Utilização de gás de aterro - Landfill gas utilization

Coleta de gás de aterro de área de aterro tampada

A utilização do gás de aterro sanitário é um processo de coleta, processamento e tratamento do metano ou outro gás emitido pela decomposição do lixo para produzir eletricidade, calor, combustíveis e vários compostos químicos. Depois dos combustíveis fósseis e da agricultura, o gás de aterro sanitário é a terceira maior fonte de metano gerada pelo homem. Comparado com CO
2, o metano é 25 vezes mais eficaz como gás de efeito estufa. É importante não apenas controlar sua emissão, mas, onde as condições permitirem, utilizá-la para gerar energia, compensando assim a contribuição de duas grandes fontes de gases de efeito estufa para as mudanças climáticas . O número de projetos de gás de aterro, que convertem o gás em energia, passou de 399 em 2005 para 519 em 2009 nos Estados Unidos, de acordo com a Agência de Proteção Ambiental dos EUA. Esses projetos são populares porque controlam os custos de energia e reduzem as emissões de gases de efeito estufa . Esses projetos coletam o gás metano e o tratam, para que possa ser usado para eletricidade ou transformado em gás para gasodutos. Esses projetos alimentam casas, edifícios e veículos.

Geração

Composição percentual de cada componente principal do gás de aterro com o tempo.

O gás de aterro (LFG) é gerado por meio da degradação de resíduos sólidos urbanos (RSU) e outros resíduos biodegradáveis por microrganismos . Condições aeróbicas, presença de oxigênio, conduzem predominantemente a CO
2emissões. Em condições anaeróbicas, como é típico de aterros, metano e CO
2são produzidos em uma proporção de 60:40. Metano ( CH
₄) é o componente importante do gás de aterro, pois tem um valor calorífico de 33,95 MJ / Nm ^ 3, o que dá origem a benefícios de geração de energia. A quantidade de metano produzida varia significativamente com base na composição dos resíduos. A maior parte do metano produzido em aterros sanitários de RSU é derivado de resíduos de alimentos , papel composto e papelão ondulado que compreende 19,4 ± 5,5%, 21,9 ± 5,2% e 20,9 ± 7,1%, respectivamente, na média dos aterros sanitários de RSU nos Estados Unidos. A taxa de produção de gás de aterro varia com a idade do aterro. Existem 4 fases comuns pelas quais uma seção de um aterro sanitário de RSU passa após a colocação. Normalmente, em um grande aterro, diferentes áreas do local estarão em diferentes estágios simultaneamente. A taxa de produção de gás de aterro chegará a um máximo em cerca de 5 anos e começará a diminuir. O gás de aterro sanitário segue a decadência cinética de primeira ordem depois que o declínio começa com um valor k variando de 0,02 ano-1 para condições áridas e 0,065 ano-1 para condições úmidas. O Landfill Methane Outreach Program (LMOP) fornece um modelo de decaimento de primeira ordem para auxiliar na determinação da produção de gás de aterro denominado LandGEM (Landfill Gas Emissions Model). Normalmente, as taxas de extração de gás de um aterro de resíduos sólidos urbanos (RSU) variam de 25 a 10.000 m ³ / h, enquanto os aterros variam de 100.000 m ³ a 10 milhões de m ³ de resíduos no local. O gás de aterro sanitário de RSU normalmente tem cerca de 45 a 60% de metano e 40 a 60% de dióxido de carbono, dependendo da quantidade de ar introduzido no local, seja por meio de extração ativa de gás ou de vedação inadequada (tamponamento) do local do aterro. Dependendo da composição dos resíduos no local, existem muitos outros componentes menores que compreendem cerca de 1%, que inclui H
₂S , NÃO
_x, SO
₂, CO , compostos orgânicos voláteis não metano (NMVOCs), hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAHs), dibenzodioxinas policloradas (PCDDs), dibenzofuranos policlorados (PCDFs), etc. Todos os agentes acima mencionados são prejudiciais à saúde humana em altas doses.

Sistemas de coleta de LFG

Um poço típico de extração de gás.

Ventilador de gás de aterro.

Um layout do sistema de coleta de gás de aterro sanitário.

A coleta de gás de aterro é normalmente realizada por meio da instalação de poços instalados verticalmente e / ou horizontalmente na massa de resíduos. As heurísticas de projeto para poços verticais requerem cerca de um poço por acre de superfície do aterro, enquanto poços horizontais são normalmente espaçados cerca de 50 a 200 pés no centro. A coleta eficiente de gás pode ser realizada tanto em aterros abertos quanto fechados, mas os aterros fechados possuem sistemas mais eficientes, devido à maior implantação da infraestrutura de coleta, uma vez que não ocorre o enchimento ativo. Em média, os aterros fechados possuem sistemas de coleta de gás que capturam cerca de 84% do gás produzido, em comparação com cerca de 67% nos aterros abertos.

O gás de aterro também pode ser extraído por meio de valas horizontais em vez de poços verticais. Ambos os sistemas são eficazes na coleta. O gás de aterro é extraído e canalizado para um coletor principal de coleta, onde é enviado para ser tratado ou queimado. O coletor principal de coleta pode ser conectado ao sistema de coleta de lixiviado para coletar a condensação que se forma nos tubos. Um soprador é necessário para puxar o gás dos poços de coleta para o coletor de coleta e mais a jusante. Um sistema de coleta de gás de aterro sanitário de 40 acres (160.000 m ² ) com um flare projetado para uma taxa de extração de 600 pés ³ / min é estimado em $ 991.000 (aproximadamente $ 24.000 por acre) com operação anual e custos de manutenção de $ 166.000 por ano a $ 2.250 por bem, $ 4.500 por flare e $ 44.500 por ano para operar o soprador (2008). O LMOP fornece um modelo de software para prever os custos do sistema de coleta.

Queimando

Flares: Flare aberto (à esquerda) e fechado (à direita).

Se as taxas de extração de gás não garantem o uso direto ou geração de eletricidade e, para evitar a liberação descontrolada para a atmosfera, o gás pode ser queimado. Cem m ³ / h é um limite prático para queima nos EUA. No Reino Unido, os motores a gás são usados com uma capacidade inferior a 100m3 / h. Os flares são úteis em todos os sistemas de gás de aterro, pois podem ajudar a controlar os picos de extração de gás em excesso e os períodos de inatividade para manutenção. No Reino Unido e na UE, os flares fechados, dos quais a chama não é visível, são obrigatórios em aterros sanitários modernos. Os flares podem ser abertos ou fechados, mas os últimos são normalmente mais caros, pois fornecem altas temperaturas de combustão e tempos de residência específicos, bem como limitam o ruído e a poluição luminosa. Alguns estados dos EUA exigem o uso de sinalizadores fechados sobre sinalizadores abertos. Temperaturas de combustão e tempos de residência mais altos destroem componentes indesejados, como hidrocarbonetos não queimados. Os valores geralmente aceitos são uma temperatura do gás de exaustão de 1000 ° C com um tempo de retenção de 0,3 segundos, o que resulta em uma eficiência de destruição superior a 98%. A temperatura de combustão é um importante fator de controle, pois se maior que 1100ºC, existe o perigo de formação exponencial de NOx térmico.

Tratamento de gás de aterro

O gás de aterro deve ser tratado para remover impurezas, condensado e partículas. O sistema de tratamento depende do uso final. O tratamento mínimo é necessário para o uso direto de gás em caldeiras, fornalhas ou fornos. O uso do gás na geração de eletricidade normalmente requer um tratamento mais aprofundado. Os sistemas de tratamento são divididos em processamento de tratamento primário e secundário. Os sistemas de processamento primário removem a umidade e as partículas. O resfriamento e a compressão do gás são comuns no processamento primário. Os sistemas de tratamento secundário empregam múltiplos processos de limpeza, físicos e químicos, dependendo das especificações do uso final. Dois constituintes que podem precisar ser removidos são os siloxanos e os compostos de enxofre , que são prejudiciais ao equipamento e aumentam significativamente o custo de manutenção. Adsorção e absorção são as tecnologias mais comuns usadas no processamento de tratamento secundário.

Uso de gás de aterro

Uso direto

Caldeira, secador e aquecedor de processo

Caldeira adaptada para aceitar gás de aterro.

Os gasodutos transmitem o gás para caldeiras, secadores ou fornos, onde é usado da mesma forma que o gás natural. O gás de aterro é mais barato que o gás natural e mantém cerca de metade do valor de aquecimento em 16.785 - 20.495 kJ / m3 (450 - 550 Btu / ft3) em comparação com 35.406 kJ / m3 (950 Btu / ft3) do gás natural. Caldeiras, secadores e fornos são usados frequentemente porque maximizam o uso do gás, é necessário um tratamento limitado e o gás pode ser misturado com outros combustíveis. As caldeiras usam o gás para transformar água em vapor para uso em várias aplicações. Para caldeiras, cerca de 8.000 a 10.000 libras por hora de vapor podem ser geradas para cada 1 milhão de toneladas métricas de resíduos no aterro. A maioria dos projetos de uso direto usa caldeiras. A General Motors economiza US $ 500.000 em custos de energia por ano em cada uma das quatro fábricas de propriedade da General Motors que implementou caldeiras de gás de aterro sanitário. As desvantagens das caldeiras, secadores e fornos são que eles precisam ser adaptados para aceitar o gás e o usuário final precisa estar próximo (cerca de 5 milhas), pois os dutos precisarão ser construídos.

Aquecedores infravermelhos, estufas, estúdios de artesanato

Em situações com baixas taxas de extração de gás, o gás pode ir para alimentar aquecedores infravermelhos em edifícios locais para o aterro, fornecer calor e energia para estufas locais e alimentar as atividades intensivas de energia de um estúdio dedicado a cerâmica, usinagem ou sopro de vidro. O calor é razoavelmente barato de usar com o uso de uma caldeira. Uma microturbina seria necessária para fornecer energia em situações de baixa taxa de extração de gás.

Evaporação de chorume

Sistema de evaporação do chorume .

O gás proveniente do aterro sanitário pode ser usado para evaporar o lixiviado em situações em que o lixiviado é bastante caro para tratar. O sistema para evaporar o lixiviado custa de $ 300.000 a $ 500.000 para ser implementado, com custos de operação e manutenção de $ 70.000 a $ 95.000 por ano. Um evaporador de 30.000 galões por dia custa $ 0,05 - $ 0,06 por galão. O custo por galão aumenta à medida que o tamanho do evaporador diminui. Um evaporador de 10.000 galões por dia custa $ 0,18 - $ 0,20 por galão. As estimativas são em dólares de 2007.

Gasoduto de qualidade, GNV, GNL

Skid de membrana separadora de gás usada no processo de separação por membrana para extrair dióxido de carbono

O gás de aterro sanitário pode ser convertido em gás de alto Btu reduzindo seu conteúdo de dióxido de carbono, nitrogênio e oxigênio. O gás de alto Btu pode ser canalizado para dutos de gás natural existentes ou na forma de CNG ( gás natural comprimido ) ou GNL ( gás natural líquido ). O GNV e o GNL podem ser usados no local para movimentar caminhões ou equipamentos de transporte ou vendidos comercialmente. Três métodos comumente usados para extrair o dióxido de carbono do gás são separação por membrana, peneira molecular e depuração de amina. O oxigênio e o nitrogênio são controlados pelo projeto e operação adequados do aterro, uma vez que a causa primária do oxigênio ou nitrogênio no gás é a intrusão externa no aterro devido à diferença de pressão. O equipamento de processamento de alto Btu pode custar de US $ 2.600 a US $ 4.300 por pé cúbico padrão por minuto (scfm) de gás de aterro sanitário. Os custos anuais variam de $ 875.000 a $ 3,5 milhões para operar, manter e fornecer eletricidade para. Os custos dependem da qualidade do gás do produto final, bem como do tamanho do projeto. O primeiro gás de aterro sanitário para instalação de GNL nos Estados Unidos foi o Frank R. Bowerman Landfill em Orange County, Califórnia . O mesmo processo é usado para a conversão para GNV, mas em menor escala. O projeto CNG em Puente Hills Landfill em Los Angeles realizou $ 1,40 por galão de gasolina equivalente com a vazão de 250 scfm. O custo por galão equivalente reduz à medida que a taxa de fluxo do gás aumenta. O GNL pode ser produzido por meio da liquefação do GNV. No entanto, o teor de oxigênio precisa ser reduzido para menos de 0,5% para evitar problemas de explosão, o teor de dióxido de carbono deve ser o mais próximo possível de zero para evitar problemas de congelamento encontrados na produção e o nitrogênio deve ser reduzido o suficiente para atingir pelo menos 96% de metano. Estima-se que uma instalação de $ 20 milhões alcance $ 0,65 / galão para uma planta que produz 15.000 galões / dia de GNL (3.000 scfm). As estimativas são em dólares de 2007.

Geração da eletricidade

Se a taxa de extração de gás do aterro sanitário for grande o suficiente, uma turbina a gás ou motor de combustão interna podem ser usados para produzir eletricidade para vender comercialmente ou usar no local.

Motor de pistão alternativo

Motores de combustão interna para geração de eletricidade.

Mais de 70 por cento de todos os projetos de eletricidade em aterros sanitários usam motores de pistão alternativo (RP) , uma forma de motor de combustão interna , devido ao custo relativamente baixo, alta eficiência e bom tamanho compatível com a maioria dos aterros. Os motores RP geralmente alcançam uma eficiência de 25 a 35 por cento com gás de aterro. No entanto, os motores RP podem ser adicionados ou removidos para seguir as tendências do gás. Cada motor pode atingir 150kW a 3 MW, dependendo do fluxo de gás. Um motor RP (menos de 1 MW) pode custar normalmente $ 2.300 por kW com operação anual e custos de manutenção de $ 210 por kW. Um motor RP (maior que 800 kW) pode custar normalmente $ 1.700 por kW com operação anual e custos de manutenção de $ 180 por kW. As estimativas são em dólares de 2010.

Turbina a gás

Turbinas a gás que utilizam gás de aterro.

Turbinas a gás , outra forma de motor de combustão interna, geralmente atingem uma eficiência de 20 a 28 por cento em plena carga com gás de aterro. A eficiência cai quando a turbina está operando em carga parcial. As turbinas a gás têm custos de manutenção e emissões de óxido de nitrogênio relativamente baixos quando comparadas aos motores RP. As turbinas a gás requerem alta compressão de gás, que usa mais eletricidade para comprimir, reduzindo assim a eficiência. As turbinas a gás também são mais resistentes a danos corrosivos do que os motores RP. As turbinas a gás precisam de um mínimo de 1.300 cfm e normalmente excedem 2.100 cfm e podem gerar de 1 a 10 MW. Uma turbina a gás (maior que 3 MW) pode custar normalmente $ 1.400 por kW com operação anual e custos de manutenção de $ 130 por kW. As estimativas são em dólares de 2010.

Microturbina

As microturbinas podem produzir eletricidade com menores quantidades de gás de aterro do que turbinas a gás ou motores RP. As microturbinas podem operar entre 20 e 200 cfm e emitir menos óxidos de nitrogênio do que os motores RP. Além disso, eles podem funcionar com menos conteúdo de metano (apenas 35 por cento). As microturbinas requerem amplo tratamento de gás e vêm em tamanhos de 30, 70 e 250 kW. Uma microturbina (menos de 1 MW) pode custar normalmente $ 5.500 por kW com operação anual e custos de manutenção de $ 380 por kW. As estimativas são em dólares de 2010.

Célula de combustível

A pesquisa foi realizada indicando que as células a combustível de carbonato derretido podem ser alimentadas por gás de aterro sanitário. As células a combustível de carbonato fundido requerem menos pureza do que as células a combustível típicas, mas ainda requerem um tratamento extensivo. A separação de gases ácidos (HCl, HF e SO ₂ ), oxidação de VOC ( remoção de H ₂ S) e remoção de siloxano são necessárias para células a combustível de carbonato fundido. As células de combustível normalmente funcionam com hidrogênio e o hidrogênio pode ser produzido a partir do gás de aterro. O hidrogênio usado nas células a combustível tem emissão zero, alta eficiência e baixo custo de manutenção.

Incentivos de projeto

Estados com incentivos estatais ou privados.

Estados com padrão de portfólio renovável.

Existem vários incentivos para projetos de gás de aterro sanitário para projetos dos Estados Unidos nos níveis federal e estadual. O Departamento do Tesouro , o Departamento de Energia , o Departamento de Agricultura e o Departamento de Comércio fornecem incentivos federais para projetos de gás de aterro. Normalmente, os incentivos são na forma de créditos fiscais, títulos ou subsídios. Por exemplo, o Crédito Tributário para Produção de Eletricidade Renovável (PTC) dá um crédito tributário corporativo de 1,1 centavos por kWh para projetos de aterro sanitário acima de 150 kW. Vários estados e fundações privadas oferecem incentivos para projetos de gás de aterro. Um Padrão de Portfólio Renovável (RPS) é um requisito legislativo para que as concessionárias vendam ou gerem uma porcentagem de sua eletricidade a partir de fontes renováveis, incluindo gás de aterro sanitário. Alguns estados exigem que todos os serviços públicos estejam em conformidade, enquanto outros exigem que apenas os serviços públicos cumpram.

Impacto ambiental

Em 2005, 166 milhões de toneladas de RSU foram descartados em aterros nos Estados Unidos. Aproximadamente 120 kg de metano são gerados a partir de cada tonelada de RSU. O metano tem um potencial de aquecimento global 25 vezes mais eficaz como gás de efeito estufa do que o dióxido de carbono em um horizonte de tempo de 100 anos. Estima-se que mais de 10% de todas as emissões antropogênicas globais de metano são provenientes de aterros sanitários. Projetos de gás de aterro sanitário ajudam na redução das emissões de metano. No entanto, os sistemas de coleta de gás de aterro não coletam todo o gás gerado. Cerca de 4 a 10 por cento do gás de aterro sanitário escapa do sistema de coleta de um aterro típico com sistema de coleta de gás. O uso de gás de aterro é considerado uma fonte de combustível verde porque compensa o uso de combustíveis prejudiciais ao meio ambiente, como petróleo ou gás natural , destrói o gás metano, que retém o calor, e o gás é gerado por depósitos de resíduos já existentes. 450 dos 2.300 aterros nos Estados Unidos têm projetos operacionais de utilização de gás de aterro sanitário em 2007. O LMOP estimou que aproximadamente 520 aterros sanitários que existem atualmente poderiam usar gás de aterro (o suficiente para abastecer 700.000 residências). Os projetos de gás de aterro também reduzem a poluição local e criam empregos, receitas e economia de custos. Dos cerca de 450 projetos de gás de aterro em operação em 2007, 11 bilhões de kWh de eletricidade foram gerados e 78 bilhões de pés cúbicos de gás foram fornecidos aos usuários finais. Esses totais somam cerca de 17.500.000 acres (7.100.000 ha) de florestas de pinheiros ou abetos ou emissões anuais de 14 milhões de veículos de passageiros.

Languages

In other projects