SKŁADOWANIE ODPADÓW
3. Połączenie systemu biernego z czynnym, czyli wymienione wyżej systemy występują łącznie
Zadaniem instalacji biogazowej jest odprowadzenie z wnętrza składowiska biogazu, a jej cechą charakterystyczną jest stały i kontrolowany pobór. Nowoczesna, ekologiczna instalacja biogazowa składa się z dwóch podsystemów:
pierwszy podsystem służy do odsysania gazu z wnętrza składowiska z wykorzystaniem podciśnienia,
148
drugi podsystem służy do przerobu, przesyłu i gospodarczego wykorzystania ujętego biogazu.
Oba podsystemy mogą pracować niezależnie od siebie, lecz w połączeniu tworzą system aktywnego odsysania biogazu.
Instalacja biogazowa składa się z systemu pozyskiwania biogazu, systemu do jego przesyłu i wykorzystania. Podstawowe elementy składające się na taki system to:
pionowe perforowane studnie gazowe, posadowione na betonowym fundamencie i połączone (lub niepołączonych) siecią drenaży,
studnia odwadniająca,
pochodnia biogazowa (metanowa),
kolektor zbiorczy biogazu,
kolektory przesyłowe,
stacja kontrolna,
armatura regulacyjno-odcinająca,
wymienniki ciepła
układ odprowadzania spalin,
izolacja akustyczna,
budynek wyposażenia technicznego, w którym znajduje się:
o sprężarka (tzw. ssawa gazowa), o generator prądotwórczy,
o instalacja automatyki, sterowania i kontroli,
o stacja transformatorowa z napowietrzną linią energetyczną.
Wybór optymalnego sposobu ujęcia biogazu ze składowiska zależy do wielkości składowiska, wykonanego sposobu uszczelnienia składowiska, grubości warstwy składowanych odpadów, czasu ich składowania, aktualnego stanu składowiska (użytkowane, zamknięte, rekultywowane).
Bierne odprowadzanie biogazu stanowi typowy układ wentylacyjny działający wewnątrz składowiska odpadów. Stanowi go układ rur, które tworzą sieć drenażu do odprowadzania biogazu z wnętrza składowiska na zewnątrz. Drenaż wykonany jest z kamionkowych, perforowanych rur, ułożonych w każdej izolacyjnej warstwie odpadów, które przykrywają warstwy leżące poniżej. Tworzy on sieć połączoną z systemem szybów wentylacyjnych i przegród ograniczających podziemną migrację gazu. Szyby wentylacyjne na powierzchni składowiska tworzą układ pionowych studzienek wentylacyjnych lub wychodni kominowych (rysunek 26).
149 W przypadku niewysokich składowisk (do 6 m) drenaż ujmowania biogazu układany jest na obwodzie składowiska, łącznie z pionowymi wychodniami kominowymi, którymi biogaz uchodzi bezpośrednio do atmosfery (rysunek 27).
Stosowanie w układzie biernym wychodni kominowych, którymi biogaz ulatnia się bezpośrednio do atmosfery nie należy do „czystych” ekologicznie rozwiązań.
Rysunek 26. Pochodnie metanowe oraz system odzysku metanu
Rysunek 27. Drenaż do ujmowania gazu ze złoża odpadów, ułożony w ostatniej warstwie przykrywającej (M.Żygadło, 1998; zmienione)
150 15.1. Studnie poboru biogazu
Mając na uwadze ochronę środowiska naturalnego przed emisją biogazu do atmosfery, należy wprowadzać ekologiczne rozwiązania ujmowania biogazu i jego technicznego unieszkodliwiania. Ekologicznymi rozwiązaniami kontrolowanego odsysania biogazu ze składowisk są metody wykorzystujące studzienki wentylacyjne do bezpośredniego (i wyłącznego) ujmowania biogazu, który przesyłany jest do zbiornika magazynowania biogazu.
Studzienkę wentylacyjną do poboru biogazu stanowi układ betonowych, perforowanych, pionowych kręgów o średnicy około 1,0 m (rysunek 28). Studzienki wypełnione są żwirem, zaś na zewnątrz studzienek wykonana jest obsypka żwirowa, chroniąca je przed kolmatacją.
Konstrukcja studzienki umożliwia podnoszenie jej wysokości w miarę nasypywania kolejnych warstw odpadów. Ostatni, górny, krąg przykryty jest pokrywą zaopatrzoną w króciec do ujmowania biogazu. Króciec wypełniony jest biofiltrem, który stanowi filtr ziemny, absorbujący substancje wonne z biogazu.
Ujęty biogaz można gospodarować wykorzystać, a w przypadku gdy nie ma takiej możliwości montuje się na składowisku pochodnie biogazowe. Pochodnia biogazowa jest to metanowy palnik do bezpośredniego spalania biogazu w miejscu jego ujmowania (rysunek 29). Wymieniony typ studzienek stosowany jest dla składowisk, w których dobrze zagęszczone odpady osiągają wysokość około 6 m. Układ studzienek wentylacyjnych ujmuje biogaz z górnych warstw składowiska.
Dla składowisk dobrze zagęszczonych odpadów, o wysokości powyżej 6 m, efektywnym rozwiązaniem konstrukcyjno-technicznym jest zastosowanie studzienek do jednoczesnego ujmowania gazu i odcieków. Zaletą tego systemu jest jednoczesne ujęcie biogazu oraz odcieków przy zastosowaniu jednej studzienki. Ponadto oprócz odcieków odsącza się para wodna, którą nasycony jest biogaz.
Studzienki do jednoczesnego ujmowania gazu i odcieków posadowione są na betonowym fundamencie i mogą być wykonane jako:
studzienki do wyłącznego ujmowania biogazu z otoczenia studzienki i z drenażu odcieków (rysunek 30),
studzienki do jednoczesnego ujmowania odcieków, biogazu z otoczenia studzienki i biogazu z drenażu odcieków (rysunek 31).
151
Rysunek 29. Studnia odgazowania składowiska z bezpośrednim spalaniem biogazu (St.Rymar, 1997; zmienione)
Rysunek 28 . Konstrukcja studzienki bezpośredniego ujmowania biogazu z mufową nasadką do wydłużania studzienki w miarę nadsypywania odpadów (St.Stępniak, 1997)
152 Wyposażenie studzienek do jednoczesnego ujmowania odcieków i biogazu w wodne zamknięcia umożliwia bezpośrednie odprowadzanie biogazu do instalacji biogazowej.
Zamknięcie to nie dopuszcza także do przedostawania się gazu do odcieków, w których może następować jego rozpuszczanie lub nasycanie parą wodną.
Składowiska o planowanej wysokości składowanych odpadów przekraczającej 20 m, wyposaża się w studnie biogazowe eksploatujące składowisko sukcesywnie, w toku nasypywania kolejnych 2 m warstw odpadów. W tym przypadku studnie posadawiasię na betonowym fundamencie, w miarę nasypywania odpadów dokładane są kolejne betonowe kręgi w taki sposób, aby ich górna granica sięgała ponad poziom odpadów. Kolejne warstwy odpadów izolowane są między sobą warstwą inertną (np. tłuczeń, stłuczka szklana, żużel, odpad powęglowy), czyli warstwą nie oddziałującą z masą, którą przykrywają.
W celu podniesienia wydajności studzienek odgazowujących składowisko, pionowe studnie biogazowe łączy się w tak zwany układ kombinowany przy pomocy poziomego drenażu (rysunek 32). Odstępy pomiędzy pojedynczymi studzienkami zachowuje się około 30 m, przy zapewnieniu szczelnego przykrycia czaszy składowiska.
Rysunek 30. Studzienka ujmowania gazu z drenażu odcieków i bezpośrednio z otoczenia studzienki (St.Stępniak, 1997)
1- wykładzina uszczelniająca (PEHD), 2- włóknina ochronna, 3- warstwy uszczelnienia mineralnego, 4- podpora studzienki, 5- płyta oporowa, 6- rura drenażu odcieków i odssysania biogazu, 7- rura obudowy studzienki, 8- rura odsysania gazu, 9- wsad żwirowy.
153
Rysunek 32. Układ kombinowany do jednoczesnego ujmowania biogazu z obszaru całego składowiska (J.Lemański, 1993).
Rysunek 31. Konstrukcja studzienki z przepustem odcieków i odgazowaniem (St.Stepniak, 1997)
1- studzienka, 2- rurociąg, przepust rury drenażowej, 3- zbiornik zamknięcia wodnego odsączania gazu, 4- rurociąg odprowadzania odcieków, 5- obudowa skarpowego przepustu rurociągu, 6- wykładzina uszczelniająca (PEHD), 7- rurociąg odprowadzania gazu.
154 15.2. System ujmowania i przetwarzania biogazu
Ujęcie, pozyskanie i utylizacja biogazu, przy zastosowaniu systemu aktywnego odsysania biogazu, polega na:
zassaniu biogazu ze składowiska przez sprężarkę ssącą,
transporcie biogazu siecią gazową do systemu oczyszczania i osuszania,
transporcie biogazu siecią gazowa do technicznego przerobu i wykorzystania gazu.
System ten działa w oparciu o pełną instalację biogazową.
Studnie gazowe w ostatniej warstwie wyrównująco –odgazowującej połączone są systemem rur odgazowania zewnętrznego. Rury odgazowania zewnętrznego łączą się z kolektorem zbiorczym, wyposażonym w wentylator. System ten umożliwia odessanie i odprowadzenie biogazu z wnętrza składowiska do stacji kontrolnej. Zadaniem stacji kontrolnej jest regulowanie przepływu biogazu i dokonywanie pomiaru jego składu. Od stacji kontrolnej gaz przesyłany jest kolektorem głównym do budynku oczyszczania, a następnie do budynku elektro-ciepłowni biogazowej, jeżeli została zaprojektowana na terenie składowiska.
W przypadku gdy gaz musi być transportowany na odległość większą od 30 m, stosuje się specjalne ssawy przesyłowe.
Elektro-ciepłownia biogazowa jest stacjonarnym zespołem prądotwórczym współpracującym z siecią energetyczną i cieplną. W pomieszczeniach sprężarkowni, sterowni, spalarni i zespołów prądotwórczych znajdują się podstawowe urządzenia do wykorzystania biogazu. Energia chemiczna biogazu, w wyniku jego spalenia, zostaje tutaj przetworzona na energię elektryczną i cieplną. Cały proces sterowany jest automatycznie, a procedury kontroli i zabezpieczeń pozwalają na bezobsługowe działanie instalacji gazowej.
W ten sposób stosuje się w systemie zagospodarowania odpadów komunalnych tak zwaną gospodarkę skojarzoną, której schemat ilustruje rysunek 33.
Instalacja biogazowa dodatkowo wyposażona jest w wysokotemperaturową pochodnię mufową, która wykorzystywana jest w przypadkach koniecznego postoju zespołów elektro-ciepłowni.
155 Pełne wykorzystanie systemu instalacji odgazowania składowiska odpadów rozpoczyna się z chwilą całkowitego zamknięcia składowiska, maksymalnego odizolowania go od wpływu czynników zewnętrznych oraz zakończenia jego eksploatacji.
Rodzaj oraz wydajność zastosowanej technologii do ujmowania i wykorzystania biogazu zależy w bardzo dużym stopniu od miejsca położenia składowiska i istniejącej infrastruktury. Działające w Polsce, na przełomie lat 1996/1997, instalacje odgazowujące ilustruje tabela 15.
Tabela 15. Wykaz wybranych instalacji odgazowujących działających w Polsce I.Siliński, 2001)
Nazwa składowiska
Wydajność instalacji odgazowującej
Zagospodarowanie biogazu agregaty
prądotwórcze (kW)
pochodnie gazowe
(m3/h)
kotły (kW)
Łódź – Nowosolna A, B 500 - 2x250 -
Kraków – Barycz 300 2 x 250* - -
Bydgoszcz 200 1 x 100 + 1 x
200 - -
Poznań 250 2 x 200 - -
Grudziądz 130 1 x 100 - -
Koszalin 130 1 x 100 - -
Nowy Sącz 100 - 1 x 100 -
Braniewo 100 - - 500
Łódź – Łaskowice 25 - 1 x 25 -
* Stan na 2000 rok
Rysunek 33. Schemat blokowy układu skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej z turbiną gazową i parową (I.Soliński, 2001)
156 Obecnie w Polsce na 998 zorganizowanych składowisk odpadów komunalnych, pełna kontrola emisji gazu składowiskowego prowadzona jest na niewielkiej ich liczbie, około 100.
Z braku odpowiednich uszczelnień złoża odpadów, uzyskiwane zasoby biogazu nie przekraczają 30÷40% całkowitego jego potencjału na składowisku. Instalacja do odzysku i gospodarczego wykorzystania biogazu jest najlepszym sposobem ograniczenia emisji do środowiska i jego zanieczyszczenia. Na tle obowiązujących przepisów, w tym w Unii Europejskiej a także umów międzynarodowych proceder wypuszczania biogazu bezpośrednio do atmosfery, bez spalania w pochodniach metanowych lub wyboru innego sposobu jego utylizacji jest niedopuszczalny.
15.2.1. Możliwości wykorzystania biogazu
W gospodarce odpadami istotny problem stwarza wybór właściwej metody postępowania z ujętych ze składowiska biogazem. Najbardziej racjonalną metoda jest jego gospodarcze wykorzystanie, które przynosi korzyści ekonomiczne. Jednak biogaz przeznaczony do gospodarczego wykorzystania wymaga poniesienia dodatkowych nakładów inwestycyjnych, na przygotowanie obiektów do jego magazynowania, oczyszczania i przerabiania, a także podjęcia kroków na znalezienie jego odbiorcy lub odbiorcy odzyskanej energii.
Ujęty z wnętrza składowiska biogaz może być unieszkodliwiony lub wykorzystany poprzez:
bezpośrednie wypuszczenie do atmosfery, jednak jest to metoda bardzo niekorzystna między innymi z uwagi na jego właściwości odorowe, wybuchowe, cieplarniane, a także metoda nieekonomiczna i niekorzystna dla środowiska naturalnego;
oczyszczenie z substancji szkodliwych i również wypuszczenie do atmosfery, jednak metoda ta również jest nieekonomiczna i niekorzystna dla środowiska naturalnego;
spalenie na składowisku w pochodniach metanowych, jednak metoda ta nie odzyskuje energii zgromadzonej w biogazie i również nie jest ekonomiczna;
oczyszczenie, osuszenie i wykorzystanie do własnych potrzeb składowiska lub dla zaspokojenia potrzeb lokalnej społeczności, na przykład poprzez odzyskanie energii cieplnej i/lub elektrycznej (metoda ekonomiczna);
oczyszczenie, osuszenie, poddanie przeróbce i przemysłowe wykorzystanie biogazu (metoda ekonomiczna), na przykład w celu wykorzystania jako:
paliwo silnikowe, z możliwością odzysku zmagazynowanej w biogazie energii mechanicznej oraz z lub bez odzysku energii cieplnej,
157
paliwo do turbin z możliwością odzysku zmagazynowanej w biogazie energii elektrycznej oraz z lub bez odzysku energii cieplnej,
paliwo do pojazdów z możliwością odzysku zmagazynowanej w biogazie energii mechanicznej,
surowca do produkcji chemikaliów,
Mając na uwadze wymienione możliwości wykorzystania gospodarczego biogazu niejednokrotnie niezbędne jest jego magazynowanie. Wynika to z faktu, że w całym okresie produkcji biogazu, ilość zawartego w nim metanu ulega zmianom według kolejno następujących po sobie fazach rozkładu substancji organicznej. Wahania zawartości metanu wpływają na sprawność spalania, dlatego magazynowanie biogazu ma na celu wyrównanie niedoborów metanu w okresach szczytowego jego zapotrzebowania lub wyrównania różnic jakości biogazu czy też wahań w produkcji i ciśnień.
15.2.2. Oczyszczanie biogazu
Gospodarcze wykorzystanie biogazu wymaga zwrócenia uwagi na własności fizyczne, chemiczne i cieplne, które wymagają przygotowania odpowiedniego sprzętu do jego przetworzenia. Biogaz wymaga bowiem obróbki wstępnej w celu usunięcia z niego cząstek stałych, zredukowania ilości substancji niepalnych lub wprowadzenia paliw uszlachetniających (gaz ziemny, gaz koksowniczy). Dobór metod oczyszczania biogazu wynika z przewidywanego sposobu dalszego wykorzystania. Oczyszczanie prowadzi się po analizie i ustaleniu składu chemicznego biogazu. Wybór metod oczyszczania biogazu ilustruje tabela 16.
Oczyszczanie biogazu z zanieczyszczeń mechanicznych, czyli cząstek stałych, ma na celu zapobieżenie możliwości zalepiania elementów sieci przetwarzającej biogaz i tworzenia naskorupień (nagarów).
Osuszanie biogazu ma na celu usunięcie pary wodnej, której obecność wpływa na trudności eksploatacyjne podczas transportu i procesów przeróbki biogazu.
Biogaz nasyca się parą wodną, w wyniku kontaktu z odciekami we wnętrzu składowiska.
Zawartość pary wodnej zależy od czasu kontaktu gazu z odciekami, składu gazu, zawartości soli w odciekach, temperatury i ciśnienia we wnętrzu składowiska (im większa jest temperatura i ciśnienie, tym zawartość pary wodnej jest mniejsza). Przy zmianie temperatury i ciśnienia woda wykrapla się lub gaz staje się nienasycony względem pary wodnej.
Wykraplanie wody rozpoczyna się w temperaturze punktu rosy. Jest to temperatura, do której należy ochłodzić gaz, pod danym ciśnieniem i przy stałej zawartości pary wodnej, aby stał
158 się tą parą nasycony (ze wzrostem ciśnienia temperatura punktu rosy wzrasta, zaś pod stałym ciśnieniem jest ona tym niższa, im mniejsza jest zawartość pary wodnej w gazie).
Odsysany ze składowiska odpadów biogaz może osiągnąć temperaturę około 500C i więcej, a jego nasycenie wodą może dochodzić nawet do 100%. Biogaz po wydobyciu na powierzchnię ulega ochłodzeniu, a tym samym następuje częściowe skroplenie się pary wodnej. W wyniku osuszenia, z 1 m3n biogazu można otrzymać nawet około 0,8 kg wody w postaci pary. Wykroplona woda może zamarzać w przewodach instalacyjnych.
Tabela 16. Wybrane metody oczyszczania biogazu z lotnych zanieczyszczeń Nazwa
procesu oczyszczania
Środki używane do oczyszczania z:
pary wodnej dwutlenku węgla siarkowodoru rtęci i jej
związków węglowodorów
Stopień zawilgocenia biogazu charakteryzuje wilgotność bezwzględna oraz wilgotność względna. Wilgotność bezwzględna, czyli wilgotność gazu, jest to ilość gramów pary wodnej zawartej w 1 m3 gazu. Wyrazić ją można jako stosunek masy pary wodnej zawartej w 1 m3 wilgotnego gazu do maksymalnie możliwej masowej zawartości tej pary w tym gazie, w tych samych warunkach temperatury i ciśnienia. Natomiast wilgotność względna gazu jest to stosunek ciśnienia cząstkowego pary wodnej zawartej w gazie do ciśnienia nasyconej pary wodnej w tej samej temperaturze.
159 Odazotowanie i usuwanie dwutlenku węgla z biogazu prowadzone jest w celu usunięcia związków, które (podobnie jak woda) rozcieńczają biogaz i znacznie zmniejszają jego wartość opałową.
Oczyszczanie z siarkowodoru i halogenów ma na celu usunięcie składników kwaśnych, które powodują korozję instalacji przetwarzania biogazu i szybkie niszczenie sprzętu. Ponadto usunięcie siarkowodoru konieczne jest z uwagi na jego toksyczne właściwości. Dla porównania: biogaz uważany jest za gaz naturalny, gdy zawartość H2S jest mniejsza od 5 mg/m3 biogazu, natomiast dopuszczalne stężenie H2S w powietrzu wynosi poniżej 10 mg/m3powietrza, przy czym na obszarach chronionych 0,02 mg H2S/ m3 powietrza, na obszarach specjalnie chronionych 0,0008 mg H2S/m3 powietrza. Przy stężeniu 1 mg H2S/dm3 następuje zatrucie. Podczas chemicznej przeróbki biogazu siarkowodór dezaktywuje katalizatory, co wpływa na pogorszenie jakości produktów chemicznego przerobu.