Abfallwirtschaftund Abfalltechnik

Übung „Deponie“SS 20046.FS Grundfach

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Übung „Deponie“

Deponie-Gas

Dipl.-Ing. Roland Haubrichs

V15 R05 H08

Sprechstunde: Mi 14:00 – 15:00

roland.haubrichs@uni-essen.de

http://www.uni-essen.de/abfallwirtschaft

Sommersemester 2004

Abfallwirtschaftund Abfalltechnik

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Deponiearten

• Erd- oder Bodendeponien

• Bauschuttdeponien

• Monodeponien

– Klärschlammdeponien

– Schlackendeponien

• Reststoff-/Rückstandsdeponie

• Hausmülldeponien

– Restedeponien

– Rottedeponien

• Sonderabfalldeponien

• Firmeneigene Deponie, Werksdeponie

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Deponietypen

• Haldendeponie

• Deponie am Hang

• Grubendeponie,Talverfüllung

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Unterschiedliches Gefahren- und Emissionspotential und -verhalten nach Deponieart und -typ

Emissionen und Gefahren

• Lärm und Staub aus Ablagerungsbetrieb und Baumaßnahmen

• Verbreitung von Keimen und Pilzsporen

• Geruchsbelästigung von Anwohnern und Arbeitern

• Schadtiere

• Deponiebrände

• Deponiesickerwasser

• Deponiegas

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Rechtliche Vorschriften

• Deponierichtlinie (EU-Recht)

• Kreislaufwirtschafts-/Abfallgesetz (Krw-/AbfG)

• Deponieverordnung (DepV)

• Abfallablagerungsverordnung (AbfAblV)

• Technische Anleitung Siedlungsabfall (TASi)

• Technische Anleitung Abfall (TA Abfall)

• Bundesbodenschutzgesetz (BBodSchG)

• Wasserhaushaltsgesetz (WHG)

• Technische Anleitung Luft (TA Luft)

• Bundesimmissionsschutzgesetz (BImschG)

• ...

Auflistung nicht vollständig !!!

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TA Siedlungsabfall

• gasförmige Emissionen in die Atmosphäre so weit wie möglich vermindert,

• Brand- und Explosionsgefahren verringert sowie

• Beeinträchtigungen des Pflanzenwuchses auf und in der Umgebung der Deponie verhindert.

Mit der Deponiegaserfassung und -behandlungwerden von der Deponie ausgehende

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AbfAblV Anhang 1 und 2Parameter Einheit Zuordnungswerte

MBA- vorbehandelte alle anderen AbfälleAbfälle (Anhang 2) (Anhang 1)

Deponieklasse I Deponieklasse IIFestigkeitswerteFlügelscherfestigkeit kN/m² <= 25 oder axiale Verformung und einaxiale Druckfestigkeit

Axiale Verformung % <=20Einaxiale Druckfestigkeit kN/m² <=50Organischer Anteil des TrockenrückstandsGlühverlust Masse% <=3 <=5TOC Feststoff Masse% <=18 <=1 <=3

oder Glühverlust oder Glühverlust

Oberer Heizwert kJ/kg <=6.000oder TOC Feststoff

Atmungsaktivität mgO2/gTS <=5TOC Eluat mg/l <=250 <=20 <=100Extrahierbare Stoffe Masse% <=0,8 <=0,4 <=0,8EluatkriterienpH-Wert 5,5 - 13Leitfähigkeit microS/cm <=50.000 <=10.000 <=50.000Phenole mg/l <=50 <=0,2 <=50Arsen mg/l <=0,5 <=0,2 <=0,5Blei mg/l <=1 <=0,2 <=1Cadmium mg/l <=0,1 <=0,05 <=0,1Chrom VI mg/l <=0,1 <=0,05 <=0,1Kupfer mg/l <=5 <=1 <=5Nickel mg/l <=1 <=0,2 <=1Quecksilber mg/l <=0,02 <=0,005 <=0,02Zink mg/l <=5 <=2 <=5Fluorid mg/l <=25 <=5 <=25Ammoniumstickstoff mg/l <=200 <=4 <=200Cyanide, l.fr. mg/l <=0,5 <=0,1 <=0,5AOX mg/l <=1,5 <=0,3 <=1,5Wasserlösliche Anteile Masse% <=6 <=3 <=6

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Oberflächenabdichtungen nachTASi

Deponieklasse II Deponieklasse I

Entwässerungsschicht oder Flächendrainage

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Deponieoberflächenabdichtung

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• Deponien – Bioreaktorenungesteuert-nicht beeinflussbar

• aerobe und anaerobe Vorgänge im Deponiekörper

• Endprodukt: Faulgas als „Deponiegas“

• Abbaustufen

• Oxidation• Saure Gärung

• Instabile Gärung• Stabile Gärung

• komplexe Vorgänge - teilweise unbekannte Einzelreaktionen

• Hauptanteile des Deponiegases: CO2 und CH4

Deponiegasentstehung

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Stufe 1: Oxidation

der noch anwesende Sauerstoff wird verbraucht, erste Faulvorgänge treten auf, Dauer wenige Wochen: Fette, Proteine, Zellulose -> Aminosäuren, Fettsäuren, Zucker

Stufe 2: Saure Gärung

Umwandlung in klassische Gärprodukte H2,CO2, Acetat und Fettsäuren -> starke Geruchsemissionen und SW -Verschmutzungen, pH-Wert sinkt

Stufe 3 + Stufe 4: Instabile Methanphase + Stabile Methanphase

Umwandlung in CH4, CO2 und H2O, geringere Sickerwasserbelastung

Abbaustufen im Deponiekörper

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Deponiegasentstehung

Stu

fe 1

Stu

fe 2

Stu

fe 3

Stu

fe 4

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Methanogene Bakterien:

- verantwortlich für die Methanproduktion- relativ geringe Wachstumsrate- Millieubedingungen

- anaerob (freier Sauerstoff hemmt)- Wassergehalt (25-45 Gew.-%)- Temperatur - pH-Wert- Alkalität- Redoxpotential- Fettsäuregehalt- Salze- toxische Stoffe

Deponiegasentstehung

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Eigenschaften von Deponiegas

• Hauptkomponenten Methan und Kohlendioxid, brennbar, in bestimmten Konzentrationen explosionsfähig

• Bei günstigen Bedingungen Gehalte bis zu55% CH4 und 45% CO2

• In der Praxis Methan-Gehalte zwischen 35 und 55%

• Damit Heizwert zwischen 3,5 und 5,5 kWh/m³

• Spurenstoffe in der Regel < 1 Vol-%

• In der Regel wasserdampfgesättigt

• Bei Ansaugung von Luft sind weitere Bestandteile N2 und O2

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Spurenstoffe im Deponiegas

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Emissionspfade

• Diffuse Emissionen über die gesamte Deponieoberfläche in die Atmosphäre

• Konzentrierte Deponiegasaustritte an Störstellen in der Deponieoberfläche (Spalten, Rohre, Schächte, Gasbrunnen etc.)

• Migration des Deponiegases durch den lufterfüllten Porenraum des Untergrundes (Deponien ohne Basisabdichtung)

Diffusion: Gastransport verläuft von Bereichen höherer Konzentration zu Bereichen niedriger Konzentration-> Konzentrationsausgleich

Potentialströmung: Gastransport verläuft aus Bereichen höheren Drucks in Bereiche niedrigen Drucks -> Druckausgleich

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Entgasungssysteme

• Aktive DeponieentgasungDurch Verdichter wird in einem Leitungssystem und in Gaskollektoren ein Unterdruck erzeugt und das Gas aus dem Deponiekörper gesaugt.

• Passive EntgasungDas Deponiegas entweicht auf Grund des Überdrucks gegenüber der Atmosphäre aus dem Deponiekörper.

Die passive Entgasung wird nur bei Altdeponien oder Deponien mit geringerem Gasanfall angewandt.

Der Beginn der (aktiven oder passiven) Entgasung liegt maximal 6 Wochen nach dem Beginn des Ablagerungsbetriebs.

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Anforderungen an das Deponiegaserfassungssystem

• Alle Elemente müssen stets einwandfreientwässerbar sein. Vermeidung von Wasseransammlungen.

• Das Entgasungssystem muss bei geringer Wartung betriebssicher sein. Beispiel: Entwässerung im freien Gefälle besser als mit Pumpen.

• Keine Beeinträchtigung der Abdichtungssysteme.

• Langzeitbeständigkeit gegenüber chemische (z.B.pH-Wert), physikalische (z.B. Temperatur) und biologische Einwirkungen.

• Abdichtung gegen Lufteinbrüche, die zu explosiven Gemischen führen können.

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Bestandteile des Entgasungssystems

• Fassungselemente (FE)

• Punktförmige FE,z.B. Entgasungskammern

• Vertikale flächige und linienförmige FE,z.B. Drainagewände, Entgasungsschächte, Kies-und Schottersäulen, Gasbrunnen

• Horizontale flächige und linienförmige FE,z.B. Gasdrainageschichten

• Kombinationen aus punktförmigen, linienförmigen und flächigen FE

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Bestandteile des Entgasungssystems

• Fassungselemente (FE)

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Bestandteile des Entgasungssystems

• Fassungselemente (FE)

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Bestandteile des Entgasungssystems

• Fassungselemente (FE)

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Bestandteile des Entgasungssystems

• Fassungselemente (FE)

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Bestandteile des Entgasungssystems

• Sammelsystem aus Rohrleitungen

• Unterirdische Verlegung mit mindestens 5% Gefälle,

• Frostsichere Überdeckung,

• Horizontal- und Vertikalanschlüsse an Bauteile sind beweglich auszuführen,

• Alle gasführenden Leitungen sind druckstossfestund elektrisch leitfähig auszuführen.

• Kondensatausschleusung

• Am Tiefpunkt des Sammelsystems wird das Kondensat aus dem Leitungssystem ausgeschleust.

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Biofilter (biol. Methanoxidation)305 45

wirtschaftl.BHKW

20

technische Grenze HTV

25 35

Hoch-Temperatur-Verbrennung

Muffeln/Dampferzeug.

15

Obere Explosionsgrenze (100% OEG)

Untere Explosionsgrenze (100% UEG), 4,4 Vol % nach IEC 60079-20

10

Stationäre Wirbelschichtfeuerung

4

Stationäre Wirbelschichtfeuerung mit Vorwärmung

0

Schwachgas Mittelgas Starkgas Reichgas

% CH4

Deponiegasbehandlung

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Hochtemperatur-Fackel

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Blockheizkraftwerk (BHKW)

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Blockheizkraftwerk (BHKW)

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Deponieentgasung

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Gasprognosemodell nach Tabasaran-Gasproduktion bei Verfüllung-

physikalisches Modell – gesamte zu erwartende Gasmenge

mathematisches Modell - Verteilung der Gasmenge auf Zeit

Ge : die in langen Zeiträumen gebildete Gasmenge [m³/h]?Abbau :Abbaufaktor?Fassung :Fassungsgrad?Milieu :MilieufaktorC0 : organischer Kohlenstoff [kg]ϑ : Temperatur [°C]

Gt: bis zur Zeit t gebildete Deponiegasmenge [m³/t Abfall]k: Abbaukonstante [1/a]t: Zeit [a]

( )

⋅⋅⋅⋅⋅+⋅⋅⋅=

3652428,0014,0868,1 0

MCG MilieuFassungAbbaue ηηηϑ

( )tket GG ⋅−−⋅= 101

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Gasprognosemodell nach Tabasaran

( ) ( )tkMilieuFassungAbbaut

MCG ⋅−−⋅

⋅⋅⋅⋅⋅+⋅⋅⋅= 101

3652428,0014,0868,1 0 ηηηϑ

Gasproduktion nach Verfüllung

Gasproduktion während Verfüllung

( )2

1

1

1010

101 tktk

tke

tG

G ⋅−⋅−

⋅−

⋅−⋅

=

t1: Betriebsjahre des Verfüllungszeitraums [a]t2: Betriebsjahre nach dem Verfüllungszeitraum [a]t2 > t1

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Gasprognosemodell nach Tabasaran

Voraussetzungen:

C0: Hausmüll zwischen 170 und 220 kg/t Abfall, je nach Abfallzusammensetzung (z.B. Bauschutt Anteil gering)

ϑ: Temperaturen in der Deponie zwischen 25 und 35°C, gilt nur für den mesophilen Bereich

k: gewählt mit 0,025 bis 0,05 entspricht Abbau von50-75% der organischen Substanz

M: Müllmenge [Mg]

?Abbau = 0,8 ?Fassung = 0,9 ?Milieu = 0,6

Zeitversatz:Gasanlaufphase 2 Monate bis 1,5 Jahren ohne Produktion

Gesetz der idealen Gase:Bei der restlosen Vergasung von 1 kg organischem Kohlenstoff wird

ein Gasvolumen von 1,868 m³ erzeugt.

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a) Berechnen Sie die zu erwartenden Gasmengen in [m³/h] bis 30 Jahre nach Ablagerungsbeginn.

b) Berechnen Sie die im 19. Betriebsjahr installierte elektrische Leistung sowie die produzierte Energiemenge in kWh.Das BHKW steht in diesem Jahr 92 % der Zeit zur Stromerzeugung zur Verfügung.

c) Stellen Sie die Teilaufgaben a und b grafisch dar.

Rechenaufgabe Deponiegas

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Verfüllmenge pro Jahr M: 90.000 [Mg]Verfüllzeit: 15 [a]Wassergehalt: 39 [Gew.-% FS]Glühverlust: 60 [Gew.-%]Gehalt des abbaubarenorganischen Kohlenstoffs: 50 [%]Abbaukonstante k: 0,035 (=65%)Temperatur im Deponiekörper ϑ: 30°CAnlaufzeit der Gasproduktion: 1 [a]

Heizwert: 21,48 [MJ/m³]elektrische Wirkungsgrad BHKW: 30%

Rechenaufgabe Deponiegas

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Rechenaufgabe Deponiegas

Berechnung von Co:

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Berechnung von Ge:

eingesetzt:

Rechenaufgabe Deponiegas

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Rechenaufgabe Deponiegas

1. Jahr:

2. Jahr:

15. Jahr:

3. Jahr:

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16. Jahr:

17. Jahr:

30. Jahr:

Rechenaufgabe Deponiegas

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Jahr Verfüllmenge Gesamtverfüllmenge Gasmenge spez. Gasmenge absolut Gesamtgasmenge[Mg/a] [Mg] [m³/h] [Mio.m³/a] [Mio.m³]

1 90000 90000 0 0 02 90000 180000 83,132 0,728 0,7283 90000 270000 159,828 1,400 2,1284 90000 360000 230,585 2,020 4,1485 90000 450000 295,863 2,592 6,7406 90000 540000 356,088 3,119 9,8597 90000 630000 411,649 3,606 13,4658 90000 720000 462,908 4,055 17,5209 90000 810000 510,198 4,469 21,99010 90000 900000 553,826 4,852 26,84111 90000 990000 594,076 5,204 32,04512 90000 1080000 631,210 5,529 37,57513 90000 1170000 665,469 5,830 43,40414 90000 1260000 697,075 6,106 49,51115 90000 1350000 726,234 6,362 55,87316 0 1350000 694,821 6,087 61,95917 0 1350000 641,022 5,615 67,57418 0 1350000 591,388 5,181 72,75519 0 1350000 545,598 4,779 77,53420 0 1350000 503,353 4,409 81,94421 0 1350000 464,379 4,068 86,01222 0 1350000 428,423 3,753 89,76523 0 1350000 395,251 3,462 93,22724 0 1350000 364,647 3,194 96,42225 0 1350000 336,413 2,947 99,36826 0 1350000 310,365 2,719 102,08727 0 1350000 286,334 2,508 104,59628 0 1350000 264,163 2,314 106,91029 0 1350000 243,710 2,135 109,04530 0 1350000 224,840 1,970 111,014

Rechenaufgabe Deponiegas

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Erzeugte elektrische Energie im 19. Jahr:

Rechenaufgabe Deponiegas

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Rechenaufgabe Deponiegas

Gasmenge spez. [m³/h]

0

100

200

300

400

500

600

700

800

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40

Gasmenge spez. [m³/h]

178

356

534

712

8901068

1246

elektrische Energie [kW]