• Nie Znaleziono Wyników

Monitoring emisji w zakładach termicznej utylizacji odpadów

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Monitoring emisji w zakładach termicznej utylizacji odpadów"

Copied!
8
0
0

Pełen tekst

(1)

and Environmental Protection

http://ago.helion.pl ISSN 1733-4381, Vol. 3 (2006), p-91-98

Monitoring emisji w zakładach termicznej utylizacji odpadów Bukowska M. A., Szymański W.

Politechnika Rzeszowska, Zakład Ciepłownictwa i Klimatyzacji, Aeja. Powstańców Warszawy 6

tel. (+48 17 8651263),

e-mail: maria.bukowsak@prz.rzeszow.pl

Streszczenie

W artykule przedstawiono wykonane badania gazów wysypiskowych dla Wysypiska Odpadów Komunalnych w Sanoku. Wykonano analizy fizykochemiczne powstających gazów w celu określenia niezbędnych parametrów do oceny przydatności pozyskanego gazu jako biogaz do dalszego wykorzystania. Wynikiem analizy jest określenie, czy pozyskany gaz spełnia parametry paliwa i czy można go wykorzystać jako paliwo podstawowe lub uzupełniające dla celów grzewczych i ciepłej wody użytkowej. Na podstawie średnich wartości parametrów oraz wytworzonej ilości gazu wyliczono szacunkowo wartość energetyczną możliwą do uzyskania z badanego składowiska.

Abstract

Analysis of usefulness of dump gas as bio fuel

This article presents the researches, which were conducted on a municipal waste disposal gas for the Waste Dump in Sanok. The physic-chemical examinations on evaporating gases were done to describe the basis parameters in order to estimate the usefulness of received gases as a biogas for the further use. The result of the above analysis is a description if the acquisitioned gas meets conditions of the parameters of fuel-gas and if it can be used as a basic or supplementary fuel for the heating aims. On the bases of the average parameters and the quantity of generated gases the average energetic value was calculated.

1. Wstęp

Długo przed wejściem Polski do Unii Europejskiej dużo uwagi poświęcano tematom związanym z wykorzystaniem niekonwencjonalnych źródeł energii między innymi dla potrzeb cieplnych. Tak więc wykorzystanie do tego celu biopaliw na szerszą skalę może okazać się nie bez znaczenia. W Polsce wzrasta zainteresowanie biopaliwami możliwymi do wykorzystania z gminnych wysypisk komunalnych. Wiele wysypisk w Polsce wyposażonych jest w instalacje odgazowujące, odprowadzające gaz wysypiskowy do studni degazacyjnych. Gaz ujęty, przetransportowany i spalony w kotłowni, może być źródłem ciepła na przykład dla pobliskich osiedli. Jednakże przed podjęciem decyzji o jego

(2)

wykorzystaniu nie można pominąć wykonania analiz fizykochemicznych powstających gazów w celu określenia niezbędnych parametrów do oceny przydatności pozyskanego gazu jako biogaz do dalszego wykorzystania. Wynikiem analizy powinno być określenie, czy pozyskany gaz spełnia parametry paliwa i można go wykorzystać jako paliwo podstawowe lub uzupełniające.

Oprócz względów ekologicznych należy bezsprzecznie przy wykonywaniu takiej analizy, uwzględnić również aspekty ekonomiczne.

2. Charakterystyka wysypiska odpadów komunalnych

Przedmiotem analizy jest eksploatowane od lat 50-tych wysypisko odpadów komunalnych. Pole powierzchni składowiska wypełnionego odpadami jest nieregularne i zajmuje obszar ok. 2.8 ha. Na składowisku deponowane były odpady komunalne w ilości około 43000 m3

w ciągu roku. Głębokość składowania odpadów waha się w granicach od 6-8 m. Odpady składowane są na terenie rodzimym. Składowisko okresowo przesypywano ziemią i piaskiem, następnie wałowano.

Składowisko wyposażone jest w system do odgazowania gdzie zostały użyte rury PP φ100 mm dwuścienne karbowane. Rury ułożone są w rowkach i obsypane warstwą żwiru o granulacji 12/32 mm. Łączna długość ciągów drenarskich wynosi ok. 1410 m. Drenaże doprowadzone są do studni z kręgów betonowych o średnicy φ1000 mm. Wewnątrz, studnie wypełnione są żwirem gdzie centrycznie zainstalowane są perforowane rury odgazowujące, które wystają ponad poziom zrekultywowanego wysypiska. Studnie przykrywają betonowe płyty z umieszczonymi w nich stalowymi pokrywami.

3. Powstawanie gazów wysypiskowych

Wszystkie odpady komunalne gromadzone na składowiskach, to głównie związki organiczne. Przy odpowiednich warunkach środowiskowych [1] takich jak temperatura, pH, wilgotność, anaerobioza, zawartość azotu oraz inne odpady ulegają procesom biologicznego, chemicznego i fizycznego rozkładu. Efektem zachodzących wewnątrz składowiska procesów jest między innymi powstawanie gazu wysypiskowego. Gaz ten powstaje dzięki zachodzącym na składowisku procesom aerobowym i anaerobowym. Procesy aerobowe zachodzą w obecności tlenu który umożliwia bakteriom aerobowym utlenianie dość skomplikowanych związków organicznych do substancji prostych. Jest to pierwsza faza (I) czterostopniowego procesu rozkładu substancji organicznej. Proces aerobowy trwa tak długo jak długo jest tlen. Po zużyciu tlenu następuje dalszy, tzw. beztlenowy rozkład związków organicznych. Proces beztlenowy składa się z trzech faz: kwaśna fermentacja (II), niestabilna faza metanowa (III), stabilna faza metanowa (IV). Szybkość zachodzących procesów zależna jest od warunków i czynników środowiskowych oraz od występowania tzw. pożywek (pierwiastki śladowe, odbudowywalny węgiel organiczny). W niestabilnej fazie metanowej pojawiają się warunki sprzyjające powstawaniu metanu. Proces ten zachodzi najaktywniej w dwóch przedziałach temperatur: mezofilowym 30-37 oC i termofilowym 50-65 oC.

(3)

Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006) 93 Potencjał redox maleje, zanika wodór i azot. Zawartość dwutlenku węgla zmniejsza się do wielkości odpowiadającej końcowemu stanowi równowagi. Szybko wzrasta wówczas ilość powstającego metanu. Pierwsze trzy fazy trwają w zależności od rodzaju wysypiska od 50 do 500 dni. W ostatniej IV fazie skład gazu oraz jego szybkość wytwarzania się są raczej stałe. Faza ta jest długoterminowa i trwa zazwyczaj 10 do 20 lat. W miarę upływu czasu następuje nieznaczny spadek szybkości powstawania gazu.

Powstający w zachodzących procesach gaz wysypiskowy gromadzi się i zalega w miejscach o niskiej spoistości gruntu, natomiast pewna część ulatnia się do powietrza atmosferycznego.

4. Bilans gazowy składowiska odpadów

Produkcja gazu wysypiskowego (fermentacyjnego) i jej wielkość związana jest ściśle z procesami biologicznego rozkładu składowanego materiału. Produkcja gazu fermentacyjnego następuje głównie w tzw. procesie stabilnej fermentacji metanowej. Bilans gazowy składowiska opracowuje się w oparciu o uproszczony model matematyczny procesu fermentacji metanowej. Model obliczeniowy [2] uwzględnia dwie podstawowe fazy, faza wzrostu i faza wyczerpywania.

Model obliczeniowy produkcji gazu oparty jest na następujących założeniach:

Reakcja fermentacji metanowej w składowisku przebiega dwustopniowo, a produkcja w pierwszym stopniu jest proporcjonalna do ilości gazu już wyprodukowanego, tzn. produkcja gazu wzrasta wykładniczo wraz z czasem reakcji,

• Dla drugiego stopnia fermentacji przyjęto, że szybkość zmniejszania się pozostałego potencjału gazowego jest proporcjonalna do pozostałej ilości gazu jaki zostanie wyprodukowany, tzn. szybkość produkcji maleje wykładniczo z czasem reakcji.

• Substancja organiczna składa się z trzech frakcji, łatwo (I), średnio (II) i trudno rozkładalnych (III), a produkcja gazu jest określona tymi samymi równaniami dla każdej frakcji.

• Całkowita produkcja gazu jest sumą produkcji gazu z każdej frakcji.

5. Wykonanie analiz gazów pobranych ze składowiska

Ocenę możliwości ewentualnego wykorzystania gazów wysypiskowych opracowano w oparciu o wykonane analizy gazów pobranych ze studni degazacyjnych zlokalizowanych na terenie wysypiska.

5.1. Opis poboru prób

Wybrano na terenie wysypiska wszystkie studnie w których można było dokonać poboru gazu. Oznaczono kolejno cyframi od 1 do 10 te studnie z których pobrano próbki do analizy. Wykonano po 3 pomiary z każdej ze studni. W studniach płytkich nr 9 i 10 wykonano odpowiednio po 1 i 2 pomiary. Głębokości z których zasysano gaz do analiz są zróżnicowane i spowodowane rzeczywistą głębokością każdej studni. Pierwszego pomiaru

(4)

dokonano na głębokości 1m od pokrywy studni, drugiego przy dnie studni zaś trzeciego w środkowej części rury degazacyjnej. Wszystkie wielkości pomierzone zestawiono w tabeli 5.1.1.

Tabela 5.1.1. Parametry techniczne poboru prób

PRÓBKA Głębokość Nr analizy Nr studni Temperatura na dnie studni [oC] Głębokoś ć poboru próby [m] Pomiarowa Studni Głębokość rzeczywista studni [m] 1 5 2 3 3 1 10 1 5 5.05 4 5 5 3 6 2 19 1 5 8.04 7 3 8 2 9 3 53 1 3 5.03 10 3 11 2 12 4 55 1 3 4.67 13 5 14 3 15 5 5 36 36 1 5 5 10.60 10.60 16 5 17 3 18 6 62 1 5 9.87 19 5 20 3 21 7 54 1 5 10.18 22 4 23 3 24 8 34 1 4 5.91 25 9 8 1 1 7.94 26 2 27 10 16 1 2 3.71

5.2. Zakres wykonanych analiz

Pobrane próby gazów poddano analizie w laboratorium na chromatografach Hewlett-Packard 5890 i N 504. Zakres badań obejmuje oznaczenia i obliczenia:

• składu chemicznego gazu

• gęstości gazu względem powietrza • gęstości bezwzględnej gazu • wartości opałowej gazu

(5)

Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006) 95 Uzyskane z pomiarów szczegółowe wyniki analiz i obliczeń w formie udziałów procentowych podstawowych związków charakteryzujących gaz wysypiskowy przedstawiono poniżej w tabeli 5.2.1

Tabela 5.2.1. Udziały procentowe podstawowych składników gazu wysypiskowego Nr analizy Nr studni

CO

2

%

O

2

%

N

2

%

CH

4

%

1 9.057 1.920 34.806 54.215 2 9.187 5.129 22.361 63.321 3

1

9.825 10.424 40.445 39.304 4 19.716 5.139 35.822 39.323 5 21.211 4.780 33.710 40.299 6

2

6.690 15.347 62.263 15.700 7 25.466 3.472 34.982 36.080 8 13.763 10.245 58.848 17.144 9

3

9.019 14.254 66.012 10.715 10 24.342 4.651 38.152 32.855 11 10.623 13.250 60.256 15.871 12

4

3.748 18.121 70.153 7.978 13 0.248 20.426 79.050 0.276 14 0.067 20.849 79.070 0.014 15

5

18.832 8.387 52.204 20.577 16 29.255 0.295 21.914 48.535 17 22.729 3.095 46.968 27.208 18

6

11.603 12.029 66.243 10.125 19 24.985 0.608 45.747 28.660 20 15.510 8.721 60.200 15.569 21

7

4.999 18.076 70.740 6.185 22 31.452 0.390 30.005 38.152 23 31.530 0.356 28.438 39.675 24

8

31.756 0.282 22.830 45.130 25

9

2.806 20.260 75.097 1.837 26 15.613 4.656 73.937 5.794 27

10

2.748 18.649 77.673 0.930

6. Analiza własności gazu wysypiskowego

Wykorzystanie gazu wysypiskowego uwarunkowane jest jego własnościami i wielkością wydobycia. Spośród wszystkich własności gazu na jego wykorzystanie mają wpływ przede wszystkim wartość opałowa Qw i ciepło spalania Qc. Wielkości te związane są z

zawartością metanu w gazie ewentualnie jeszcze innych węglowodorów. Według danych literaturowych skład gazów wysypiskowych „użytkowych” jest bardzo różny ale z zawartością metanu w granicach 40 do 60% [1]. Drugie miejsce pod względem zawartości zajmuje CO2, również 40 do 60 %. W znacznie mniejszych ilościach występuje azot i inne

(6)

składniki traktowane jako zanieczyszczenia. Z przeprowadzonych analiz dla badanego składowiska wynikają następujące udziały składników:

CH4 0.276 – 63.321 %,

CO2 0.067 – 31.756 %,

N2 21.914 – 79.070 %,

O2 0.295 – 20.849 %.

Nie stwierdzono występowania CO.

Ciepło spalania analizowanego gazu wynosi 0.01 – 25.2 MJ/m3, natomiast wartość opałowa

0.01 – 22.73 MJ/m3. Duża zmienność własności gazu oraz związanej z tym wartości

opałowej, spowodowana jest różnymi warunkami w miejscach poboru próbek. Obrazują to wykresy 6.1.,6.2., 6.3. i 6.4.

Rys. 6.1. Zawartość metanu w gazie [%].

(7)

Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 3(2006) 97 Rys. 6.3. Zawartość azotu w gazie [%]

Rys. 6.4. Wartość opałowa gazu [ MJ/m3]

Najkorzystniejsze własności gazu występują w studni nr 1, zlokalizowanej w pobliżu drogi transportowej. Prawdopodobnym wyjaśnieniem tego jest większe zagęszczenie warstwy wierzchniej, utrudniającej dostęp powietrza do składowiska. Najmniejsza zawartość metanu występuje w studniach nr 5,9,10, prawdopodobnie ze względu na świeży ładunek odpadów ułożony w tej strefie lub brak zagęszczania odpadów.

Duży udział azotu w większości studni, a także duży udział tlenu wskazują na słabe utwardzenie, zagęszczenie składowiska i wynikający stąd łatwy dostęp powietrza.

7. Szacunkowa ilość wytwarzanego gazu

Bezpośredni pomiar ilości powstającego gazu wysypiskowego nie jest możliwy. Ilość powstającego gazu można ocenić szacunkowo na podstawie danych literaturowych [1]. Teoretycznie z 1 tony odpadów wskutek rozkładu biologicznego może powstawać ok. 400 m3 gazu zawierającego 55 % metanu. W praktyce ilości te są znacznie mniejsze i zwierają

się w granicach 25 do 50 % ilości teoretycznej. Do wyliczeń przyjęto, że z 1 tony odpadów można wykorzystać ok. 100 m3 gazu. Intensywność tworzenia gazu nie jest stała

lecz zależy od czasu składowania. Ponieważ rozkład materii organicznej zachodzi w czasie ok. 20 lat, stąd w ciągu roku z 1 Mg odpadów powstaje przeciętnie 5 m3 gazu, chociaż w

praktyce zdarzają się wydajności od 2 do 20 m3.

Przyjmując podaną średnią wydajność gazu, z rozpatrywanego składowiska można by otrzymać rocznie:

43 000 t/rok x 5 m3/tonę = 215 000 m3 gazu rocznie.

Przy zawartości metanu 55 % dającej wartość opałową 19.75 MJ/m3 wytworzona ilość

(8)

8. Podsumowanie

Występujący gaz posiada w większości zmierzonych przypadków wartość opałową mniejszą od przyjętej do obliczeń efektu energetycznego. Mimo że nie została zmierzona ilość gazu, można z dużym prawdopodobieństwem założyć, że ilość wytwarzanego gazu nie będzie mniejsza od założonej. Występujące w wielu studniach parametry gazu wskazują na małą jego przydatność do celów energetycznych szczególnie. Niska zawartość metanu , znacznie podwyższone zawartości tlenu a w szczególności azotu, mogą wskazywać na niewłaściwą eksploatację składowiska (małe zagęszczenie odpadów) lub też mogą świadczyć o różnym składzie odpadów odbiegającym od typowych śmieci komunalnych. Do bezpośredniego wykorzystania nadawać może się ewentualnie gaz ze studni 1, 2, 6, i 8. Studnie te znajdują się w centralnej części składowiska i tutaj występują najkorzystniejsze warunki procesów biologicznych. Stworzenie analogicznych warunków w pozostałej części składowiska prawdopodobnie pozwoliłoby na uzyskanie właściwego składu gazu umożliwiającego jego energetyczne wykorzystanie. Wyliczony wcześniej efekt energetyczny jest do osiągnięcia, co przy bezpośrednim spalaniu w kotłach zapewniłoby ogrzanie kilku bloków mieszkalnych.

W obecnej chwili następuje spalanie powstającego gazu wysypiskowego w pochodni (świeczce).

Literatura

[1] Podręcznik badań starych składowisk – ocena, podstawy badawcze. BMŚ, Warszawa

Cytaty

Powiązane dokumenty

And in The Hague, housing corporations and energy companies want to heat 4,000 new buildings and homes with the geothermal heat contained in a layer of sandstone.. The

dobnej sytuacji znajdują się wszystkie nauki empiryczne, jednakże za­ gadnienie to jest szczególnie ważne na terenie nauk humanistycznych, zwłaszcza społecznych,

Wiele osób jednak wykonuje dobrze pierwszy krok, a potem ginie w rachunkach. Dlatego to poćwiczymy prze kolejne

Wykorzystanie czystych ekologicznie zasobów wód geotermalnych w wytypowanych miastach Polski jest realne.. Obliczone wskaźniki finansowej efektywności analizowanych

0 Projekt  bez  wpływu  na  rozwój  dyscypliny  naukowej/  skierowany  do  niewłaściwego panelu.. 1 Kosztorys  nie  w

Sąd II instancji przychylił się do zdania obwinionego, któ- ry w swym odwołaniu pisze: „Skoro pa- cjentka odmówiła wykonania korekty wskazanej przez biegłego, tym samym

GOŚĆ SPECJALNY DOROTA CHUDZIK IBM BTO BUSINESS CONSULTING SERVICES SP. (czwartek)

(Uczniowie prowadzą krótką dyskusję na ten temat. Mogą w niej pojawić się różnorodne opinie. Uczniowie mogą wskazywać, że w sytuacji gospodarczej i społecznej, jaka