Po decyzji o budowie systemu odgazowania składowiska następuje etap przygotowawczy, w efekcie którego opracowuje się specyfikację projektową, określającą wymogi wobec instalacji oraz dostawców materiałów i urządzeń, a także wobec wykonawców.
Chociaż systemy te składają się z takich samych, stałych elementów, przygotowanie dobrej specyfikacji tylko teoretycznie jest proste. Niezawodność działania takich układów zapewnić może współpraca, zarówno na etapie opracowania takiej specyfikacji, jak i w czasie budowy systemu, z podmiotami posiadającymi wiedzę i doświadczenie w tym zakresie.
Budując systemy odgazowania, należy zacząć od źródła biogazu, czyli jego ujęcia. Służy do tego studnia gazowa. Następnym elementem są rurociągi zbiorcze (gazociągi), którymi gaz ze studni przekazywany jest do układów regulacyjnych poprzez odwadniacze, by następnie przejść przez stację ssaw. Na końcu układu montowane są pochodnie, ewentualnie urządzenia do energetycznego wykorzystania biogazu.
Ujęcie, czyli studnia
Na wstępie specyfikacja powinna zatem określać rodzaj studni. Ważne jest bowiem wskazanie, czy studnia ma być pionowa, pozioma czy kombinowana. Istotna jest też odpowiedź na pytanie, czy ma być ona w odpadach wiercona, czy układana. Dobór studni będzie uzależniony od rodzaju składowiska i od oczekiwań inwestora. Inaczej bowiem będzie wyglądała specyfikacja dla składowiska, które jest już zrekultywowane (w tym wypadku konieczne jest przewiercanie się przez warstwę rekultywacyjną), a inaczej dla obiektu będącego w trakcie eksploatacji, na którym studnie są używane przede wszystkim do kontroli emisji (w tym odorów). Charakterystykę studni dobrze opisują wytyczne Ministerstwa Środowiska1.
Jeżeli inwestor zdecyduje się na studnie wiercone (najczęściej stosowane), to powinna zostać określona średnica i głębokość wiercenia oraz głębokość zabudowy filtra. Należy też wskazać, jaki materiał ma zostać użyty do jego wykonania i jaką perforację ma mieć filtr. Ważne będzie też określenie w specyfikacji, jak i z jakiego materiału ma być wykonana obsypka żwirowa filtra, w jaki sposób należy uszczelnić studnie w odpadach i jaka głowica powinna być zainstalowana do połączenia z gazociągiem zbiorczym. Niezbędne w tym przypadku wydaje się także uwzględnienie odpowiednich zaworów regulacyjnych oraz punktów pomiarowych do pobierania próbek gazu i do określania poziomu odcieku i temperatury – o ile projekt będzie przewidywał takie elementy. Warto też pamiętać, by nie przesadzić ze średnicą studni. Zdarzają się specyfikacje, w których określa się ją na 500 czy nawet 800 mm. I później trzeba budować zgodnie z taką specyfikacją, choć nie jest to w żaden sposób uzasadnione. W studni o dużej średnicy niezwykle trudne jest efektywne zastosowanie podciśnienia, które pozwoliłoby odsysać biogaz z odpadów – potwierdza to zarówno praktyka, jak i badania naukowe. Budowa systemów biogazowych, opartych na studniach z tak dużymi średnicami – ze względu na koszty związane z materiałem oraz z dużą trudnością ich wykonania – generuje tylko niepotrzebne, znaczne koszty. W przypadku decyzji o wykorzystaniu studni wierconych najczęściej zastosowanie znajdują studnie o średnicy 300-400 mm i filtry o przekroju rzędu 100-250 mm. Większe średnice studni i filtrów są uzasadnione w zasadzie tylko wtedy, gdy służą one do odpompowywania odcieków.
Natomiast studnie układane buduje się w ten sposób, że ich kolejne elementy są dokładane wraz z usypywaniem warstw odpadów na składowisku. Niestety, ich zasadniczymi wadami są krótka żywotność i niska efektywność, gdyż są bardzo podatne na uszkodzenia mechaniczne, które może wywołać choćby przejazd w niedużej odległości kompaktora. Ponadto uszkodzenia rurociągów w tych studniach mogą być wywoływane przez siły działające na nie w wyniku różnic w osiadaniu odpadów – nie wytrzymują one naprężeń powodowanych przez masę przesuwających się odpadów.
Bardzo ważnym, choć niedocenianym elementem, wpływającym na poprawność wykonania i działania studni, jest obsypka żwirowa. Warto pokusić się o to, żeby wykorzystany materiał charakteryzował się granulacją rzędu co najmniej 16-32 mm. Jest to ważne z dwóch powodów. Po pierwsze dlatego, że taki żwir spowalnia dopływ gazu do studni, a tym samym ogranicza kolmatację i blokowanie perforacji studni, a po drugie – działa on jako mechaniczna osłona filtra zabudowanego w studni, gdyż pochłania obciążenia generowane przez przesuwające się w złożu odpady. W przypadku zastosowania żwiru o mniejszym uziarnieniu efekt ten nie będzie miał miejsca, a trzeba też pamiętać, że drobniejszy żwir dużo łatwiej cementuje, co jest zjawiskiem niepożądanym.
Głowice to zakończenie studni umożliwiające połączenie z przewodami odprowadzającymi biogaz. Stosowane są różne rozwiązania w tym zakresie. Najprostszy wariant przewiduje wykorzystanie kolana albo trójnika i podłączenie ich do gazociągu, bez żadnej możliwości późniejszego dostępu do studni. W takim przypadku studnia jest po prostu zasypana. Należy jednak mieć świadomość, że nie jest to najlepsza praktyka. Takie rozwiązanie nie pozwala bowiem na kontrolę parametrów eksploatacyjnych. Nie ma możliwości dokonania pomiaru parametrów gazu i poziomu odcieku, a tym samym nie wiadomo, czy taka studnia jest drożna i czy rzeczywiście ujmuje biogaz. Zdecydowanie lepsze jest rozwiązanie, w którym dostęp do studni jest zachowany, nawet gdyby miało to być kłopotliwe, a studnia miałaby wystawać ponad poziom odpadów. Wówczas głowica powinna zawierać trzy zasadnicze elementy. Pierwszy to zawór regulacyjny, który pozwala odciąć taką studnię w razie dokonywania pomiarów lub wystąpienia awarii. Drugim, bardzo ważnym elementem, o którym często zapominają projektanci, są punkty pomiarowe, pozwalające na pobór próbek gazu oraz dokonanie pomiaru poziomu odcieku i temperatury. Trzecia, niezmiernie istotna kwestia, to zastosowanie elastycznego złącza z gazociągiem. Jest to bardzo ważne ze względu na to, że na gazociąg – niezależnie od tego, czy będzie ułożony na powierzchni, czy wkopany – podobnie jak na studnie, też będą oddziaływać siły powstające w wyniku nierównomiernego osiadania odpadów i studni, które skutkują powstawaniem naprężeń, a w konsekwencji – uszkodzeń i rozszczelnienia instalacji.
Budując taką instalację, trzeba zatem pamiętać o kompensacji tych sił za pomocą elastycznego złącza, zaprojektowanego i wykonanego w taki sposób, by uniknąć gromadzenia się w nim kondensatu i blokowania przepływu gazu.
Zgodnie z topografią i z minimalnymi stratami ciśnienia
Kolejnym elementem systemu są gazociągi. Projektant musi ustalić ich przebieg, z uwzględnieniem topografii terenu. Oczywiste jest przy tym, że przebieg ten powinien być jak najkrótszy, zarówno ze względu na koszty, rosnące wprost proporcjonalnie do długości sieci gazowej, jak i przez wzgląd na dążenie do zabezpieczenia możliwie najlepszego dopływu gazu do ssawy. Krótkie przebiegi rurociągów minimalizują też straty ciśnienia. Warto pamiętać, że odpowiednie wykorzystanie rzeźby terenu daje również możliwość efektywnego, grawitacyjnego odwadniania gazociągów. Należałoby zatem w instalacji zachować takie spadki, które pozwolą odwadniać gazociąg i odprowadzać kondensat z powrotem do studni albo do stacji regulacyjnej. Kiedy nie ma możliwości zapewnienia grawitacyjnego odwaniania gazociągu, gdy jest on np. zbyt długi, wówczas należy zamontować odwadniacze.
Oprócz przebiegu gazociągów, w projekcie należy wskazać też ich długości i średnice oraz wyniki obliczeń strat ciśnienia. Niestety, projektanci, chcąc uzyskać oszczędności na materiale, często projektują zbyt małe średnice, nie uwzględniając strat ciśnienia, jakie powstają w czasie przesyłu gazu. Jest to kardynalny błąd inżynierski. Wiadomym jest przecież, że gaz przepływając przez rury będzie tracił ciśnienie, a zachowanie jego odpowiedniej wartości na głowicy studni gwarantuje efektywne działanie systemu odgazowania. Zbyt małe średnice rurociągów nie zabezpieczają też instalacji przed zablokowaniem przez kondensat w przypadku, gdy na skutek osiadania odpadów nastąpi niepożądane odkształcenie i tworzenie się syfonów, blokujących przepływ gazu. Nie warto zbytnio oszczędzać na średnicy rurociągów, bo wyasygnowanie trochę większej kwoty na przewody gazowe o zoptymalizowanej średnicy daje większą pewność utrzymania drożności gazociągu, a co za tym idzie – dłuższą żywotność systemu i mniej problemów eksploatacyjnych.
W przypadku przewodów o mniejszej średnicy, w celu zapewnienia ich drożności, stosowane są czasem systemy tzw. wstecznego przedmuchu, jednak w wyniku ich stosowania trzeba się liczyć z możliwością wystąpienia nieszczelności w instalacji odgazowania. System jest bowiem dostosowany do pracy w podciśnieniu, a decydując się na wsteczny przedmuch w układzie odgazowującym, wprowadzane jest do systemu nadciśnienie. Może to powodować rozszczelnienie studni, w efekcie czego pojawią się problemy z zasysaniem powietrza zamiast biogazu.
Bardzo ważne – w projektowanych gazociągach – jest również uwzględnienie montażu zaworów odcinających. Chodzi przede wszystkim o bezpieczeństwo obsługi (o kwestiach związanych z zagrożeniami wybuchowymi czytaj), które w dużym stopniu zapewnia m.in. możliwość odcięcia poszczególnych elementów systemu odgazowania. Takie rozwiązanie jest niezbędne choćby podczas wykonywania przeglądów, remontów, testów lub w przypadku awarii.
Warto też wyposażyć system w punkty pomiarowe i inspekcyjne, które pozwolą na diagnozowanie ewentualnych problemów eksploatacyjnych. Powinny być one zlokalizowane w miejscach newralgicznych dla funkcjonowania instalacji.
Stacje regulacyjne
W różnych wariantach stosuje się także stacje regulacyjne. Najczęściej wykorzystywane są tzw. manifoldy, czyli węzły, do których prowadzą podziemne nitki gazociągów, zbierające biogaz z poszczególnych studni. W stacjach takich – oprócz zaworów regulacyjnych – mogą być zamontowane także przepływomierze. Ponadto powinny być tam umiejscowione punkty pomiarowe do pobierania próbek gazu i dokonywania pomiarów.
Do dobrej praktyki inżynierskiej należy zachowywanie spadków, które powinny zabezpieczyć manifoldy przed zablokowaniem przez kondensat. Istotny jest też dobór zarówno średnicy, by zachować odpowiednie ciśnienie i zminimalizować jego straty, jak i materiałów. W obszarze wykorzystywanych materiałów najczęściej popełnianym błędem jest jednoczesne stosowanie tworzyw sztucznych i metalu.
Najczęściej wykorzystywane rozwiązania manifoldów charakteryzują się przejściem z plastikowej rury o średnicy 63 mm albo 90 mm na rurę stalową o przekroju 25 mm. Napotykamy tu dwa problemy. Pierwszym jest właśnie znaczna strata ciśnienia przy przejściu z dużej średnicy na małą. Drugi problem wiąże się z różną przewodnością cieplną wykorzystanych materiałów, co po przejściu z cieplejszego odcinka rury plastikowej skutkuje wykraplaniem kondensatu w zetknięciu z zimniejszym metalem. Jak już wspomniano, kondensat, zwłaszcza w dużych ilościach, jest niepożądany w systemie, ze względu na możliwość blokowania przepływu gazu, a w skrajnych przypadkach nawet może doprowadzić do uszkodzenia ssawy. Powstający w układzie kondensat trzeba odprowadzić, w przeciwnym wypadku skuteczność systemu spada, wzrastają bowiem straty ciśnienia, a tym samym zapotrzebowanie na energię niezbędną do zassania biogazu.
Stacje regulacyjne powinny też posiadać zawory umożliwiające regulację i odcięcie każdej oddzielnej nitki gazociągu.
Zdarza się, że montowane są stacje regulacyjne, oparte na automatycznych pomiarach przepływu, ciśnienia i analizach biogazu. Jednak należy wystrzegać się zbytniego skomplikowania tego układu. Wynika to z problemów związanych z napisaniem przez programistów dobrego algorytmu, który w sposób niezawodny sterowałby stacją regulacyjną. Póki co, najpewniejsze jest poleganie na doświadczeniu przeszkolonego operatora, gdyż jest to o wiele szybsze, efektywniejsze, bezpieczniejsze i… – mimo wszystko – tańsze.
Stacja regulacyjna może być zabudowana w kontenerze, co ułatwia eksploatatorowi obsługę, zwłaszcza zimą i w niesprzyjających warunkach pogodowych. Można też stosować bardzo uproszczone stacje regulacyjne typu zamkniętego w niewielkich kontenerach, z zapewnieniem dostępu z zewnątrz. W takim przypadku należy jednak pamiętać, że zimą są one bardziej narażone na działanie niskich temperatur. Budując stacje regulacyjne w kontenerach, trzeba również uwzględnić ich ocenę pod kątem zagrożenia wybuchowego (czytaj więcej), a jeśli będzie tego wymagała sytuacja – zadbać o odpowiednie zabezpieczenia.
W drugiej części artykułu omówione zostaną kolejne elementy składające się na system odgazowania, widziane z perspektywy przygotowania specyfikacji projektowej.
Źródło
1. www.mos.gov.pl/g2/big/2011_04/1669d745d97fb6ff180c23510e4a6d63.pdf (dostęp: 26.01.2015).
