Politechnika Wrocławska Wrocław, 12.06.2013r.
Wydział Inżynierii Środowiska
Kierunek Ochrona Środowiska
SPRAWOZDANIE Z ZAJĘĆ:
TECHNOLOGIE GOSPODARKI ODPADAMI
LABORATORIUM
Prowadzący: Wykonała:
Dr inż. Kamil Banaszkiewicz Marta Sabat
186523
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 | 100,75 | 193,3 | 0,77 | 0,08 | 0,15 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2014 | 102,03 | 193,4 | 0,77 | 0,08 | 0,15 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2015 | 103,60 | 193,6 | 0,77 | 0,08 | 0,15 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2016 | 105,24 | 193,8 | 0,77 | 0,08 | 0,15 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2017 | 106,87 | 194,0 | 0,77 | 0,08 | 0,15 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2018 | 108,71 | 194,1 | 0,77 | 0,08 | 0,15 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2019 | 110,50 | 194,2 | 0,77 | 0,08 | 0,15 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2020 | 112,31 | 194,3 | 0,77 | 0,08 | 0,15 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2021 | 114,37 | 194,4 | 0,77 | 0,08 | 0,15 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2022 | 116,44 | 194,4 | 0,77 | 0,08 | 0,15 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2023 | 118,42 | 194,7 | 0,77 | 0,08 | 0,15 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2024 | 120,39 | 194,8 | 0,77 | 0,08 | 0,15 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2025 | 122,37 | 194,9 | 0,76 | 0,08 | 0,15 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2026 | 124,33 | 195,0 | 0,76 | 0,08 | 0,15 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2027 | 126,32 | 195,1 | 0,76 | 0,08 | 0,15 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
Wykres 1. Prognozowana emisja gazu w latach.
Tabela 2. Wyniki obliczeń potencjału gazowego składowiska.
| rok | ilość [tys. m3/rok] | suma [tys. m3/rok] |
|---|---|---|
| 2013 | 2162 | 2162 |
| 2014 | 17184 | 19346 |
| 2015 | 28310 | 47656 |
| 2016 | 31912 | 79568 |
| 2017 | 33702 | 113269 |
| 2018 | 35368 | 148638 |
| 2019 | 36779 | 185416 |
| 2020 | 38004 | 223420 |
| 2021 | 39184 | 262604 |
| 2022 | 40440 | 303044 |
| 2023 | 41840 | 344884 |
| 2024 | 43463 | 388347 |
| 2025 | 44999 | 433346 |
| 2026 | 46339 | 479685 |
| 2027 | 47538 | 527223 |
| 2028 | 45896 | 573118 |
| 2029 | 27899 | 601018 |
| 2030 | 14728 | 615746 |
| 2031 | 11063 | 626809 |
| 2032 | 9698 | 636507 |
| 2033 | 8453 | 644960 |
| 2034 | 7559 | 652519 |
| 2035 | 6919 | 659438 |
| 2036 | 6345 | 665783 |
| 2037 | 5708 | 671490 |
| 2038 | 4895 | 676385 |
| 2039 | 3787 | 680172 |
| 2040 | 2789 | 682961 |
| 2041 | 2056 | 685016 |
| 2042 | 1516 | 686533 |
Wyniki obliczeń wykazały, że całkowity potencjał gazowy, a także emisja gazu ze składowiska, w 2027 roku wynosił 47538 tys m3/rok, co stanowi ok. 13024 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 = 47 538 m3/rok x 0,50 x 16 g/ 22,4 dm3 = 16 978 kg CH4/rok
Emisja CO2 = 47 538m3/rok x 0,45 x 44 g/ 22,4 dm3 = 42 020 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 13024 m3/d o zawartości 50% obj. metanu, zawiera 6512 m3/d metanu.
Odpowiada to ilości energii 6512 x 9,96 = 64859 kWh/d = 2702 kWh/h.
Wydajność pochodni powinna wynosić 172 m3/d = 7 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 2702 x 0,20 = 540 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 | 33,50 | 146,85 | 0,42 | 0,16 | 0,41 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2014 | 34,81 | 149,05 | 0,44 | 0,16 | 0,40 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2015 | 36,20 | 151,31 | 0,46 | 0,16 | 0,38 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2016 | 38,35 | 154,11 | 0,49 | 0,15 | 0,36 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2017 | 40,17 | 157,32 | 0,50 | 0,15 | 0,35 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2018 | 43,07 | 163,24 | 0,53 | 0,14 | 0,32 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2019 | 46,74 | 168,94 | 0,57 | 0,14 | 0,30 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2020 | 50,75 | 174,92 | 0,59 | 0,13 | 0,27 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2021 | 52,92 | 175,70 | 0,60 | 0,13 | 0,27 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2022 | 54,20 | 175,83 | 0,60 | 0,13 | 0,27 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2023 | 56,71 | 176,42 | 0,61 | 0,13 | 0,27 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2024 | 58,08 | 176,48 | 0,60 | 0,13 | 0,27 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2025 | 59,67 | 176,94 | 0,61 | 0,13 | 0,27 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2026 | 61,50 | 177,75 | 0,60 | 0,13 | 0,27 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2027 | 62,51 | 177,95 | 0,60 | 0,13 | 0,27 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
Wykres 2. Prognozowana emisja gazu w latach.
Tabela 4. Wyniki obliczeń potencjału gazowego składowiska.
| rok | ilość [tys. m3/rok] | suma [tys. m3/rok] |
|---|---|---|
| 2013 | 325 | 325 |
| 2014 | 2476 | 2801 |
| 2015 | 4301 | 7103 |
| 2016 | 5290 | 12393 |
| 2017 | 6268 | 18661 |
| 2018 | 7475 | 26136 |
| 2019 | 8930 | 35066 |
| 2020 | 10688 | 45755 |
| 2021 | 12602 | 58357 |
| 2022 | 14178 | 72535 |
| 2023 | 15381 | 87916 |
| 2024 | 16715 | 104632 |
| 2025 | 17890 | 122522 |
| 2026 | 18885 | 141406 |
| 2027 | 19741 | 161147 |
| 2028 | 19445 | 180592 |
| 2029 | 13268 | 193860 |
| 2030 | 8729 | 202589 |
| 2031 | 7484 | 210073 |
| 2032 | 6923 | 216996 |
| 2033 | 6186 | 223182 |
| 2034 | 5621 | 228804 |
| 2035 | 5208 | 234012 |
| 2036 | 4822 | 238834 |
| 2037 | 4376 | 243210 |
| 2038 | 3776 | 246986 |
| 2039 | 2927 | 249913 |
| 2040 | 2157 | 252070 |
| 2041 | 1591 | 253661 |
| 2042 | 1174 | 254835 |
Wyniki obliczeń wykazały, że całkowity potencjał gazowy, a także emisja gazu ze składowiska, w 2027 roku wynosił 19741 tys m3/rok, co stanowi ok. 54 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 = 19741 m3/rok x 0,50 x 16 g/ 22,4 dm3 = 7050 kg CH4/rok
Emisja CO2 = 19741 m3/rok x 0,45 x 44 g/ 22,4 dm3 = 17449 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 54 m3/d o zawartości 50% obj. metanu, zawiera 27 m3/d metanu.
Odpowiada to ilości energii 27 x 9,96 = 269 kWh/d = 11 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 11 x 0,20 = 2,25 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 | 62,57 | 65 | 0,1 | 0,4 | 0,5 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2014 | 63,52 | 65 | 0,1 | 0,4 | 0,5 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2015 | 64,64 | 65 | 0,1 | 0,4 | 0,5 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2016 | 65,79 | 65 | 0,1 | 0,4 | 0,5 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2017 | 66,94 | 65 | 0,1 | 0,4 | 0,5 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2018 | 68,28 | 65 | 0,1 | 0,4 | 0,5 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2019 | 69,60 | 65 | 0,1 | 0,4 | 0,5 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2020 | 70,92 | 65 | 0,1 | 0,4 | 0,5 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2021 | 72,41 | 65 | 0,1 | 0,4 | 0,5 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2022 | 73,90 | 65 | 0,1 | 0,4 | 0,5 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2023 | 75,34 | 65 | 0,1 | 0,4 | 0,5 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2024 | 76,77 | 65 | 0,1 | 0,4 | 0,5 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2025 | 78,20 | 65 | 0,1 | 0,4 | 0,5 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2026 | 79,64 | 65 | 0,1 | 0,4 | 0,5 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
| 2027 | 81,08 | 65 | 0,1 | 0,4 | 0,5 | 2 | 6 | 12 | 5 | 14 | 25 |
Wykres 3. Prognozowana emisja gazu w latach.
Tabela 6. Wyniki obliczeń potencjału gazowego składowiska.
| rok | ilość [tys. m3/rok] | suma [tys. m3/rok] |
|---|---|---|
| 2013 | 106 | 106 |
| 2014 | 595 | 701 |
| 2015 | 1045 | 1746 |
| 2016 | 1414 | 3160 |
| 2017 | 1960 | 5120 |
| 2018 | 2926 | 8046 |
| 2019 | 3739 | 11785 |
| 2020 | 4363 | 16148 |
| 2021 | 4909 | 21057 |
| 2022 | 5461 | 26517 |
| 2023 | 6088 | 32605 |
| 2024 | 6860 | 39465 |
| 2025 | 7567 | 47032 |
| 2026 | 8134 | 55166 |
| 2027 | 8599 | 63766 |
| 2028 | 8851 | 72617 |
| 2029 | 8543 | 81160 |
| 2030 | 8247 | 89407 |
| 2031 | 8030 | 97437 |
| 2032 | 7562 | 104999 |
| 2033 | 6524 | 111523 |
| 2034 | 5680 | 117203 |
| 2035 | 5079 | 122283 |
| 2036 | 4578 | 126861 |
| 2037 | 4070 | 130931 |
| 2038 | 3464 | 134395 |
| 2039 | 2670 | 137065 |
| 2040 | 1962 | 139027 |
| 2041 | 1443 | 140470 |
| 2042 | 1063 | 141533 |
Wyniki obliczeń wykazały, że całkowity potencjał gazowy, a także emisja gazu ze składowiska, w 2027 roku wynosił 8599 tys m3/rok, co stanowi ok. 24 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 = 8599 m3/rok x 0,50 x 16 g/ 22,4 dm3 = 3071 kg CH4/rok
Emisja CO2 = 8599 m3/rok x 0,45 x 44 g/ 22,4 dm3 = 7601 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 24 m3/d o zawartości 50% obj. metanu, zawiera 12 m3/d metanu.
Odpowiada to ilości energii 12 x 9,96 = 120 kWh/d = 5 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 5 x 0,20 = 1 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.
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 nieznacznie przewyższa wymaganiami produkcję energii w tym wariancie (540 kW), jednak inny dostępny model posiada niższą moc elektryczną 465 kW, co byłoby niewystarczalne.