BADANIA SKŁADU I ZASOBNOŚCI GAZOWEJ ZŁOŻA ODPADÓW NA SKŁADOWISKU ODPADÓW KOMUNALNYCH W JAROCINIE

Transkrypt

1 BADANIA SKŁADU I ZASOBNOŚCI GAZOWEJ ZŁOŻA ODPADÓW NA SKŁADOWISKU ODPADÓW KOMUNALNYCH W JAROCINIE Imię i nazwisko Podpis Autorzy Inż. Wsiewołod Stegliński Mgr inż. Rafał Kacprzak Konsultant-Weryfikator: Mgr inż. Grzegorz Banasiak Zatwierdził: Dyrektor mgr inż. Jarosław Stasiński Łódź, listopad 2010

2 SPIS TREŚCI 1. Dane ogólne Zleceniodawca Cel pracy Zakres badań Data i miejsce wykonania badań Podstawowe dane o składowisku Badania próbnego pompowania gazu Metodyka badań Schemat sytuacyjny rozmieszczenia punktów pomiarowych Parametry aparatury pomiarowej Wzory do przeliczeń parametrów gazu Wyniki badań Warunki przeprowadzenia badań Pomiary statyczne Pomiary dynamiczne przy pompowaniu gazu Analiza wyników Dokładność pomiarów Omówienie wyników badań Prognoza zasobności gazowej Oszacowanie możliwości produkcji energii cieplnej i elektrycznej Wytyczne neutralizacji i zagospodarowania gazu Wnioski Źródła Fotografie. 19 2

3 1. DANE OGÓLNE 1.1. Zleceniodawca Pracę wykonano na podstawie Umowy nr 9. zawartej 18 października 2010 roku przez OBREM z firmą progeo Sp. z o.o., Al. Armii Krajowej 45, Wrocław Cel pracy. Celem pracy było zbadanie parametrów gazu na składowisku odpadów komunalnych w Jarocinie metodą próbnego pompowania Zakres badań. Badania obejmowały określenie składu i wydajności gazu składowiskowego podczas pomiarów statycznych oraz dynamicznych. Ponadto w opracowaniu przedstawiono prognozę zasobności gazowej oraz podano wytyczne dla zagospodarowania gazu składowiskowego Data i miejsce wykonania badań. Badania wykonano w dniach października 2010 r. na składowisku w Jarocinie Podstawowe dane o składowisku. Podstawowe parametry techniczne składowiska przedstawiono w tablicy 1. Tablica 1. Parametry techniczne składowiska (na podstawie danych ZGO w Jarocinie). Lp Parametr Dane Początek składowania 1998 r. 2 Planowane zamknięcie składowiska 2011 r. 3 Powierzchnia eksploatacyjna [ha] 2,15 4 Średnia głębokość składowania [m] 8 5 Zagęszczanie odpadów kompaktor 6 Studnie odgazowujące 9 studni podciąganych o średnicy 1000 mm i jedna nowa wykonana przez progeo Tablica 2. Ilość zdeponowanych odpadów komunalnych Rok Ilość składowanych odpadów [Mg] (I półrocze)

4 2. BADANIA PRÓBNEGO POMPOWANIA GAZU 2.1. Metodyka badań Badania zasobności gazowej przeprowadzono wykorzystując mobilne stanowisko do próbnego pompowania gazu ze złoża składowiskowego. Mobilne stanowisko składa się ze specjalnej ssawy gazowej, układu pomiarowego i pochodni gazowej. Schemat pomiarowy przedstawiono na rys. 1. Stanowisko badawcze Gaz pobierany był przewodem DN50 ze studni połączonych za pomocą specjalnych głowic i rurociągów z ssawą i układem pomiarowym zamontowanym na przyczepie transportowej. Gaz z układu pomiarowego był tłoczony przez ssawę do pochodni. Stoisko posiada dwa układy pomiarowe: jeden związany z funkcjonowaniem samego stoiska oraz drugi dla pomiarów badanego gazu. W czasie aktywnego odsysania gazu z ujęcia mierzone były w ustalonych odstępach czasowych następujące parametry biogazu: - w odcinku pomiarowym skład gazu CH 4, CO 2, O 2, prędkość przepływu; temperatura przed ssawą; ciśnienie przed ssawą; temperatura za ssawą; ciśnienie za ssawą; - na wylocie ze studni skład gazu CH 4, CO 2, O 2 ; ciśnienie atmosferyczne; temperatura otoczenia. 4

5 5

6 2.2. Schemat sytuacyjny rozmieszczenia punktów pomiarowych Schemat sytuacyjny rozmieszczenia punktów pomiarowych na badanym składowisku przedstawiono na rys Parametry aparatury pomiarowej. Do przeprowadzenia badań użyto następującą aparaturę badawczą: - ssawa promieniowa typ MPA 50 S prod. Venture Industries wydajność max. 60 m 3 /h; maksymalny spręż przy wydajności do 60m 3 /h, 2000 Pa; moc silnika 0,55 kw; napięcie zasilania 220V, 50Hz (z agregatu spalinowego 4,5kW); - pochodnia gazowa typ OBREM SN 60 wydajność max. 60m 3 /h; moc cieplna 300kW; temperatura spalania biogazu o C; - odcinek pomiarowy o średnicy wewnętrznej 46,4mm PCV - analizator gazu: typ Gas Analyser GA2000 firmy Geotechnical Instruments, Wielka Brytania, mierzący skład, ciśnienie i samowypływ. Dokładność dla zakresów pomiarowych: 0-5% CH 4 +/- 0,5% CO 2 +/- 0,5% O 2 +/- 1% 5-15% CH 4 +/- 1% CO 2 +/- 1% O 2 +/- 1% % CH 4 +/- 3% CO 2 +/- 3% O 2 +/- 1% 6

7 7

8 - ciśnienie ssania i tłoczenia biogazu: manometr U rurkowy szklany z cieczą pomiarową H 2 O, dokładność +/- 1m H 2 O (10 Pa); - temperatura gazu w odcinku pomiarowym: miernik temperatury AR 507 z czujnikiem Pt-100, dokładność +/- 0,1 o C; - prędkość przepływu gazu: anemometr skrzydełkowy z sondą φ16, dokładność +/-1%, prędkość startu 0,5 m/s, rozdzielczość 0,01m/s, producent PAN, IMG Kraków, typ µas; - temperatura otoczenia: termometr elektroniczny +/- 0,1 o C Wzory do przeliczeń parametrów biogazu. Gaz ze złoża składowiskowego jest mieszaniną metanu i dwutlenku węgla oraz może zawierać tlen i azot oraz kilkaset różnych gazów resztkowych w śladowych ilościach. Są to głównie związki węgla, siarki i chloru. Gęstość biogazu przy zawartości CH 4 powyżej 54% jest niższa od gęstości powietrza (1,293kg/m 3 w warunkach normalnych)., a przy zawartości poniżej 54% wyższa. Właściwość ta ma istotny wpływ na emisję gazu ze złoża. Dla przeliczeń objętości gazu wilgotnego przy parametrach mierzonych na gaz suchy w warunkach normalnych (t=273 K, p=1013hpa) stosowano wzór: gdzie: V o = V t 273 Pat Pg Ps + t ( ) [m 3 /h] V o - strumień objętości biogazu suchego w warunkach normalnych m 3 /h; V t - strumień objętości gazu w warunkach mierzonych; t - temperatura gazu w o C; P at - ciśnienie atmosferyczne, hpa; P g - ciśnienie gazu, hpa; P s - ciśnienie nasycenia H 2 O w temp. t, hpa. Dla przeliczeń mierzonej prędkości gazu na strumień objętości stosowano wzór: gdzie: V = A v 3600 [m 3 /h] V - strumień objętości gazu, m 3 /h; A - pole przekroju rurociągu w miejscu pomiaru, m 2 ; v - prędkość przepływu gazu, m/s. 8

9 W miejscu pomiaru średnica rurociągu wynosiła D=46,4 +/- 0,05 mm, co daje A = 0,00113 m 2 zatem: V = ,00169 v = 4, 068 v [m 3 /h] 2.5. Wyniki badań Warunki przeprowadzenia badań Badania wykonano w dniach października 2010 roku. W czasie badań temperatura powietrza wahała się od 4,8 do 9,9 C, ciśnienie atmosferyczne od 1009 do 1019 hpa, pogoda słoneczna Pomiary statyczne Pomiary statyczne przeprowadzono przy swobodnym wypływie gazu z 3 starych studni gazowych (nr 2, 3 i 5) i z nowej, wywierconej przez firmę progeo (nr 10). Pomiary wykonano w miejscach zaznaczonych na rys. 2. Wyniki pomiarów statycznych przedstawiono w tablicy 3. Tablica 3. Charakterystyka studni i parametry gazu przy swobodnym wypływie ze studni gazowych. Nr Zawartość składnika gazowego Temp. Ciśnienie Głębokość Poziom w % obj. powietrza atm studni odcieku studni CH4 CO2 O2 N2 C hpa m ppt m ppt ,5 20,9 8,5 39,1 6, ,5 17,5 12,1 48,9 9, ,3 21,6 8,9 40,2 6, ,9 39,0 0,0 0,1 5, ,5 6, Pomiary dynamiczne przy pompowaniu gazu Pompowanie gazu przeprowadzono indywidualnie dla każdej z czterech studni oraz z trzech studni (2, 5 i 10) połączonych równolegle. Średnie wyniki pomiarów składu, wydajności i parametrów termodynamicznych gazu przedstawiono w tablicy 4. 9

10 Tablica 4. Średnie parametry gazu przy próbnym pompowaniu. Nr studni Czas pompo -wania h Ciśn. ssania mm H 2 O Ciśn. tłocz. mm H 2 O Wydajność m 3 /h Temp. gazu na ssan C Temp. gazu na tłocz. C Temp pow. C Skład gazu w % obj. CH 4 CO 2 O Ciśn. atm ~ 5 12,2 16,6 7,7 32,5 24,6 8, ~ 5 14,9 21,3 9,9 19,8 15,2 12, ~ 5 7,5 19,1 6,2 32,4 24,8 8, ~ 6 4,7 16,8 5,1 59,9 39,2 0, , 5, ~ 12 7,7 17,8 7,2 48,5 35,8 2, hpa % obj. Rys. 3. Zawartość CH 4, CO 2 i O 2 w gazie w czasie jednoczesnego pompowania ze studni 2, 5, 10 na składowiska w Jarocinie :00 07:30 08:00 08:30 09:00 09:30 10:00 10:30 11:00 Czas CH4 CO2 O Analiza wyników Dokładność pomiarów Skład biogazu Pomiary składu były przeprowadzane w zakresie pomiarowym analizatora 0 100%. Dokładność pomiaru dla tego zakresu wynosiła +/- 3% mierzonej wartości. Wydajność Wydajność gazu mierzono w odcinku pomiarowym za pomocą anemometru w m/s, a następnie przeliczano na m 3 /h. Błąd pomiaru nie przekraczał +/- 0,5 m 3 /h. 10

11 Omówienie wyników badań Na obszarze składowiska do badań wykorzystano trzy stare studnie i jedną nową. W pierwszej kolejności wykonano pomiary statyczne określając parametry gazu przy swobodnym wypływie z każdej z tych studni. Zawartość metanu wyniosła od 21,5 do 60,9 %. Sondowanie nowej studni wykazało zaleganie odcieku na poziomie 6 m ppt. Średni skład gazu z badanych studni przy swobodnym wypływie wynosił: - CH 4 35,8% - CO 2 24,8% - O 2-7,4% Następnie przeprowadzono próbne pompowania gazu indywidualnie dla każdej studni, podłączając stanowisko pomiarowe ze studnią oraz z połączonych równolegle 3 studni. Pompowanie gazu prowadzono aż do osiągnięcia stałej zawartości metanu. Indywidualne pompowanie gazu ze studni trwało po 2 godziny. Zawartość metanu w trakcie pompowania z średnią wydajnością 5-6 m 3 /h wyniosła od 19,8 do 59,9 %. Kolejne pompowanie, trwające 4 godziny z wydajnością 12 m 3 /h, wykonano z połączonych równolegle studni 2, 5 i 10. Zawartość metanu wyniosła 48,5%. Średni skład gazu składowiskowego na badanym składowisku wynosił: CH 4 48,5% CO 2 35,8% O 2-2,8% 3. PROGNOZA ZASOBNOŚCI GAZOWEJ Prognoza zasobności gazowej dotyczy badanego składowiska, gdzie aktualnie średnia zawartość metanu w gazie składowiskowym wynosiła 48,5%. Prognozę zasobności gazowej sporządzono stosując wzór Rettenbergera / Tabasarana. G t = 1,868 Corg ( 0,014 T + 0,28 ) ( k t ) gdzie: G t - zbiorcza produkcja gazu w czasie t [m 3 / t MSW] C org - zawartość węgla organicznego w odpadach [kg / t] T - temperatura [ o C] k - stopień rozkładu t - czas [rok] 11

12 Założenia: - początek składowania 1998 r. - roczne raty składowanych odpadów tablica 2 - okres uznany za bezmetanowy 1 rok - temperatura fermentacji 30 C - zawartość węgla w części organicznej 200kg/Mg - zawartość części organicznych 30 % - współczynnik rozkładu odpadów k= 0,045 Teoretyczna produkcja gazu na składowisku będzie przebiegała zgodnie z danymi przedstawionymi w tablicy 5 oraz na rys. 4 i 5. Tablica 5. Teoretyczna produkcja gazu. Lata Rok Skumulowana ilość gazu składowiskowego m 3 m 3 /h , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,2 12

13 , , , , , , , , ,3 Rys. 4. Teoretyczna produkcja gazu na składowisku w Jarocinie m Lata Rys. 5. Teoretyczna jednostkowa produkcja gazu na składowisku w Jarocinie m3/h Lata 13

14 4. OSZACOWANIE MOŻLIWOŚCI PRODUKCJI ENERGII CIEPLNEJ I ELEKTRYCZNEJ Obliczenie możliwości pozyskania gazu składowiskowego i energii przeprowadzono przy następujących założeniach: 1) ilość wyprodukowanego gazu nie jest równoznaczna z możliwością jego pozyskania przyjęto współczynnik korygujący 0,65, 2) pozyskany gaz nie może być wykorzystany w całości do produkcji energii cieplnej i elektrycznej przyjęto współczynnik przetwarzania gazu na energię cieplną 0,7 i elektryczną 0,3. Wyniki obliczeń zestawiono w tablicy 6 i przedstawiono graficznie na rys Tablica 6. Skorygowana ilość gazu składowiskowego oraz prognozowana użyteczna moc cieplna i elektryczna gazu na składowisku w Jarocinie Lata Rok Prognozowana moc użyteczna Skorygowana ilość gazu cieplna elektryczna m 3 m 3 /h kw kw ,0 0 0, ,7 33 9, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,9 14

15 , , , , , , , , , , , , , , , , ,7 32 9, ,0 29 8, ,4 26 7,6 Rys. 6. Skorygowana (możliwa do pozyskania) ilość gazu na składowisku w Jarocinie m Lata Rys. 7. Skorygowana (możliwa do pozyskania) jednostkowa ilość gazu na składowisku w Jarocinie m3/h Lata 15

16 Rys. 8. Prognozowana moc cieplna z gazu na skladowisku w Jarocinie Moc cieplna kw Lata Rys. 9. Prognozowana moc elektryczna agregatu do przetwarzania gazu na składowisku w Jarocinie Moc elektryczna agregatu kw Lata Z przedstawionego szacunku prognostycznego zasobności gazowej oraz przeprowadzonego pompowania gazu wynika, że bieżąca produkcja biogazu wynosi około53m 3 /h, co przy zawartości metanu na poziomie 48,5% może zapewnić uzyskanie 257 kw mocy cieplnej albo 75 kw mocy elektrycznej. W przypadku eksploatacji badanej kwatery do końca 2011 roku (zgodnie z założeniami), przy założeniu, że rocznie będą składowane podobne ilości odpadów (ok Mg), zasobność gazowa w roku 2012 powinna wynieść 57 m 3 /h, co przy zawartości metanu na poziomie 48,5% może zapewnić uzyskanie 274 kw mocy cieplnej albo 80 kw mocy elektrycznej. Należy jednak zauważyć, że przy zawartości metanu na poziomie 55%, czego można oczekiwać w przypadku właściwie wykonanych studni, moc cieplna może wynieść 311 kw, a moc elektryczna 103 kw. 16

17 5. WYTYCZNE NEUTRALIZACJI I ZAGOSPODAROWANIA GAZU Przeciwdziałanie emisji szkodliwych związków organicznych i nieorganicznych, powstających w trakcie procesów fermentacyjnych w złożu odpadów na składowisku jest prawnym obowiązkiem każdej jednostki organizacyjnej. Postępowanie z biogazem regulują następujące podstawowe normatywy prawne: - Ustawa Prawo ochrony środowiska (art. 82), - Ustawa o odpadach, - Dyrektywy Unii Europejskiej (Dyrektywa Rady 1999/31/EC), - podpisana przez Polskę Konwencja Klimatyczna z Kioto, oraz: - Zalecenia do budowy i eksploatacji instalacji do wydobywania i wykorzystywania biogazu z wysypisk wydane przez Urząd Mieszkalnictwa i Rozwoju Miast. Przedmiotowe postanowienia można streścić następująco: a) akumulacja i migracja gazu składowiskowego winny być kontrolowane, b) gaz składowiskowy ze składowisk przyjmujących odpady biodegradowalne powinien być ujęty, poddany obróbce i zużyty. Jeżeli zgromadzony gaz nie nadaje się do celów produkcji energii to musi być spalony, c) gromadzenie, obróbka i wykorzystywanie gazu powinno być prowadzone w sposób minimalizujący szkody dla środowiska i zdrowia ludzkiego. W konkretnym przypadku tego składowiska występują warunki emisji biogazowej wymagające ujęcia gazu i neutralizacji metodą termiczną. Na obszarze tym zaleca się wykonanie instalacji aktywnego odgazowania z zastosowaniem ssawy z utylizacją biogazu w silniku gazowym lub pochodni gazowej. 17

18 6. WNIOSKI 1. Na badanym składowisku zachodzi proces fermentacji metanowej. Próbne pompowanie gazu oraz obliczenia teoretyczne wskazują, że aktualna emisja biogazu wynosi około 53 m 3 /h z zawartością średnią metanu 48,5%, co w przeliczeniu na moc cieplną daje 257 kw, a moc elektryczną 75 kw. 2. Składowisko wymaga wykonania instalacji aktywnego odgazowania z zastosowaniem ssawy z utylizacją biogazu w silniku gazowym lub w pochodni gazowej. 3. W 2012 roku, po zakończeniu składowania odpadów do końca 2011 roku i wykonaniu nowych studni gazowych, jak studnię nr 10, będzie można się spodziewać zawartości metanu na poziomie 55%, co może zapewnić uzyskanie 311 kw mocy cieplnej albo 103 kw mocy elektrycznej. ŹRÓDŁA 1. Landfill Gas. From Envirinment to Energy. Office fir Official Publications of the European Communites. Luksemburg Opęchowski S.: Gaz z wysypisk komunalnych. Ministerstwo Gospodarki Przestrzennej i Budownictwa / OBREM, Warszawa / Łódź Rettenbeger G.: Betriebwebsleiterhandbuch deponiegas, RUK, Stuttgart Obrzut L.: Metodyka badań gazu wysypiskowego. Instrukcja. Urząd Mieszkalnictwa i Rozwoju Miast / OBREM, Warszawa / Łódź Banasiak G., Nowakowski S.: Zalecenia do budowy i eksploatacji instalacji do wydobywania i wykorzystania biogazu z wysypisk. Urząd Mieszkalnictwa i Rozwoju Miast / OBREM, Warszawa / Łódź Ustawa Prawo ochrony środowiska 7. Ustawa o odpadach 8. Dyrektywy Unii Europejskiej 18