Curs gestionarea deseurilor

CAPTAREA SI TRATAREA GAZELOR DE LA RAMPELE DE DEPOZITARE 1

Manual privind activitatile specifice din domeniul gestiunii deseurilor municipale

25.4. CAPTAREA SI TRATAREA GAZELOR DE LA RAMPELE DE DEPOZITARE

In toate rampele in care sunt depozitate gunoi menajer si deseuri industriale asemanatoare celor menajere se ajunge, dupa o scurta perioada de timp, prin procese microbiene de descompunere, la crearea biogazului.

Componentele organice din deseuri, ca de ex. resturi de alimente, de mancare, deseuri verzi, textile, hartie, lemn s.a.m.d., sunt descompuse prin activitati bacteriale.

In principal se formeaza metan (CH4) si monoxid de carbon (CO2). Apar si alte componente gazoase, insa numai in proportie redusa. Este vorba in principal de componente gazoase, care, datorita proprietatilor lor chimico-fizice, apar in aceasta faza din materialele depozitate. Rezulta aici o cota mare de hidrocarburi clorurate si fluorurate (HCFCl).

Potentialul principal de risc in cazul gazelor din rampe consta in pericolul de explozie si de asfixiere, daca biogazul se emite necontrolat. Mai mult, materialele mirositoare din biogaz reprezinta un deranj pentru localitatile invecinate. Componentele toxice au efecte negative asupra oamenilor si animalelor, cat si asupra vegetatiei aparute in cursul recultivarii suprafetei rampei de depozitare.

Un alt pericol pe care gazul de la rampa de depozitare il poate constitui este transformarea lui in ca agenti ai modificarilor climatice nou observate. La aparitia efectului de sera, gazul metan are o influenta de 32 de ori mai mare decat cea a dioxidului de carbon (CO2). Proportia metanului rezultat de la rampele de gunoi este estimata la 8-18% din cea a metanului eliberat in intreaga lume.

Din motivele prezentate mai sus este obligatoriu ca gazul rezultat de la rampa de gunoi, daca se afla intr-o cantitate considerabila, sa fie colectat si indepartat pe cai nedaunatoare.

25.4.1. Principii de baza privind formarea gazului de deponie

La un continut de umiditate convenabil, componenta care se poate descompune biologic a deseurilor poate fi transformata, in conditii anaerobe, cu ajutorul microorganismelor, in metan si dioxid de carbon. Apa din precipitatii infiltrata in deseuri creeaza conditiile de mediu necesare, daca lipseste o izolatie a suprafetei. Procesele de descompunere si produsele de descompunere obtinute sunt de ex. descrise detaliat de [CORD-LANDWEHR, 1986], [FARQUHAR si ROVERS, 1973], si [RETTENBERGER, 1982/1993].

In mediul anaerob din interiorul unui depozit de deseuri, organismele trebuie sa-si acopere nevoia de energie pentru diviziunea celulara, prin fosforizare. Urmatoarea figura infatiseaza procesele complexe care conduc la ruperea legaturilor polimerice pana cand se ajunge la formarea metanului.



Fig. 25 − 30: Descompunerea anaeroba a substantelor organice

Gazul de la rampele de depozitare mai contine urme de gaze care ajung la rampa

o data cu deseurile livrate [de ex. HCCl(F)] sau care sunt produse ale reactiilor chimice sau biochimice (de ex. combinatiile sulfului).

Masurile de indepartare a gazelor devin necesare la rampele mari de astazi cel putin in primii 20 pana la 30 de ani dupa incheierea fiecarui pas in parte. Sarcinile indepartarii tehnice a gazelor sunt:

• Reducerea drastica a emisiilor urat mirositoare; • Impiedicarea migrarii gazelor din zona de depozitare (mai ales in cazul

rampelor de depozitare sau al celor ingropate) ; • Impiedicarea migrarii gazelor in interiorul cladirilor, protectia impotriva

exploziilor, • Reducerea drastica sau impiedicarea afectarii vegetatiei in cadrul plantarilor de

recultivare.

25.4.1.1. Compozitia gazului de deponie

Gazul de la rampa initial, uscat, care este in mod normal saturat, consta aproape exclusiv (cca. 99% din volum) din cele doua componente inodore, metan CH4 (50-60% din volum) si dioxid de carbon CO2 (40-50% din volum). Celelalte componente care,

Substrate polimerice Proteine Carbohidrati Grasim

Aminoacizi Zaharuri

Acizi grasi

Acizi organice Alcooli

Acizi acetici hidrogen, dioxid de carbon

Metan

Hidroliza

Formarea acizilor

Formarea acizilor acetici

Formarea metanului

Bacterii fermentative

Bacterii fermentative

Bacterii acetogene

Bacterii metanogene



insumate depasesc numai rar 1% din volum, sunt totusi decisive pentru efectul gazului ca substanta urât mirositoare (in special mercaptani, amoniac, sulfuri) sau daunatoare.

Efectul daunator poate fi evaluat din perspectiva poluarii atmosferei (de ex. concentratii de gaz inadmisibile pentru personalul de la rampa de depozitare si pentru plante) sau a prejudicierii posibilitatilor de utilizare a gazelor (H2S, hidrocarburi).

Compozitia gazului de la rampa de depozitare variaza in functie de varsta rampei, producerea de CO2 incepand imediat dupa depozitare, iar formarea metanului dupa o faza scurta de fermentatie anaeroba acida.

Fig. 25 −−−− 31: Modificarea compozitiei gazului de la rampa de depozitare in functie de timp [Farquhar/Rovers, 1973]

Incinerarea sau valorificarea gazului de la rampa de depozitare poate fi realizata la scara industriala numai dupa atingerea „fazei metan stabile“. Intrarea in faza metan stabila este caracterizata prin faptul ca se obtine raportul

Metan ≥ 1

Dioxid de carbon

(faza metan)

AEROB Descompunere

ANAEROB Ne-Metan

ANAEROB Faza Metan

ANAEROB Faza Metan

Timp

INSTABIL STABILFaza



Acum exista suficient gaz metan pentru un proces independent de incinerare. Cu o subpresiune crescanda, la indepartarea obligatorie a gazului este absorbit si

asa-numitul aer falsificat. Daca sistemul de indepartare a gazului nu are locuri de scurgere, acest aer falsificat este analizat mai ales ca azot, deoarece oxigenul este consumat aproape complet pentru oxidarea componentelor din deseuri sau gazoase. Nu ar fi in nici un caz corect sa caracterizam componentele principale detectate ale aerului, ca facand parte din gazul de la rampa de depozitare, deoarece sunt absorbite din atmosfera in corpul deseurilor sau, in cazul unor rampe mai vechi, difuzeaza in straturile superioare.



Componente Formula chimica

Caz de la rampa initial

Intervalul concentratiilor

Metan CH4 50 – 60% din

vol. 0 −−−− 70% din vol.

Dioxid de carbon CO2 40 - 50% din

vol. 0 −−−− 50% din vol.

Monoxid de carbon CO 0 −−−− 2,8% din vol.

Amoniac NH3 0 −−−− 0,35 ppm

Hidrogen H2 0 −−−− 3,6% din vol.

Oxigen O2 0 −−−− 18% din vol.

Azot N2 0 −−−− 82,5% din vol.

Acid sulfhidric H2S 0 −−−− 70 ppm

Etil-mercaptan C2H5SH 0 −−−− 120 ppm

Acetaldehyd CH3CHO 150 ppm

Acetona C2H6CO 100 ppm

Benzol C6H6 0,07 ppm

Alcani fara metan CnH2n+2 0 −−−− 0,5 ppm

HCCl CxHyClz 30 −−−− 600mg/m³

Tab. 25 − 14: Componentele gazoase identificate la rampele de depozitare



Metanul este purtatorul de energie al gazului de la rampa. Are o valoare calorica de 35,5 MJ/m³n. Conform compozitiei gazului colectat de la rampa poata fi calculata valoarea calorica. Deoarece la o valorificare termica elementele ignifuge, inerte, adica in principal CO2 si azotul, trebuie sa fie incalzite si ele, pentru un gaz cu 55 % CH4, 36 % CO2, 8 % N2 si 1 % O2 rezulta o valoare calorica minima de

Val.cal. = 18,5 MJ/m³n. Aburii de apa joaca, la reducerea valorii calorice, un rol subordonat, deoarece

gazul de la rampa inainte de valorificare este eliberat de condensat.

25.4.1.2. Cantitatea de metan a diferitelor fractiuni si tipuri de deseuri

Cunoasterea continutului in carbon al deseului depus este premisa esentiala pentru calcularea productiei de gaz. [TABASARAN, 1976]. Se pleaca de la faptul ca in rampele pentru gunoiul menajer din Germania, fara luarea in considerare a deseurilor inerte si fara colectarea selectiva a deseurilor biologice, exista 170-220 kg carbon/Mg de gunoi umed ca substrat. Pentru initierea unei statii de indepartare a gazelor trebuie verificata aceasta valoare in functie de compozitia deseurilor. Adesea, avand in vedere pretratarea sau colectarea seletiva, avem un continut mai redus in carbon.

25.4.1.3. Cantitatile de gaz provenite din stabilizarea anaeroba

La fermentatia gunoiului ia nastere o cantitate de gaz modificabila in timp. Productia de gaz specifica teoretica Ge data in volum pe tona de deseu (m³/Mg) poate fi calculata din continutul in carbon al substratului de deseuri. Dupa legea gazului ideal, la transformarea biochimica a 1 kg de carbon (TC) se formeaza 1,868 m³ de gaz, independent de productia de dioxid de carbon (CO2) si metan (CH4).

Ge = productia totala de gaz pe tona de deseu pana la timpul t = oo ca potential calculat teoretic la descompunerea totala a TC

Pentru deseul depozitat la ora actuala in rampele romanesti, continand mult material organic, se poate presupune ca exista > 220 kg carbon/Mg de gunoi umed.



Ge = 1,868 * TC (m³/Mg), unde 1,868 = m³ gaz pe kg TC TC = continutul total de carbon al deseului in kg/Mg. Adeseori intreaga productie de gaz Ge, se micsoreaza cu o proportie asimilata de

carbon. Aceasta afirmatie se sprijina pe constatarea lui [TABASARAN, 1976], care compara degajarea gazelor la rampa de depozitare cu aceea din recipientele de fermentare:

Ge = 1,868 * TC * (0,014 * T + 0,28), unde : T = Temperatura la rampa de depozitare. Deoarece recipientele de fermentare sunt administrate de regula ca reactoare de

limpezire, iar o rampa de depozitare trebuie considerata ca Reaktor Batch cu caracter fix, autoliza (autogenerarea) maselor de bacterii formate trebuie luate in considerare prin asimiliare.

Influentele esentiale asupra reducerii cantitatilor de gaze care pot fi obtinute teoretic, Ge , sunt expuse in cele ce urmeaza.

O proportie de cca. 30% din carbon, abreviat TC (Total Carbon), nu este accesibila unei transformari in gaz, deoarece nu dispune de legaturi care sa poata fi descompuse (de ex. lignina sau parti ale materialului plastic). Acest lucru se ia in considerare prin factorul de descompunere fd = 0,7.

Pana la 5% din TC este transportat in forma dizolvata cu apa de infiltratii. Cand Conditiile de mediu de la rampa nu sunt optime pentru descompunerea anaeroba, local se poate ajunge la formarea unor cuiburi uscate, la franarea prin anumite substante sau la o subalimentare cu saruri si urme de alte elemente. Aceste elemente sunt redate in factorul de optimizare fo.

fd = factorul de descompunere; in conditii optime, maximum prin putrezirea pana la momentul t = oo, cota de TC eliminabila, fd = 0,7. fo = factor de optimizare, raportul dintre eliminarea de TC reala si cea maxim posibila, fo = 0,7 (- 1,0).

Productia reala totala de gaz Gt se compune din :

Gt = Ge * fd * fo

= 1,868 * TC * fd * fo (m³/Mg)



Produsul fd * fo poate fi estimat ca < 0,5, adica mai mult de 50% din potentialul

de gaz calculat teoretic (Ge) nu se obtine in conditile de la rampa de depozitare. Cu ajutorul sistemelor tehnice de evacuare a gazelor utilizate pana acum, se

colecteaza numai o parte anumita din productia reala de gaz. Captarea de gaz Gc , ca volum de gaz colectabil tehnic este mai redusa cu factorul fs decat productia reala de gaz Gt, diferenta fiind pierderea de gaz Gp:

Gc = Gt * fs = 1,868 * TC * fd * f0 * fs Gp = Gt - Gc, unde fs = gradul de cuprindere conditionata de sistem; raportul intre

cantitatea de gaz colectata in conditiile rampei in functie de sistemul de evacuare si cea real produsa.

Evolutia in timp a productiei de gaz poate fi descrisa printr-o reactie de descompunere de ordin intai.

Daca se introduce in echivalenta de mai sus factorul de timp ft*, suma productiei de gaz pana la momentul t poate fi calculata:

ft* = 1 - e-k*t [-] unde k = constanta de descompunere (1/unitate de timp), t = unitate de timp.

Trecerea de la o perspectiva statica la una dinamica asupra degajarii de gaz se realizeaza prin introducerea notiunii de debit de gaz Q in m³/unitate de masa si timp:

Qt = Gt * ft = Gt * k * e-k * t (m³/M t).



Fig. 25 − 32, Exemple de linii de evolutie a cantitatilor de gaz (calitativ)

25.4.2. Principii ale colectarii gazelor la rampa de depozitare

In prezent exista sisteme orizontale si verticale de evacuare a gazelor; iar in Germania s-au folosit pana la ora actuala cu precadere sisteme verticale pentru evacuarea gazelor de la rampele de depozitare. Pentru obtinerea unui efect de evacuare mai mare, ar trebui ca, la proiectare, sa se porneasca de la urmatoarele captari specifice de gaz:

Put qc,put = 2,0 m³n/h * lfdm lungimea perforata a tevii

"Subpresiunea poate fi numai atat de mare, incat rarefierea aerului sa ramanasuportabila. Experienta a aratat ca la put nu ar trebui sa depaseasca 30 pana la 50 mbar " [TABASARAN si RETTENBERGER, 1987].

Productia de gaz in m³/h

Timpul in ani



In practica evacuarii gazelor se folosesc captari specifice de gaze atat mai mari, cat si mai reduse – prin reglarea suflantelor. Sistemele verticale de evacuare a gazelor au o zona de influenta in forma de cerc. Estimarea zonei de influenta si a gradului de captare a acesteia se face dupa urmatoarele ecuatii:

Qc,put=hP * qc,put (m³n/h)

Qt,put=qt,put * π * R2 * h (m³n/h)

R2=(Qc,put / qt, put * π * h * E * f) (E-1 - E2) (m²)

unde:

Qc,put: captarea de gaz (puterea de suctiune) a putului de gaz (m³n/h)

hP: lungimea perforata a conductei drenate (m)

qc,put: captarea specifica de gaz (m³n/m h)

Qt,put: productia de gaz in zona de influenta a putului (m³n/h)

qt,put: productia de gaz specifica in zona de influenta a putului (m³n/m³ h)

R: raza de influenta a putului (m)

h: inaltimea rampei, hp + 4 m, cate 2 m interval de sigurnata sub stratul de acoperire sau deasupra bazei (m)

E:gradul de colectare a gazului Qc/Qt (-)



f: factor care tine cont de restul suprafetei dintre cercurile in cea mai densa depozitare si suprafata totala (-)

Fig. 25 − 33 : zona teoretica de influenta a unui put de gaz

Cantitatile de gaz calculate dupa model se refera la gaz in stare normala.

Capacitatea unui agregat de suctiune trebuie totusi raportata la cantitatea de gaz in conditiile de functionare; acest lucru se refera la capacitatea facliilor de gaz. Din cantitatea de gaz aspirata in conditii de functionare QF poate fi calculata captarea de gaz Qc cu ajutorul ecuatiilor de stare ale gazelor si, invers, din Qc se poate calcula QF.

h

Ü = grosimea stratului

R

2 m

hp

2 m

R

A = π• R2



Pe langa elementele verticale de colectare a gazelor (puturi) sunt incorporate in corpul deseurilor si elemente de colectare orizonatale (drenaje) sau o combinatie din cele doua.

Fig. 25 − 34 Elemente ale unei instalatii de evacuare a gazelor de la o rampa

de depozitare (schema)

25.4.3. Elementele unei instalatii de eliminare a gazului din deponie

25.4.3.1. Elemente de colectare a gazului Elementele de colectare a gazului ilustrate sunt:

• punctifotme • in plan vertical • liniare • in plan orizontal.

Pentru colectarea gazului de la rampa cat mai aproape posibil de locul de formare, in corpul deseului se incastreaza colectori de gaz si acestia sunt supusi

Corp depozitat

Colector de gaz

Conducta de colectare a gazului

Drenajul gazului Loc de colectare a gazului

Instalatie de transport a gazului

Cladire a intreprinderii

Instaltie dedeshidratare Loc de transport

al gazului

Valorificarea gazului

Camera masinilor



subpresiunii de cca. 25−−−−30 mbar. Colectorii de gaz sunt infatisati de cele mai multe ori ca „drenaje de gaz“ orizontale sau ca „puturi de gaz“ verticale, (cu conducta de conducere a gazului perforata integrata) si completate in anumite situatii prin corpuri de pietre, prin care gazele pot circula. In cazuri individuale, camerele de evacuare a gazelor sunt create in corpul de deseuri, din material cu granulatie mare si mai tarziu perforate si evacuate de gaze.

Puturile de gaz trebuie sa fie prevazute cu o conducta centrala ∅ 200 mm, care sa fie inconjurata de pietre (granulatie 16 / 32 mm).

Elementele de colectare in plan orizontal sunt de ex. straturile de eliberare a gazelor sau de drenaj de sub stratul izolator de la suprafata unei rampe de depozitare. Aceste straturi, la fel ca si corpul din pietre, trebuie sa contina cat mai putin carbonat de calciu, pentru a nu se ajunge la degradare, prin interventia chimica a apei, de infiltratii acide sau a condensului de gaz de la rampa.

Fig. 25 − 35: Put de gaz cu loc de masurare si racordare

Suprafata rampei

Put (supus coroziunii)

Loc de masurare

Furtun flexibil

Trapa de inchidere

Argila ca izolare

conducta PE-HD

Pietris sarac in var 16/32 mm

Conducta PE-HD a putului∅ 200 mm

Conducta PE-HD de legatura



25.4.3.2. Conductele de colectare a gazului

Conductele de colectare a gazului unesc elementele de colectare a gazului cu locurile (statiile) de colectare a gazului.

Conductele de colectare se pot conecta flexibil de putul de gaz, deoarece in aceste sectoare ne putem astepta la depuneri de deseuri. La locurile de racordare se gasesc adesea instalatii de colectare a probelor si de inchidere.

Conductele de colectare a gazului nu trebuie sa fie sub ∅ 100 mm, iar viteza de curgere a gazului nu trebuie sa depaseasca 10 m/s. Pentru protectia impotriva punctelor de legatura mai profunde, unde se pot face depuneri si condensul de gaz se poate aduna, legaturile de colectare subterane nu trebuie instalate sub o panta de 5%.

25.4.3.3. Puncte de colectare a gazului

In punctele de colectare a gazului se intalnesc conductele de colectare. Aici se instaleaza de obicei armaturi de reglare (presiune, debit volumic) si se asaza echipamente de masurare si supraveghere. Daca punctul de colectare se plaseaza in punctul relativ de adancime al conductelor de colectare aferente, se poate duce catre un centru condens de gaz din sistemul de legaturi. Etanseitatea la gaz a sistemului la aceeasi eliberare de condens se obtine prin constructii de conducte scufundate, asemanatoare sifoanelor.

25.4.3.4. Separarea condensului

Condensul de gaz apare in sistemul de legaturi prin racirea gazului sub forma de vapori de apa. Poate fi insa si preluat, direct inaintea instalatiilor de compactare, printr-o separare turbionara.

La calcularea cantitatii de condens, racirea gazului cald de la rampa poate fi de la 55°C la 20°C. Astfel se formeaza cca. 100 g condens/m³ de gaz de la rampa.

25.4.3.5. Instalatii de captare a gazelor

In instalatiile de captare a gazelor se realizeaza o crestere a presiunii gazului cu cca 100−−−−130 mbar (gazul de la rampa intra in statie cu cca. −−−−50 mbar subpresiune si iese cu cca. +80 mbar suprapresiune). Gazul este condus din instalatiile de extractie catre cele de valorificare (motor cu gaz, turbina cu gaz, cazane) sau catre facliile de gaz.

Instalatiile de extractie a gazelor trebuie prevazute, din cauza riscului de explozii in cazul unei modificari a amestecului de gaze, cu posibilitati de analiza permanenta si de protectie.



Fig. 25 −36 : Protectia contra exploziilor la instalatiile de aspirare a gazelor de la rampele de depozitare; dupa [Rettenberger 1993]

Combinatie din

de prevenire constructive

Masuri pentru protectia impotriva exploziilor

In interiorul statiilor In exteriorul statiilor

Legaturi prin conducte Agregate de stimulare Bariere pentru apa

Imprejurime Spatii Puturi

Instalatii de supraveghere a gazului Instalatii de supraveghere a flacarilor explosionsfeste Bauweise Asigurari ale subtraversarii flacarilor Blocari de securitate

Mijloace electrice de productie antiexplozie Instalatii de supraveghere a aerului din incapere Masuri de aerisire (naturala / tehnica)



25.4.4. Arderea gazulu din deponie

Daca valorificarea gazului de la rampa de depozitare nu este posibila, acesta trebuie descompus, prin ardere la temperaturi inalte de cca. 1.200 °C, in partile sale componente netoxice. Astfel sunt distruse lanturi lungi de legaturi toxice. In plus, prin ardere este inlaturat metanul, un important gaz de sera.

Fig. 25 −36: Faclie de gaz de la rampa de depozitare (ardere la temperatura

inalta)



25.4.5. Valorificarea gazului din deponie

Daca exista posibilitati tehnice si daca acest lucru este rentabil, gazul de la rampa de depozitare trebuie valorificat. Pe langa arderea intr-un cazan de incalzire, se pune problema utilizarii lui pe post de combustibil intr-un motor cu gaz. Utilizarea directa intr-un motor cu gaz este posibila de ex. printr-un compactor de deseuri functionand pe baza de gaz. Indirect, printr-un motor cu gaz cu generator cuplat se poate obtine curent pentru alimentarea cu energie a unei statii de salubrizare sau pentru introducerea in reteaua de alimentare cu energie.

Condensul de gaz de la rampa de depozitare trebuie salubrizat, din cauza substantelor toxice pe care le contine, asemenea apei de infiltratii. De obicei este foarte corosiv si poate distruge, prin agresivitatea sa acida, chiar si otelul innobilat. Se recomanda folosirea materiei industriale PE-HD la construirea statiei, daca exista probabilitatea contactului cu condensul de gaz de la rampa.

25.4.6. Condensul de gaz din deponie

Condensul de gaz de la rampa de depozitare trebuie salubrizat, din cauza substantelor toxice pe care le contine, asemenea apei de infiltratii. De obicei este foarte corosiv si poate distruge, prin agresivitatea sa acida, chiar si otelul innobilat. Se recomanda folosirea materiei industriale PE-HD la construirea statiei, daca exista probabilitatea contactului cu condensul de gaz de la rampa.

Curs gestionarea deseurilor

Documents

Transcript of Curs gestionarea deseurilor