1 В порожнині останнього відбувається процес теплообміну між бюгазом, що має температуру нижчу за температуру масиву 3, та холодним теплоносієм, який в міру поступлення в нижню частину газоходу 1 підігрівається При переході теплоносія у висхідну 5 частину спіральної труби теплообмінника, яка прикріплена до зовнішньої поверхні дегазатора-газоходу 1, відбувається інтенсивний теплообмін між підігрітим в порожнині газоходу 1 теплоносієм та товщею масиву З ТПВ На виході з дегазатора-теплообмінника теплоносій направляють до випаровувача 11 теплопомпової установки 12 У випаровувачі 11 теплопомпової установки 12 низькотемпературний носій, наприклад, фреон має тиск, при якому температура кипіння його є нижчою за температуру масиву 3 полігону ТПВ Цей тиск підтримується за допомогою компресора теплопомпової установки (на кресленні не показано) Під час пароутворення теплоносій забирає тепло від масиву 3 ВІДХОДІВ, ЯКИЙ має більшу температуру та поступає в компресор, в якому пари фреону стискуються При стисканні температура і тиск теплоносія підвищуються, після чого тепло передається вторинному теплоносію, наприклад, воді, змішаній з гліколем, що циркулює за допомогою помпи 16 вимушеної циркуляції по трубах 4, 5 [3] та подається споживачу 15, наприклад, для підігріву ґрунту в теплиці, яка знаходиться непо 58244 далік від системи збору тепла Для електричного живлення ТПУ використовують також вітрогенератор 17 Для підвищення коефіцієнту корисної дії системи теплоносій догрівають до необхідної температури у водонагрівному котлі 13 При низьких температурах в товщі масиву 3, процес розкладу органіки в якому відбувся на попередніх етапах складування ВІДХОДІВ, та ВІДПОВІДНО при низьких температурах теплоносія на виході з ТПУ теплоносій догрівають в сонячній установці 14 для виробництва гарячої води Це стає особливо вигідним утому випадку, коли споживач 15 використовує невисокотемпературні теплоносії Теплопомпову установку 12 в залежності від потреб споживача 15 переводять також в режим роботи холодопостачання [2], при цьому масив З ТПВ використовують для акумуляції теплоти, утилізованої від споживача 15 Приклад 2 Систему виконують з плоским, горизонтальним розміщенням (на кресленні не показано) де газатора-газоход а 1 в приповерхневій товщі масиву 3, коли дегазатор-теплообмінник виготовляють у вигляді колектора труб за відомими схемами [4] збору низькопотенційного тепла ґрун Комп'ютерна верстка Л Ціхановська 8 ту Працює система так само, як описано в прикладі 1 Таким чином, пропоноване технічне рішення дозволяє виконати поставлену задачу за рахунок одночасного проведення процесів дегазації та утилізації тепла з однієї свердловини, уникнути роздільне буріння дегазаційних свердловин та закладку теплообмінних колекторів в різних місцях масиву 3 ВІДХОДІВ Крім того, при використанні системи покращують стан довкілля та зменшують "парниковий ефект" Література 1 А с СССР №1229222, кл C10J5/00, Е21С43/00 Опубл 07 05 1986 Бюл №17 2 Деклараційний патент України №40808, кл E21F17/16, F23G5/34 Опубл 15 08 2001 - прототип 3 Щербина О М Енергія для всіх Технічний довідник - Ужгород Видавництво В Падяка, 2000, С 80-89 4 Рекомендации по оценке эффективности систем сбора низкопотенциального тепла грунта для целей теплохладоснабжения зданий НИИСФ Госстроя СССР, 1988, С 5-8 Підписано до друку 05 08 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна