Molnár Tamás Géza
Depóniagáz kinyerés hatékonyságának növelése To increase the efficiency of landfill gas extraction
[email protected] SZTE Mérnöki Kar Műszaki Intézet, főiskolai docens
1. Bevezetés A hulladéklerakókba lerakott hulladék mennyiségétől, minőségétől (szerves anyag tartalmától), a lerakás módjától, technológiájától illetve a lebomláshoz szükséges környezeti viszonyok megléte mellett depóniagáz képződik. A depóniagáz gyűjtésével és ellenőrzött körülmények között zárt rendszerben való kitermelésével csökkenhetők a gázkitörések a hulladéklerakókból (tűz és robbanásveszélyes). A depóniagáz összetételét tekintve metán - ami energetikailag hasznosítható - és a szén-dioxid (inert gáz) keletkezik legnagyobb térfogatszázalékban. A hulladéklerakó telepi depóniagáz kinyerési eljárások lehetnek passzív és aktív gázellenőrző és mentesítő rendszerek.. A passzív rendszer hátrányaként említhető, hogy a depóniagáz a gáznyomás hajtóerejével nyerhető ki a gázkutakból, ennek a termelékenysége elég alacsony. Aktív rendszer használata során egy vákuum előállító rendszer segítségével elszívás alá helyezem a hulladéklerakó-telep gázkútjait, amivel olyan nyomáskülönbség érhető el, amely képes eltávolítani a gázt a lerakó belsejéből. A depóniagáz termelődés folyamatainak szabályzása nehéz feladat, mivel széles tartományban mozog a lerakott hulladék szerves anyag tartalma. Így nehezen határozható meg egy adott hulladéklerakóban a keletkezett depóniagáz mennyisége és minősége és ennek időbeli eloszlása. A depóniagáz mennyiségi és minőségi paramétereit így a hasznosítási lehetőségeket is nagymértékben befolyásolja egy adott régiónak a szerves anyag potenciálja, illetve a jellemző időjárási paraméterek. A szabályzás depóniagáz kitermelés szempontjából néhány paraméteren alapul, a többi változó a rendszerben. A szabályzási lehetőségek rendszerint: a lerakási technológiája, a gázmentesítő rendszerek hatékonysága és kialakítása, tömörítés és az elszívó rendszer nyomásviszonyai [Barótfi, 1998]. A hulladék összetétel változásának az üzemeltető ki van téve, illetve törvényi előírások is szabályozzák a hulladéklerakó telepekre lerakható biológiailag lebomló szerves anyag mennyiséget, ami későbbiekben a depóniagáz mennyiségeket is nagymértékben befolyásolhatja. A folyamatok szabályzását, illetve a gázkutak szabályzását általában manuálisan végzik, van lehetőség számítógépes rendszerrel való távfelügyeletre is, ami viszont komoly beruházási költségeket jelent az üzemeltetőnek. A depóniagáz kinyerés és hasznosítás, mint gáztechnikai beruházás tűz- és robbanás veszélyes, ahol gázmentesítő rendszer elemeinek meg kell akadályozni, hogy a depóniagáz a rendszerből kijusson [Molnár, 2002]. 2. Anyag és módszer Az A.S.A. Hódmezővásárhely Köztisztasági Kft. kommunális szilárd hulladéklerakója Hódmezővásárhely külterületén a 01957/1 hrsz-ú területen üzemel, a városközponttól kb. 5-6 km-re helyezkedik el. A hulladéklerakó telepére közszolgáltatás keretében Hódmezővásárhely mellett további hat településről (Csanytelek, Mindszent, Mártély, Földeák, Békéssámson, Makó, Nagyér) szállítanak hulladékot, ellátási körzete 200.000 fő, a depóniák végső magassága 30 m, kapacitása 3,9 millió m3 tömör hulladék, amely közel 50 évig biztosítja a térség kommunális hulladékának ártalmatlanítását. A depónia gázkinyerő rendszer elemei a következőek: gázkutak, gázgyűjtő vezetékek, gázszabályozó, nyomásfokozó, fáklya, gázmotoros konténer, meteorológiai állomás(1. ábra). A depóniagáz összegyűjtése gázkutak segítségével történik. A hulladéklerakó telepen a kezdeti időszakban alsó elszívású gázkutak voltak telepítve, azonban a süllyedésből és deformációból származó hibák nagymértékben akadályozták a gázkitermelés hatásfokát. Áttértek a felső elvezetésű gázkút kialakításra, melyek a lerakó feltöltése,
281
vagy bizonyos magasság elérése után épülnek, az üzemeltetést nem hátráltatja, jó minőségű depóniagáz és hozam érhető el.
1. ábra Depóniagáz termelés létesítményei [Molnár, 2002]
Felső elvezetésű gázkutak (2. ábra) a lerakó feltöltése, vagy bizonyos magasság elérése után épülnek, az üzemeltetést nem hátráltatja. A kút és kavicsvédelme nem sérül meg, alul előfordulhat vizesedés, de a gáz felfelé kiszívható, tisztítást, javítást nem igényel. Jó minőségű gáz és kitermelési hozam érhető el. Hátrányként említhető, hogy csak a kút építése után kezdődik a gázelvétel
2. ábra Felső elvezetésű gázkút kialakítása és elhelyezkedése a hulladéklerakó telepen A depóniagáz kinyerés hatékonyságának növelése érdekében az összes gázkútnál vizsgálati pontokat alakítottam és a gáz összetételét és az elszívási értékeket tudtam mérni. A hulladéklerakóban (depóniatestben) lezajló degradációs folyamat diagnosztizálására GA2000 típusú NDIR (Non Dispersive Infra Red) közepes infravörös tartományban működő gázelemző készüléket használtam. Az elemzéshez SPSS for Windows 11.0 programot használtam. Az adatokat varianciaanalízis módszerével dolgoztam fel. A homogenitást a Levene-teszttel állapítottam meg, a csoportpárok összehasonlításakor Tamhane-tesztet (heterogenitás esetén), és LSD tesztet (homogenitás esetén) alkalmaztam. A változók közötti összefüggéseket lineáris regresszió analízissel végeztem el. Az alkalmazott elszívási értékek optimális megválasztásával és a tolózárak helyes szögértékének kiválasztásával a kitermelt depóniagáz mennyiségét jelentősen tudjuk befolyásolni. A telemetriás rendszer segítségével nyomon tudjuk követni egy hulladéklerakó telepen működő összes gázkút paramétereinek változását, így optimálisan be tudunk avatkozni a kitermelt depóniagáz mennyiségi és minőségi paramétereiben. 3. Eredmények Mérési rendszerek elhelyezkedése a hulladéklerakó telepen (3. ábra), a hulladéklerakó telepen a vizsgálatokhoz rendelkezésemre állt a depóniagáz mennyiségének és minőségének vizsgálatára egy számítógépes adatgyűjtő rendszer és egy konténeres mérőberendezés, ahol a mérési rendszerek elemei találhatóak. A vizsgálataim során a következő paramétereket mértem: szívóoldali vákuum [mbar], üzemi nyomás [mbar], CH4, O2 [%], külső hőmérséklet [°C], depóniagáz hőmérséklet [°C], pillanatnyi gáztermelés [m3/h], összes gázmennyiség [m3/nap], gázveszély visszajelző [%], kompresszor [üó]. A mérési rendszer felépítésekor három mérési pontot alakítottam ki: az 1 mérési pont a gázkutaknál található két mérőcsonk, az egyiken tudom mérni az alkalmazott depressziót (2. ábra) a másik csonkon pedig a depóniagáz minőségi összetételét és a tolózárak nyitási szögét.
282
3. ábra Mérési rendszereknek az elhelyezkedése a hulladéklerakó telepen Vizsgálataim során összefüggéseket kerestem az alkalmazott depresszió és a hulladéklerakóból kinyert depóniagáz metántartalma között. Mérési csoportokat alakítottam ki melynek eredményei az 1. táblázatban láthatóak, a vizsgálati időpont 2014. 01.31-12.31, gázkutak száma 11db. 1. táblázat Az elszívás mértéke és a metántartalom közötti összefüggések eredményei
45,47
Variációs koefficiens CV% [%] 32,82
14,924
43,34 46,15 52,44 54,11 51,15 50,87 49,67
33,94 31,73 21,58 15,97 34,47 39,76 28,82
19,042 14,644 11,317 8,644 17,635 20,226 14,319
Nyomás csoport
Alkalmazott elszívás [mbar]
n [db]
CH4 átlag [%]
1. csoport
≤ (-3)
45
2. csoport 3. csoport 4. csoport 5. csoport 6. csoport 7. csoport
(-2,9) - (-2) (-1,9) - (-1) (-0,9) - 0 0,1 - 1 1,1 - 1,9 ≥2 Összesen
58 95 180 72 41 18 517
95%Konfidancia intervallum Felső Alsó érték érték 40,99 49,95
szórás [%]
38,33 43,16 50,78 52,07 45,59 40,81 48,44
Minimum [%]
Maximum [%]
6
66
6 13 25 31 5 1 1
65 68 66 68 66 67 68
48,34 49,13 54,11 56,14 56,72 60,93 50,94
Az összes gázkút esetében a metántartalmi és az alkalmazott elszívás adatait összerendelve lineáris regresszió vizsgálatot végeztem, melynek eredményei az 1. diagramban találhatóak. A metántartalom változása az alkalmazott depresszió függvényében a következő egyenlettel írható le: y=3,5607x+51,72 az R2=0,2644. A korrelációs együttható értéke r=0,52, az összefüggések szorossága közepes korrelációt mutat. Az adatok grafikus feldolgozásból látható kiugró szélső értékek, az üzemeltetés és kitermelés során fellépő műszaki hibák miatt láthatóak (jégdugó, kondenzvíz kiválás, csővezeték tömítetlenség). Ezeknek a feltüntetésével pontosabb információkat tudunk kapni a depóniatestben lejátszódó folyamatokra, illetve üzemeltetési információk álnak rendelkezésünkre ezáltal. 90,0
CH4 [%]
80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 y = 3,5607x + 51,72
20,0
2
R = 0,2644
10,0 0,0 -10,0
-5,0
0,0
5,0
10,0
vákuum érték [mbar]
283
1. diagram Az összes gázkútban a metántartalmi értékek változása az elszívás függvényében Az egyes gázkutak között jelentős különbségeket tapasztaltam, ennek az okai a következőek lehetnek: a gázkutak tájolása a hulladéklerakó telepen való elhelyezkedése, az időjárási paraméterek változása, a hulladék összetétel változása a depónia területén belül. Ezért a gázkutak esetében a kitermelt depóniagáz összetételében jelentős különbségek láthatóak a 2. táblázat szerint. Azonban a helyes elszívási értékek beállításával és szabályzással optimalizálni tudjuk a kitermelt depóniagáz metántartalmát a mennyiségi paraméterekről függően. Ezek alapján elmondható, hogy 4. csoport esetében mért metántartalmi értékek az üzemeltetéshez szükséges perem feltételeket kielégíti, tehát ha az elszívás mértéke meghaladja a -0,9mbar értéket, akkor a metántartalom csökken, ezáltal a gázkutaknál megtalálható tolózárak szabályzása elengedhetetlen feladattá válik. 2. táblázat Az egyes gázkutak átlag metántartalmi értékei az alkalmazott elszívás függvényében Nyomás csoport 1. csoport 2. csoport 3. csoport 4. csoport 5. csoport 6. csoport 7. csoport Összesen
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. gázkút gázkút gázkút gázkút gázkút gázkút gázkút gázkút gázkút gázkút gázkút CH4 CH4 CH4 CH4 CH4 CH4 CH4 CH4 CH4 CH4 CH4 [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] 36,21 49,33 48,80 43,50 43,63 49,60 43,85 54,50 41,12 19,80 38,97 39,07 30,82 36,50 34,50 55,60 60,69 47,60 56,80 40,78 42,75 30,50 32,23 34,65 37,55 49,12 44,70 55,80 41,30 58,52 43,93 56,84 29,58 43,02 38,75 38,27 54,35 52,38 61,03 54,56 61,04 42,90 52,89 55,07 56,55 55,00 48,24 60,25 65,23 63,90 60,60 54,60 50,20 55,78 49,43 60,95 22,14 39,60 50,63 62,93 64,00 59,48 59,10 59,91 57,12 10,10 56,20 63,73 65,00 59,03 56,00 55,70 47,1 32,53 42,47 53,03 51,67 61,12 52,50 58,99 46,63 54,15 45,16
4. Következtetések A vizsgálati időszakban 20014. évre vonatkozóan a depóniagáz átlag metántartalma 49,67%, ami a gázmotor üzemeltetéshez szükséges minimum feltételeket teljesíti, a kitermelt depóniagáz teljes mennyisége 269.991m3 a 3. táblázat szerint. Az irodalmi adatokkal ellentétesen a várt 20-300m3/t depóniagáz termelődéshez képest mindösszesen a lerakott hulladékból - összetételétől függően - 2-3m3/t depóniagáz kitermeléssel lehet számolni, ennek oka a hulladéklerakó telepre jellemző környezeti viszonyok alakulása, és az adott régióra jellemző szerves anyag potenciál. Az eredmények fejezetben ismertettem, hogy az elszívás hatással van a kitermelt depóniagáz metántartalmára, ezért a rendszer szabályozhatósága és a működési feltételek biztosítása elengedhetetlenül fontos feladat. A gázkinyerő rendszer hatékonyságát havi, illetve teljes vizsgálati időszakra megvizsgáltam. Az eredményei a következőek: az összes csúcskihasználási óraszám 3913,83h, amit ha a termelődött depóniagázzal összefüggésbe hozzunk, akkor 69,32 m3/h depóniagáz termelődést kapunk 3. táblázat Hulladéklerakó telepen kinyert depóniagáz mennyisége és minősége 2014-ben Hónap Január Február Március Április Május Június Július Augusztus Szeptember
284
Depóniagáz CH4 [%] 53,91 53,60 47,05 49,12 54,92 53,65 49,24 51,19 46,30
Depóniagáz mennyisége [m3/hó] 18150,41 24764,41 20416,65 21562,23 27859,25 25998,36 22771,35 23175,18 16407,71
Csúcs Csapadék Átlag Depóniagáz óraszám mennyiség hőm. [m3/h] [h] [mm/hó] [°C] 292,50 26,5 5,65 62,05 335,25 35,20 5,83 73,75 325,75 48,80 9,46 62,67 332,25 10,30 13,41 66,91 358,25 98,30 18,35 77,76 339,25 111,00 22,17 76,63 396,81 32,80 23,58 57,38 290,54 52,50 23,09 79,76 233,84 68,80 15,14 70,16
Október November December Összesen
46,98 46,89 48,14 49,67
22846,56 22998,25 22966,35 269916,71
326,82 353,62 328,95 3913,8
51,60 66,90 23,50 52,2
11,38 5,11 0,82
69,90 65,04 69,81 69,32
A legkedvezőbb depóniagáz termelődéssel az augusztusi hónapban találkoztam 79,76 m3/h mellett 51,19% átlagos metántartalmat mértem (2. diagram). A tavaszi és nyár hónapokban képződött csurgalékvíz visszaöntözésével kedvező mikroklímát tudok biztosítani a baktériumok számára, illetve az öngyulladásból származó tűzesetek számát tudom csökkenteni. Az időjárási paraméterek figyelembevételével és az alkalmazott elszívási értékek optimalizálásával az energetikai paraméterek javulását tapasztalhatjuk, az augusztus hónapban kitermelt depóniagáz mennyisége 23175 m3/hó, illetve a legkedvezőbb depóniagáz metántartalmi értékeket tapasztaltam.
56,00 54,00 52,00 50,00 48,00 46,00 44,00 42,00 40,00
25000,00 20000,00 15000,00 10000,00 5000,00
December
November
Október
Szeptember
Augusztus
Július
Június
Május
Április
Március
Február
0,00
depóniagáz metántartalom [%]
depóniagáz metántartalma [%]
30000,00
Január
3
depóniagáz mennyiség [m ]
depóniagáz mennyisége [m3]
2. diagram Depóniagáz mennyiségének és metántartalmának változása a vizsgált időszakban Szeptemberben mértem a legkedvezőtlenebb átlag metántartalmi értékeket 46,30%-t, a kitermelt depóniagáz mennyisége 16.407 m3/hó volt. Az átlaghőmérsékleti érték 15,14C° környékén változott, ez még viszonylag kedvező értéknek mondható, de a gáz kinyerő rendszer meghibásodása és a karbantartása miatt a legkisebb csúcskihasználási tényező adódott 233,84h. Ami azt jelenti, hogy átlagosan 70,16 m3/h volt a depóniagáz kitermelés
285
5. Összefoglalás A hulladéklerakó telepen az alkalmazott elszívás mértéke a kitermelt depóniagáz metántartalmát befolyásolja. Javasolt gázkutak esetében a tolózárak időközönkénti szabályzása helyett, egy folyamatos kontrollal rendelkező telemetriás rendszerre való áttérést. Ami azt jelenti, hogy a gázkutaknál kialakított gázmérési pontok által szolgáltatott depóniagáz minőségét jellemző paraméterek egy központi számítógépbe kerülnek. A bejövő információk alapján egy tervezett program segítségével meghatározandó, hogy milyen tolózár nyitásszöget kell alkalmazni. A tolózárak működtetését villanymotorral oldjuk meg, így a számítógép által meghatározott nyitási értéket mechanikai beavatkozás nélkül akár az üzemeltető központi irodájából is tudja működtetni. A telemetriás rendszer figyelné a meteorológiai állomás által küldött információkat is, és ezek alapján határozná meg a gázkutaknál alkalmazott elszívás mértékét. Használatával a legoptimálisabb depóniagáz mennyiségi és minőségi paraméterek biztosíthatóak. A telemetriás rendszer magas beruházási költségei ellenére a gázkihozatal az általam vizsgált hódmezővásárhelyi hulladéklerakó-telep esetében 79,76m3/h-ról 105m3/h-ra változott, ami jelentős különbség. Ennek energetikai oldalról történő megközelítése a következő, az értékesíthető villamos energia mennyiségének 15%-os emelkedését eredményezné. Jelenleg az értékesíthető villamos energia mennyisége 1.207500 kWh, ami 1.388625kWh-t jelente éves szinten. Az átvételi árak jelentős változása a hulladéklerakó telepeknek a rentábilis működését eredményezné ez által. A telemetriás rendszer legnagyobb előnye, hogy az elő munka ráfordítást is jelentősen redukálja, mivel 1fő technikai személyzetre van szükség a rendszer irányításához és üzemeltetéséhez. A ráfordítás megtérülési ideje természetesen a hazai hulladékgazdálkodásra vonatkozó előírások mellett is 2-3 éven belül megtérül. Jelenleg hazánkban nem működik telemetriás felügyelettel ellátott depóniagáz kinyerő rendszer, azonban a hódmezővásárhelyi hulladéklerakó telepen tervezzük ennek a kiépítését. 6. Irodalomjegyzék 1. BARÓTFI, I.(1998): A biomassza energetikai hasznosítása. Energia Gazdálkodási Kézikönyv IX, Budapest 2. BAI A.(2005): A biogáz előállítása - Jelen és jövő, Szaktudás Kiadó Ház, Budapest. 3. EÖRSI, T. G. (2006): A hulladéklerakókból kidiffundálódó depóniagáz szerepe az üvegházhatásban, MVM ERBE Zrt., Budapest 4. FOGARASSY, C. – TÓTH, L. – SCHREMPF, N. – TÓTH, N. (2008) Biogáz termelés és felhasználás műszaki – gazdaságossági kérdései (előadás). MTA AMB 2008. XXXII. Kutatási és Fejlesztési Tanácskozás, Gödöllő. 5. MOLNÁR, T. (2002): Biogáz kinyerés és hasznosítás a hódmezővásárhelyi hulladéklerakó telepen, SZIEGépészmérnöki Kar, Környezettechnika és Épületgépészeti Tanszék Diplomamunka, Gödöllő. 6. OLESSÁK, D. – SZABÓ, L.(1984): Energia hulladékokból. Műszaki Könyvkiadó, Budapest. 7. SEMBERY, P – TÓTH, L. (2004): Hagyományos és megújuló energiák, Szaktudás Kiadó, Budapest, p. 274-279.
286
