Wykorzystanie gazu wysypiskowego - Landfill gas utilization

Odbiór gazu składowiskowego z zakorkowanego terenu składowiska

Wykorzystanie gazu wysypiskowego to proces gromadzenia, przetwarzania i przetwarzania metanu lub innego gazu emitowanego z rozkładu śmieci w celu wytworzenia energii elektrycznej, ciepła, paliw i różnych związków chemicznych. Po paliwach kopalnych i rolnictwie gaz wysypiskowy jest trzecim co do wielkości źródłem metanu wytwarzanym przez człowieka. W porównaniu do CO
2
, metan jest 25 razy skuteczniejszy jako gaz cieplarniany. Ważne jest nie tylko kontrolowanie jego emisji, ale tam, gdzie pozwalają na to warunki, wykorzystanie go do wytwarzania energii, kompensując w ten sposób wkład dwóch głównych źródeł gazów cieplarnianych w zmiany klimatu . Według amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska liczba projektów dotyczących gazu wysypiskowego, które przekształcają gaz w energię, wzrosła z 399 w 2005 r. do 519 w 2009 r. w Stanach Zjednoczonych. Projekty te są popularne, ponieważ kontrolują koszty energii i redukują emisje gazów cieplarnianych . Projekty te gromadzą gaz metanowy i przetwarzają go, dzięki czemu można go wykorzystać do produkcji energii elektrycznej lub przerobić na gaz do rurociągów. Projekty te zasilają domy, budynki i pojazdy.

Pokolenie

Fazy ​​wieku składowiska i skład procentowy każdego głównego składnika gazu składowiskowego.
Procentowy skład każdego głównego składnika gazu składowiskowego w czasie.

Gaz składowiskowy (LFG) powstaje w wyniku rozkładu stałych odpadów komunalnych (MSW) i innych odpadów biodegradowalnych przez mikroorganizmy . Warunki tlenowe, obecność tlenu, prowadzą głównie do CO
2
emisje. W warunkach beztlenowych, typowych dla składowisk, metan i CO
2
produkowane są w proporcji 60:40. Metan ( CH
4
) jest ważnym składnikiem gazu składowiskowego, ponieważ ma wartość opałową 33,95 MJ/Nm^3, co daje korzyści w zakresie wytwarzania energii. Ilość wytwarzanego metanu różni się znacznie w zależności od składu odpadów. Większość metanu produkowanego na składowiskach MSW pochodzi z odpadów spożywczych , papieru kompozytowego i tektury falistej, które stanowią odpowiednio 19,4 ± 5,5%, 21,9 ± 5,2% i 20,9 ± 7,1% średnio na składowiskach MSW w Stanach Zjednoczonych. Tempo produkcji gazu składowiskowego zmienia się w zależności od wieku składowiska. Istnieją 4 wspólne etapy, przez które przechodzi część składowiska odpadów komunalnych po umieszczeniu. Zazwyczaj na dużym składowisku różne obszary terenu będą jednocześnie znajdować się na różnych etapach. Tempo produkcji gazu wysypiskowego osiągnie maksimum po około 5 latach i zacznie spadać. Gaz wysypiskowy podlega rozpadowi kinetycznemu pierwszego rzędu po rozpoczęciu spadku z wartością k w zakresie 0,02 roku-1 dla warunków suchych i 0,065 roku-1 dla warunków mokrych. Program „Landfill Methane Outreach Program” (LMOP) zapewnia model rozpadu pierwszego rzędu, aby pomóc w określeniu produkcji gazu wysypiskowego o nazwie LandGEM (Landfill Gas Emissions Model). Zazwyczaj wskaźniki ekstrakcji gazu ze składowiska stałych odpadów komunalnych (MSW) wahają się od 25 do 10 000 m 3 /h, podczas gdy składowiska zwykle zawierają od 100 000 m 3 do 10 milionów m 3 istniejących odpadów. Gaz składowiskowy MSW zazwyczaj zawiera około 45 do 60% metanu i 40 do 60% dwutlenku węgla, w zależności od ilości powietrza wprowadzanego na składowisko, albo poprzez aktywne wydobycie gazu, albo przez nieodpowiednie uszczelnienie (zasklepienie) składowiska. W zależności od składu odpadów, istnieje wiele innych drobnych składników, które zawierają około 1%, w tym H
2
S
, NIE
x
, SO
2
, CO , niemetanowe lotne związki organiczne (NMLZO), wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA), polichlorowane dibenzodioksyny (PCDD), polichlorowane dibenzofurany (PCDF) itp. Wszystkie wyżej wymienione środki są szkodliwe dla zdrowia ludzkiego w dużych dawkach.

Systemy zbiórki LFG

Gas_extraction_well.JPG
Typowa studnia wydobywcza gazu.
Składowisko_gazu_dmuchawa.JPG
Dmuchawa gazu wysypiskowego.
Landfill_gas_collection_system.JPG
Układ systemu odbioru gazu wysypiskowego.

Odbiór gazu wysypiskowego jest zazwyczaj realizowany poprzez instalację studni zainstalowanych pionowo i/lub poziomo w masie odpadów. Heurystyka projektowa dla odwiertów pionowych wymaga około jednego odwiertu na akr powierzchni składowiska, podczas gdy odwierty poziome są zwykle oddalone od siebie o około 50 do 200 stóp na środku. Wydajne odbieranie gazu można osiągnąć zarówno na otwartych, jak i zamkniętych składowiskach, ale zamknięte składowiska mają systemy, które są bardziej wydajne dzięki większemu rozmieszczeniu infrastruktury do zbierania, ponieważ nie występuje aktywne napełnianie. Średnio zamknięte składowiska posiadają systemy zbierania gazu, które wychwytują około 84% produkowanego gazu, w porównaniu do około 67% w przypadku składowisk otwartych.

Gaz wysypiskowy może być również wydobywany przez poziome wykopy zamiast pionowych studni. Oba systemy są skuteczne w zbieraniu. Gaz wysypiskowy jest wydobywany i przesyłany rurami do głównego kolektora, gdzie jest wysyłany do przetworzenia lub spalenia. Główny kolektor zbiorczy można podłączyć do systemu zbierania odcieków w celu gromadzenia kondensatu tworzącego się w rurach. Do wyciągania gazu ze studzienek zbiorczych do kolektora zbiorczego i dalej w dół potrzebna jest dmuchawa. Szacuje się, że 40-akrowy (160 000 m 2 ) system zbierania gazu wysypiskowego z pochodnią zaprojektowaną dla szybkości ekstrakcji 600 stóp 3 /min kosztuje 991 000 USD (około 24 000 USD za akr) przy rocznych kosztach eksploatacji i konserwacji wynoszących 166 000 USD rocznie przy 2250 USD za Cóż, 4500 USD za pochodnię i 44500 USD rocznie na obsługę dmuchawy (2008). LMOP dostarcza model oprogramowania do przewidywania kosztów systemu windykacji.

Kloszowy

Open_(po lewej)_and_enclosed_(po prawej)_flare.JPG
Flary: Flara otwarta (po lewej) i zamknięta (po prawej).

Jeżeli tempo wydobycia gazu nie gwarantuje bezpośredniego wykorzystania lub wytwarzania energii elektrycznej i, aby uniknąć niekontrolowanego uwolnienia do atmosfery, gaz może zostać spalony. Sto m 3 /h to praktyczny próg dla pochodni w USA. W Wielkiej Brytanii stosowane są silniki gazowe o wydajności poniżej 100m3/h. Pochodnie są przydatne we wszystkich systemach gazu składowiskowego, ponieważ mogą pomóc w kontrolowaniu nadmiernych skoków wydobycia gazu i okresów przestojów konserwacyjnych. W Wielkiej Brytanii i UE pochodnie zamknięte, z których nie widać płomienia, są obowiązkowe na nowoczesnych składowiskach odpadów. Pochodnie mogą być otwarte lub zamknięte, ale te ostatnie są zazwyczaj droższe, ponieważ zapewniają wysokie temperatury spalania i określony czas przebywania, a także ograniczają hałas i zanieczyszczenie światłem. Niektóre stany USA wymagają stosowania zamkniętych flar nad otwartymi flarami. Wyższe temperatury spalania i czasy przebywania niszczą niepożądane składniki, takie jak niespalone węglowodory. Ogólnie przyjęte wartości to temperatura spalin 1000°C z czasem retencji 0,3 sekundy, co daje ponad 98% skuteczność niszczenia. Temperatura spalania jest ważnym czynnikiem regulującym, ponieważ jeśli jest wyższa niż 1100ºC, istnieje niebezpieczeństwo wykładniczego powstawania termicznych NOx.

Oczyszczanie gazów wysypiskowych

Gaz składowiskowy musi być oczyszczany w celu usunięcia zanieczyszczeń, kondensatu i cząstek stałych. System uzdatniania zależy od końcowego zastosowania. Do bezpośredniego wykorzystania gazu w kotłach, piecach lub piecach wymagana jest minimalna obróbka. Wykorzystywanie gazu do wytwarzania energii elektrycznej wymaga zazwyczaj bardziej dogłębnej obróbki. Systemy oczyszczania dzielą się na przetwarzanie pierwotne i wtórne. Systemy przetwarzania pierwotnego usuwają wilgoć i cząstki stałe. Chłodzenie i sprężanie gazu są powszechne w przetwarzaniu pierwotnym. Systemy oczyszczania wtórnego wykorzystują wiele procesów oczyszczania, fizycznego i chemicznego, w zależności od specyfikacji końcowego zastosowania. Dwa składniki, które mogą wymagać usunięcia, to siloksany i związki siarki , które niszczą sprzęt i znacznie zwiększają koszty konserwacji. Adsorpcja i absorpcja to najczęściej stosowane technologie w przetwarzaniu wtórnego oczyszczania.

Wykorzystanie gazu wysypiskowego

Bezpośrednie użycie

Kocioł, suszarka i podgrzewacz procesowy

Boiler_retrofitted_to_accept_landfill_gas.JPG
Kocioł zmodernizowany do przyjmowania gazu wysypiskowego.

Gazociągi przesyłają gaz do kotłów, suszarni lub pieców, gdzie jest on wykorzystywany w podobny sposób jak gaz ziemny. Gaz wysypiskowy jest tańszy niż gaz ziemny i posiada około połowę wartości opałowej na poziomie 16 785 – 20 495 kJ/m3 (450 – 550 Btu/ft3) w porównaniu do 35 406 kJ/m3 (950 Btu/ft3) gazu ziemnego. Kotły, suszarnie i piece są często używane, ponieważ maksymalizują wykorzystanie gazu, wymagana jest ograniczona obróbka, a gaz może być mieszany z innymi paliwami. Kotły wykorzystują gaz do przekształcania wody w parę do różnych zastosowań. W przypadku kotłów na każdy milion ton odpadów na składowisku można wytworzyć około 8 000 do 10 000 funtów pary na godzinę. Większość projektów bezpośredniego użytku wykorzystuje kotły. General Motors oszczędza rocznie 500 000 USD na kosztach energii w każdym z czterech zakładów należących do General Motors, które wdrożyły kotły na gaz wysypiskowy. Wadą kotłów, suszarek i pieców jest to, że muszą być zmodernizowane w celu przyjęcia gazu, a użytkownik końcowy musi być w pobliżu (w promieniu około 5 mil), ponieważ trzeba będzie zbudować rurociągi.

Promienniki podczerwieni, szklarnie, pracownie rzemieślnicze

W sytuacjach, w których wydajność ekstrakcji gazu jest niska, gaz może zasilać promienniki podczerwieni w budynkach znajdujących się w pobliżu składowiska odpadów, dostarczać ciepło i energię do lokalnych szklarni oraz zasilać energochłonne działania studia zajmującego się garncarstwem, obróbką metali lub dmuchaniem szkła. Ciepło jest dość tanie w użyciu przy użyciu kotła. Potrzebna byłaby mikroturbina, aby zapewnić moc w sytuacjach niskiego stopnia ekstrakcji gazu.

Odparowanie odcieku

Odciek_system_odparowywania.JPG
System odparowywania odcieków .

Gaz pochodzący ze składowiska może być wykorzystany do odparowania odcieków w sytuacjach, gdy odcieki są dość drogie w oczyszczaniu. Wdrożenie systemu do odparowywania odcieków kosztuje od 300 000 do 500 000 USD, a koszty operacyjne i konserwacyjne wynoszą od 70 000 do 95 000 USD rocznie. Parownik o pojemności 30 000 galonów dziennie kosztuje 0,05 - 0,06 USD za galon. Koszt na galon wzrasta wraz ze spadkiem wielkości parownika. Parownik o pojemności 10 000 galonów dziennie kosztuje 0,18 - 0,20 USD za galon. Szacunki są w dolarach z 2007 roku.

Gaz jakości rurociągowej, CNG, LNG

Skid membranowy separatora gazu stosowany w procesie separacji membranowej do ekstrakcji dwutlenku węgla

Gaz wysypiskowy można przekształcić w gaz o wysokiej zawartości Btu poprzez zmniejszenie jego zawartości dwutlenku węgla, azotu i tlenu. Gaz o wysokim Btu może być przesyłany do istniejących rurociągów gazu ziemnego lub w postaci CNG ( sprężony gaz ziemny ) lub LNG ( ciekły gaz ziemny ). CNG i LNG można wykorzystywać na miejscu do napędzania ciężarówek lub sprzętu lub sprzedawać komercyjnie. Trzy powszechnie stosowane metody ekstrakcji dwutlenku węgla z gazu to separacja membranowa, sito molekularne i płukanie aminami. Tlen i azot są kontrolowane przez właściwą konstrukcję i działanie składowiska, ponieważ główną przyczyną tlenu lub azotu w gazie jest wnikanie na składowisko z zewnątrz z powodu różnicy ciśnień. Sprzęt przetwarzający o wysokim Btu może kosztować od 2600 do 4300 dolarów za standardową stopę sześcienną na minutę (scfm) gazu wysypiskowego. Roczne koszty eksploatacji, konserwacji i dostarczania energii elektrycznej wahają się od 875 000 USD do 3,5 mln USD. Koszty zależą od jakości gazu będącego produktem końcowym oraz wielkości projektu. Pierwszym gazem wysypiskowym do instalacji LNG w Stanach Zjednoczonych było składowisko Franka R. Bowermana w Orange County w Kalifornii . Ten sam proces jest stosowany do konwersji na CNG, ale na mniejszą skalę. Projekt CNG na składowisku Puente Hills w Los Angeles przyniósł 1,40 dolara na galon ekwiwalentu benzyny przy natężeniu przepływu 250 scfm. Koszt ekwiwalentu na galon zmniejsza się wraz ze wzrostem natężenia przepływu gazu. LNG można wyprodukować poprzez upłynnienie CNG. Jednak zawartość tlenu musi zostać zmniejszona do poniżej 0,5%, aby uniknąć obaw związanych z wybuchem, zawartość dwutlenku węgla musi być jak najbardziej zbliżona do zera, aby uniknąć problemów z zamarzaniem napotykanych podczas produkcji, a azot musi zostać zredukowany na tyle, aby osiągnąć co najmniej 96% metanu. Szacuje się, że zakład o wartości 20 mln USD osiągnie 0,65 USD/galon dla zakładu produkującego 15 000 galonów LNG dziennie (3 000 scfm). Szacunki są w dolarach z 2007 roku.

Generowanie elektryczności

Jeśli tempo wydobycia gazu składowiskowego jest wystarczająco duże, turbina gazowa lub silnik spalinowy mogą być wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej do sprzedaży komercyjnej lub wykorzystania na miejscu.

Silnik tłokowy posuwisto-zwrotny

IC_silniki.JPG
Silniki spalinowe do wytwarzania energii elektrycznej.

Ponad 70 procent wszystkich projektów elektrycznych na składowiskach wykorzystuje silniki tłokowe (RP) , rodzaj silnika spalinowego , ze względu na stosunkowo niski koszt, wysoką wydajność i dobre dopasowanie do większości składowisk. Silniki RP zwykle osiągają wydajność od 25 do 35 procent na gazie wysypiskowym. Jednak silniki RP można dodawać lub usuwać, aby śledzić trendy w gazie. Każdy silnik może osiągnąć od 150 kW do 3 MW, w zależności od przepływu gazu. Silnik RP (mniej niż 1 MW) może zazwyczaj kosztować 2300 USD za kW, a roczne koszty eksploatacji i konserwacji wynoszą 210 USD za kW. Silnik RP (powyżej 800 kW) może zazwyczaj kosztować 1700 USD za kW, a roczne koszty eksploatacji i konserwacji wynoszą 180 USD za kW. Szacunki są w dolarach z 2010 roku.

Turbina gazowa

Turbiny_gazowe.JPG
Turbiny gazowe wykorzystujące gaz wysypiskowy.

Turbiny gazowe , inna forma silnika spalinowego, zwykle osiągają sprawność od 20 do 28% przy pełnym obciążeniu gazem wysypiskowym. Sprawności spadają, gdy turbina pracuje przy częściowym obciążeniu. Turbiny gazowe charakteryzują się stosunkowo niskimi kosztami konserwacji i emisją tlenków azotu w porównaniu z silnikami RP. Turbiny gazowe wymagają wysokiego sprężenia gazu, który zużywa więcej energii elektrycznej do sprężania, co zmniejsza wydajność. Turbiny gazowe są również bardziej odporne na uszkodzenia korozyjne niż silniki RP. Turbiny gazowe wymagają co najmniej 1300 cfm i zwykle przekraczają 2100 cfm i mogą generować od 1 do 10 MW. Turbina gazowa (powyżej 3 MW) może zazwyczaj kosztować 1400 USD za kW, a roczne koszty eksploatacji i konserwacji wynoszą 130 USD za kW. Szacunki są w dolarach z 2010 roku.

Mikroturbina

Mikroturbiny mogą wytwarzać energię elektryczną przy mniejszych ilościach gazu wysypiskowego niż turbiny gazowe czy silniki RP. Mikroturbiny mogą pracować w zakresie od 20 do 200 cfm i emitować mniej tlenków azotu niż silniki RP. Mogą również funkcjonować przy mniejszej zawartości metanu (zaledwie 35 procent). Mikroturbiny wymagają intensywnego oczyszczania gazów i są dostępne w rozmiarach 30, 70 i 250 kW. Mikroturbina (mniej niż 1 MW) może zwykle kosztować 5500 USD za kW, a roczne koszty eksploatacji i konserwacji wynoszą 380 USD za kW. Szacunki są w dolarach z 2010 roku.

Ogniwo paliwowe

Przeprowadzono badania wskazujące, że ogniwa paliwowe ze stopionym węglanem mogą być zasilane gazem wysypiskowym. Ogniwa paliwowe ze stopionym węglanem wymagają mniejszej czystości niż typowe ogniwa paliwowe, ale nadal wymagają intensywnej obróbki. W ogniwach paliwowych ze stopionym węglanem wymagane jest oddzielenie kwaśnych gazów (HCl, HF i SO 2 ), utlenianie LZO ( usuwanie H 2 S) oraz usuwanie siloksanów. Ogniwa paliwowe są zwykle zasilane wodorem, a wodór można wytwarzać z gazu wysypiskowego. Wodór stosowany w ogniwach paliwowych charakteryzuje się zerową emisją, wysoką wydajnością i niskimi kosztami konserwacji.

Zachęty projektowe

States_with_state_or_private_incentives.JPG
Państwa z zachętami państwowymi lub prywatnymi.
Stany_z_RPS.JPG
stany ze standardem portfela odnawialnego.

Różne zachęty dla projektów dotyczących gazu wysypiskowego istnieją dla projektów w Stanach Zjednoczonych na poziomie federalnym i stanowym. Departament Skarbu , Departament Energii , Departamentu Rolnictwa i Departament Handlu wszystkim zapewnienie federalnych zachęt dla projektów dotyczących gazu wysypiskowego. Zazwyczaj zachęty mają formę ulg podatkowych, obligacji lub dotacji. Na przykład ulga podatkowa na produkcję energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych (PTC) zapewnia ulgę podatkową w wysokości 1,1 centa za kWh dla projektów składowisk odpadów o mocy powyżej 150 kW. Różne stany i fundacje prywatne zachęcają do projektów związanych z gazem wysypiskowym. Standard portfela odnawialnego (RPS) to wymóg prawny, który nakłada na przedsiębiorstwa użyteczności publicznej obowiązek sprzedaży lub wytwarzania pewnej części energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych, w tym gazu składowiskowego. Niektóre stany wymagają, aby wszystkie zakłady były zgodne, podczas gdy inne wymagają zgodności tylko z zakładami użyteczności publicznej.

Wpływ środowiska

W 2005 roku 166 milionów ton MSW zostało wyrzuconych na składowiska w Stanach Zjednoczonych. Z każdej tony MSW powstaje około 120 kg metanu. Metan ma potencjał globalnego ocieplenia 25 razy bardziej efektywny niż gaz cieplarniany niż dwutlenek węgla w 100-letnim horyzoncie czasowym. Szacuje się, że ponad 10% wszystkich światowych antropogenicznych emisji metanu pochodzi ze składowisk. Projekty związane z gazem wysypiskowym pomagają w redukcji emisji metanu. Jednak systemy zbierania gazu wysypiskowego nie gromadzą całego wytworzonego gazu. Około 4 do 10 procent gazu wysypiskowego ucieka z systemu zbierania typowego składowiska z systemem zbierania gazu. Wykorzystanie gazu wysypiskowego jest uważane za ekologiczne źródło paliwa, ponieważ równoważy zużycie paliw szkodliwych dla środowiska, takich jak ropa czy gaz ziemny , niszczy metan, który jest gazem zatrzymującym ciepło, a gaz jest wytwarzany przez złoża odpadów, które już istnieją. 450 z 2300 składowisk w Stanach Zjednoczonych miało operacyjne projekty wykorzystania gazu wysypiskowego od 2007 roku. LMOP oszacowało, że około 520 składowisk, które obecnie istnieją, może wykorzystywać gaz wysypiskowy (wystarczająco do zasilania 700.000 domów). Projekty związane z gazem wysypiskowym zmniejszają również lokalne zanieczyszczenie i tworzą miejsca pracy, przychody i oszczędności kosztów. Z około 450 projektów dotyczących gazu wysypiskowego działających w 2007 r. wytworzono 11 miliardów kWh energii elektrycznej, a odbiorcom końcowym dostarczono 78 miliardów stóp sześciennych gazu. Te sumy wynoszą około 17 500 000 akrów (7 100 000 ha) lasów sosnowych lub jodłowych lub roczne emisje z 14 000 000 samochodów osobowych.

Zobacz też

Bibliografia