Wrocław, 13.06.2013

Laboratorium

Technologie Gospodarki Odpadami

Obliczenia bilansu gazowego dla czynnego składowiska

Prowadzący: Wykonanie:
dr inż. Wojciech Słomka Patrycja Kąkol, 186504

I. Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia było określenie bilansu gazowego składowiska i emisji gazu według programu GAZ 21 dla trzech różnych wariantów:

wariant 1 - składowanie odpadów w całości w ilościach wytworzonych (bez zbierania selektywnego i przetwarzania odpadów zmieszanych),

wariant 2 – składowanie całej masy odpadów pozostałych po zbieraniu selektywnym (bez przetwarzania odpadów zmieszanych),

wariant 3 - selektywna zbiórka oraz przetwarzanie zmieszanych odpadów ze składowaniem stabilizatu.

II. Wykonanie:

Przeprowadzono obliczenia bilansu odpadów na czas eksploatacji składowiska w latach 2013-2027, a otrzymane dane przygotowano do obliczeń wymienionych wyżej wariantów. Ponadto wykonano obliczenia, dla całego okresu obliczeniowego, średniej ważonej zawartości węgla organicznego oraz udziałów frakcji łatwo-, średnio- i trudno rozkładalnej. Otrzymane dane wprowadzono do programu GAZ 21 otrzymując wyniki bilansu gazowego dla lat 2013-2027. Umożliwiło to policzenie zasobu energii gazu oraz dobranie zestawu kogeneracyjnego.

III. Obliczenia bilansu gazowego.

Wariant I.

Składowanie odpadów w całości w ilościach wytworzonych (bez zbierania selektywnego i przetwarzania odpadów zmieszanych).

Tabela1. Dane wyjściowe do bilansu gazowego.

rok	Qi, tys. Mg/a	Ci, kg/Mg	N (I)	N (II)	N (III)	t 1/2 ( I )	t 1/2 ( II )	t 1/2 ( III )	t 99/100 ( I )	t 99/100 ( II )	t 99/100 ( III )
2013	114,200	202,3	0,81	0,08	0,11	2	6	12	5	14	25
2014	115,508	202,5	0,81	0,08	0,11	2	6	12	5	14	25
2015	117,113	202,7	0,81	0,08	0,11	2	6	12	5	14	25
2016	118,528	202,9	0,81	0,08	0,11	2	6	12	5	14	25
2017	120,350	203,2	0,81	0,08	0,11	2	6	12	5	14	25
2018	122,151	203,3	0,81	0,08	0,11	2	6	12	5	14	25
2019	123,913	203,4	0,81	0,08	0,11	2	6	12	5	14	25
2020	125,663	203,4	0,81	0,08	0,11	2	6	12	5	14	25
2021	127,589	203,5	0,81	0,08	0,11	2	6	12	5	14	25
2022	129,516	203,5	0,81	0,08	0,11	2	6	12	5	14	25
2023	131,442	203,6	0,80	0,08	0,11	2	6	12	5	14	25
2024	101,321	214,4	0,67	0,13	0,21	2	6	12	5	14	25
2025	135,294	203,7	0,80	0,08	0,11	2	6	12	5	14	25
2026	137,220	203,7	0,80	0,08	0,12	2	6	12	5	14	25
2027	139,146	203,7	0,80	0,08	0,12	2	6	12	5	14	25

Tab. 2, Wyniki obliczeń potencjału gazowego składowiska

rok	ilość [tys. m^3/rok]	suma [tys. m^3/rok]
2013	2683	2683
2014	21370	24053
2015	35122	59175
2016	39544	98719
2017	41652	140371
2018	43571	183942
2019	45153	229095
2020	46469	275564
2021	47686	323250
2022	48934	372184
2023	50292	422477
2024	50826	473302
2025	46039	519342
2026	49389	568730
2027	54438	623168
2028	53346	676514
2029	31866	708380
2030	15865	724246
2031	11334	735580
2032	9656	745236
2033	8215	753451
2034	7246	760698
2035	6641	767338
2036	6006	773345
2037	5299	778643
2038	4488	783131
2039	3455	786586
2040	2541	789128
2041	1871	790999
2042	1379	792378

Wykres 1, Prognozowana emisja gazu

Wyniki obliczeń wykazały, że całkowity potencjał gazowy, a także emisja gazu ze składowiska, w 2027 roku wynosił 54438 tys m³/rok, co stanowi ok. 14914 m³/d.

Biorąc pod uwagę słabe zagęszczanie odpadów w składowisku przy użyciu spycharki gąsienicowej i znaczący udział procesów tlenowego rozkładu substancji organicznej, przyjęto poniższy skład gazu składowiskowego: metan – 50% objęt., dwutlenek węgla 45% objęt. Pozostałe 5% stanowią inne gazy.

Podanemu składowi objętościowemu odpowiadają następujące emisje metanu i dwutlenku węgla w gazie:

Emisja CH₄ = 54 438 m³/rok x 0,50 x 16 g/ 22,4 dm³ = 19 442 kg CH₄/rok

Emisja CO₂ = 54 438 m³/rok x 0,45 x 44 g/ 22,4 dm³ = 48 119 kg CO₂/rok

Wartości progowe dla uwolnień do powietrza wynoszą:

- dla metanu 100.000 kg/rok

- dla dwutlenku węgla 100.000 000 kg/rok,

a więc są niższe od obliczonych emisji ze składowiska w roku 2027. Składowisko nie podlega zgłoszeniu do Rejestru Uwalniania i Transferu Zanieczyszczeń.

Gaz zawierający 50% metanu może być użyty do odzysku energii lub spalany w pochodni.

Wartość opałowa metanu – 35875 kJ/m³, 9,96 kWh/m³

Gaz w ilości 14914 m³/d o zawartości 50% obj. metanu, zawiera 7457 m³/d metanu.

Odpowiada to ilości energii 7457 x 9,96 = 74 271 kWh/d = 3095 kWh/h.

Wydajność pochodni powinna wynosić 14914 m³/d = 621 m³/h

Wydajność agregatu prądotwórczego określa się na podstawie bilansu odzysku energii.

W typowym układzie kogeneracji odzysk energii wynosi:

- energia elektryczna - 20%

- energia cieplna - 60%

- straty energii - 20%

Moc agregatu prądotwórczego dla energii elektrycznej wynosi 3095 x 0,20 = 619 kW

Wariant II.

Składowanie odpadów pozostałych po selektywnym zbieraniu.

Tabela 3. Dane wyjściowe do bilansu gazowego

rok	Qi, tys. Mg/a	Ci, kg/Mg	N (I)	N (II)	N (III)	t 1/2 ( I )	t 1/2 ( II )	t 1/2 ( III )	t 99/100 ( I )	t 99/100 ( II )	t 99/100 ( III )
2013	99,194	194,602	0,842	0,070	0,087	2	6	12	5	14	25
2014	98,527	193,424	0,842	0,070	0,087	2	6	12	5	14	25
2015	97,266	192,197	0,839	0,070	0,090	2	6	12	5	14	25
2016	96,339	190,720	0,839	0,070	0,091	2	6	12	5	14	25
2017	95,108	189,482	0,837	0,070	0,093	2	6	12	5	14	25
2018	94,539	187,981	0,836	0,070	0,095	2	6	12	5	14	25
2019	93,035	186,138	0,835	0,070	0,096	2	6	12	5	14	25
2020	92,142	184,370	0,834	0,069	0,097	2	6	12	5	14	25
2021	93,445	184,460	0,833	0,069	0,097	2	6	12	5	14	25
2022	94,681	184,568	0,833	0,070	0,097	2	6	12	5	14	25
2023	95,784	184,715	0,834	0,070	0,097	2	6	12	5	14	25
2024	96,874	184,862	0,834	0,070	0,096	2	6	12	5	14	25
2025	98,277	184,902	0,833	0,070	0,097	2	6	12	5	14	25
2026	99,346	185,047	0,834	0,070	0,096	2	6	12	5	14	25
2027	100,744	185,082	0,833	0,070	0,097	2	6	12	5	14	25

Tab. 4, Wyniki obliczeń potencjału gazowego składowiska

rok	ilość [tys. m^3/rok]	suma [tys. m^3/rok]
2013	2315	2315
2014	18437	20752
2015	29910	50662
2016	32735	83397
2017	33387	116784
2018	33746	150530
2019	33814	184344
2020	33571	217915
2021	33313	251228
2022	33574	284802
2023	34245	319047
2024	35120	354167
2025	35964	390131
2026	36717	426848
2027	37395	464243
2028	35777	500020
2029	20707	520727
2030	9689	530416
2031	6585	537001
2032	5463	542463
2033	4568	547032
2034	3951	550983
2035	3527	554509
2036	3175	557685
2037	2819	560503
2038	2396	562900
2039	1847	564747
2040	1358	566105
2041	1000	567105
2042	737	567842

Wykres 2, Prognozowana emisja gazu

Wyniki obliczeń wykazały, że całkowity potencjał gazowy, a także emisja gazu ze składowiska, w 2027 roku wynosił 37 395 tys m³/rok, co stanowi ok. 10245 m³/d.

Biorąc pod uwagę słabe zagęszczanie odpadów w składowisku przy użyciu spycharki gąsienicowej i znaczący udział procesów tlenowego rozkładu substancji organicznej, przyjęto poniższy skład gazu składowiskowego: metan – 50% objęt., dwutlenek węgla 45% objęt. Pozostałe 5% stanowią inne gazy.

Podanemu składowi objętościowemu odpowiadają następujące emisje metanu i dwutlenku węgla w gazie:

Emisja CH₄ = 37 395 m³/rok x 0,50 x 16 g/ 22,4 dm³ = 13 355 kg CH₄/rok

Emisja CO₂ = 37 395 m³/rok x 0,45 x 44 g/ 22,4 dm³ = 30 054 kg CO₂/rok

Wartości progowe dla uwolnień do powietrza wynoszą:

- dla metanu 100.000 kg/rok

- dla dwutlenku węgla 100.000 000 kg/rok,

a więc są niższe od obliczonych emisji ze składowiska w roku 2027. Składowisko nie podlega zgłoszeniu do Rejestru Uwalniania i Transferu Zanieczyszczeń.

Gaz zawierający 50% metanu może być użyty do odzysku energii lub spalany w pochodni.

Wartość opałowa metanu – 35875 kJ/m³, 9,96 kWh/m³

Gaz w ilości 10 245 m³/d o zawartości 50% obj. metanu, zawiera 5 122 m³/d metanu.

Odpowiada to ilości energii 5 122 x 9,96 = 51 015 kWh/d = 2 125 kWh/h.

Wydajność agregatu prądotwórczego określa się na podstawie bilansu odzysku energii.

W typowym układzie kogeneracji odzysk energii wynosi:

- energia elektryczna - 20%

- energia cieplna - 60%

- straty energii - 20%

Moc agregatu prądotwórczego dla energii elektrycznej wynosi 2125 x 0,20 = 425 kW

Wariant III.

Składowanie odpadów pozostałych po selektywnym zbieraniu i przetwarzaniu zmieszanych odpadów(stabilizatu).

Tabela 5. Dane wyjściowe do bilansu gazowego.

rok	Qi, tys. Mg/a	Ci, kg/Mg	N (I)	N (II)	N (III)	t 1/2 ( I )	t 1/2 ( II )	t 1/2 ( III )	t 99/100 ( I )	t 99/100 ( II )	t 99/100 ( III )
2013	68,96903467	65,0	0,10	0,40	0,50	2	6	12	5	14	25
2014	69,90119692	65,0	0,10	0,40	0,50	2	6	12	5	14	25
2015	70,98674247	65,0	0,10	0,40	0,50	2	6	12	5	14	25
2016	71,96867251	65,0	0,10	0,40	0,50	2	6	12	5	14	25
2017	73,18407943	65,0	0,10	0,40	0,50	2	6	12	5	14	25
2018	74,43696278	65,0	0,10	0,40	0,50	2	6	12	5	14	25
2019	75,66691675	65,0	0,10	0,40	0,50	2	6	12	5	14	25
2020	76,89328546	65,0	0,10	0,40	0,50	2	6	12	5	14	25
2021	78,24430178	65,0	0,10	0,40	0,50	2	6	12	5	14	25
2022	79,59610658	65,0	0,10	0,40	0,50	2	6	12	5	14	25
2023	80,94869988	65,0	0,10	0,40	0,50	2	6	12	5	14	25
2024	82,30208167	65,0	0,10	0,40	0,50	2	6	12	5	14	25
2025	83,65625195	65,0	0,10	0,40	0,50	2	6	12	5	14	25
2026	85,01121072	65,0	0,10	0,40	0,50	2	6	12	5	14	25
2027	86,36695799	65,0	0,10	0,40	0,50	2	6	12	5	14	25

Tab. 6, Wyniki obliczeń potencjału gazowego składowiska

rok	ilość [tys. m^3/rok]	suma [tys. m^3/rok]
2013	117	117
2014	655	772
2015	1151	1923
2016	1555	3478
2017	2153	5631
2018	3213	8844
2019	4102	12946
2020	4779	17725
2021	5369	23094
2022	5963	29057
2023	6638	35695
2024	7471	43166
2025	8229	51395
2026	8830	60225
2027	9318	69543
2028	9574	79117
2029	9233	88350
2030	8903	97252
2031	8656	105909
2032	8142	114050
2033	7022	121073
2034	6111	127183
2035	5460	132643
2036	4916	137559
2037	4365	141924
2038	3713	145637
2039	2860	148497
2040	2102	150599
2041	1546	152145
2042	1139	153284

Wykres 3, Prognozowana emisja gazu

Wyniki obliczeń wykazały, że całkowity potencjał gazowy, a także emisja gazu ze składowiska, w 2027 roku wynosił 9 318 tys m³/rok, co stanowi ok. 2552 m³/d.

Biorąc pod uwagę słabe zagęszczanie odpadów w składowisku przy użyciu spycharki gąsienicowej i znaczący udział procesów tlenowego rozkładu substancji organicznej, przyjęto poniższy skład gazu składowiskowego: metan – 50% objęt., dwutlenek węgla 45% objęt. Pozostałe 5% stanowią inne gazy.

Podanemu składowi objętościowemu odpowiadają następujące emisje metanu i dwutlenku węgla w gazie:

Emisja CH₄ = 9 318 m³/rok x 0,50 x 16 g/ 22,4 dm³ = 3327 kg CH₄/rok

Emisja CO₂ = 9 318 m³/rok x 0,45 x 44 g/ 22,4 dm³ = 8 236 kg CO₂/rok

Wartości progowe dla uwolnień do powietrza wynoszą:

- dla metanu 100.000 kg/rok

- dla dwutlenku węgla 100.000 000 kg/rok,

a więc są niższe od obliczonych emisji ze składowiska w roku 2027. Składowisko nie podlega zgłoszeniu do Rejestru Uwalniania i Transferu Zanieczyszczeń.

Gaz zawierający 50% metanu może być użyty do odzysku energii lub spalany w pochodni.

Wartość opałowa metanu – 35875 kJ/m³, 9,96 kWh/m³

Gaz w ilości 2552 m³/d o zawartości 50% obj. metanu, zawiera 1276 m³/d metanu.

Odpowiada to ilości energii 1276 x 9,96 = 12 708 kWh/d = 529,54 kWh/h.

Wydajność agregatu prądotwórczego określa się na podstawie bilansu odzysku energii.

W typowym układzie kogeneracji odzysk energii wynosi:

- energia elektryczna - 20%

- energia cieplna - 60%

- straty energii - 20%

Moc agregatu prądotwórczego dla energii elektrycznej wynosi 529 x 0,20 = 265 kW

IV. Podsumowanie i wnioski.

Celem wykonanego ćwiczenia było porównanie bilansu gazowego dla składowiska odpadów w zależności od rodzaju odpadów tam składowanych. W tym celu zostały wykonane obliczenia dla trzech wariantów: składowania odpadów w całości w ilościach wytworzonych (bez zbierania selektywnego i przetwarzania odpadów zmieszanych); składowania całej masy odpadów pozostałych po zbieraniu selektywnym (bez przetwarzania odpadów zmieszanych); oraz dla selektywnej zbiórki i przetwarzania zmieszanych odpadów ze składowaniem stabilizatu.

Na składowisku podczas procesów biochemicznych zachodzi przemiana materii organicznej skutkująca wytwarzaniem gazu składowiskowego. Gaz ten jest alternatywnym źródłem energii, ale jednocześnie posiadającym negatywny wpływ na efekt cieplarniany. Powstaje podobnie jak biogaz w procesie fermentacji beztlenowej, lecz samoczynnie na składowisku. Stabilizacja natomiast jest procesem tlenowego bądź beztlenowego biologicznego unieszkodliwiania odpadów w wyniku czego powstaje stabilizat.

Analizując powyższe wyniki można zauważyć, że uzyskuje się różne ilości energii cieplnej oraz elektrycznej z odpadów pochodzących z wyżej wymienionych wariantów. Dla wariantu III uzyskuje się najmniejszą ilość energii, ponieważ znaczną część energii pochłonął już proces stabilizacji. Stosowanie stabilizacji jest uzasadnione (mimo uzyskania mniejszej ilości energii), gdyż ma ona głównie na celu zmniejszyć ilość składowanych odpadów, zmniejszając tym samym ogólną emisję gazów do środowiska. W wariancie pierwszym powstaje najwięcej energii cieplnej oraz elektrycznej, a co za tym idzie występuje znaczna emisja gazów do środowiska, w wariancie drugim powstaje mniej energii niż w pierwszym, lecz więcej niż w trzecim.

Ilość powstającej energii w przypadku wariantu pierwszego, czyli odpadów zmieszanych jest dużo większa w początkowych latach działalności składowiska, jednak po przekroczeniu pewnej granicy czasu, energii tej jest coraz mniej, co zapewne spowodowane jest całkowitym rozkładem odpadów biodegradowalnych. W wariancie drugim jest podobnie, po upływie pewnej granicy czasowej dochodzi spadku ilości produkowanej energii. Rozpatrując wariant trzeci widzimy, że spadek produkcji energii zachodzi później niż we wcześniejszych wariantach, co spowodowane jest stabilizacją odpadów.

W przypadku wariantu pierwszego ilości wytworzonego gazu są na tyle duże, że produkcja energii elektrycznej oraz cieplnej byłaby opłacalna. Znalezienie odbiorców pozwoliłoby na pokrycie kosztów tej inwestycji, a w przyszłości byłby możliwy zysk z przedsięwzięcia poprzez sprzedaż wytworzonej energii. W wariancie drugim i trzecim budowa instalacji byłaby nieopłacalna i najodpowiedniejszym rozwiązaniem jest spalenie gazu w pochodniach, w celu obniżenia ich uciążliwości na środowisko.

Zmiany produkcji ilości biogazu w zależności od obliczanego wariantu, w celu dokładniejszego zobrazowania, przedstawiono na zbiorczym wykresie poniżej.

Wykorzystując energię z odpadów zmieszanych konieczne byłoby zastosowanie agregatu prądotwórczego o dużej mocy. Wybrano agregat kogeneracyjny typu CAT 770 SP o mocy elektrycznej 735 kW i mocy cieplnej 1213 kW. Agregat ten przewyższa wymaganiami produkcję energii w tym wariancie (619 kW), jednak inny dostępny model posiada niższą moc elektryczną 465 kW, co byłoby niewystarczalne.