technologies+for+lfg+abatement,+ …pcieerd.dost.gov.ph/images/downloads/presentation...2...

44
Technologies for LFG Abatement, Extrac9on and U9liza9on Philippine Landfill Forum June 27, 2012 Cagayan de Oro City, Philippines Presented by Bryce Lloyd PCIEERD-DOST DOST 10

Upload: others

Post on 24-Mar-2020

12 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Technologies  for  LFG  Abatement,  Extrac9on  and  U9liza9on  

 

Philippine  Landfill  Forum  June  27,  2012  

Cagayan  de  Oro  City,  Philippines                

Presented  by  Bryce  Lloyd  

   

    PCIEERD-DOST

     DOST 10

2

Presenta)on  Outline  

§ What  is  landfill  biogas  (LFG)?  §  Proper)es  of  LFG  § How  to  collect  and  control  LFG?  §  Typical  LFG  collec)on  system  components  § How  to  beneficially  use  the  LFG?  §  Conver)ng  the  LFG  to  electrical  power  or  process  heat  §  Examples  of    the  technologies  that  have  been  used  to    convert  LFG  to  Power  and/or  Heat  

§  Poten)al    benefits  and  revenue  from  LFG  recovery  and  u)liza)on  

  2

PCIEERD-DOST

DOST 10

3

Background  §  Even  aKer  the  3R’s  (reduce,  reuse,  recycle)  and  with  the  

employment  of  other  waste  management  op)ons  (incinera)on,  compos)ng,  anaerobic  diges)on),  some  waste  will  con)nue  to  be  landfilled)  

§  Landfills  will  con)nue  to  produce  some  landfill  biogas  (  LFG),  which  can  and  should  be  controlled,  collected  and  u)lized  

§  Benefits  of  controlling  and  u)lizing  LFG  include:  §  elimina)ng  odor  nuisance  and  safety  hazards  §  improving  local  and  regional  air  quality  §  reducing  greenhouse  gas  emissions,  and    §  harves)ng  a  renewable  energy  resource  

3

PCIEERD-DOST

DOST 10

4

What  is  LFG?  

§  Formed  during  anaerobic  decomposi)on  of  organic  materials  in  landfills  § Amount  &  composi)on  dependent  on  solid  waste  characteris)cs  § Increase  in  organics  equals  an  increase  in  gas  genera)on  § Gas  produc)on  ends  with  end  of  decomposi)on  § Collec)on  efficiency  can  vary  from  20%  to  80%  § Landfill  fires  destroy  organics  and  reduce  the  amount  of  LFG  generated  

4

PCIEERD-DOST

DOST 10

5

Characteris)cs  of  LFG  §  Methane  (CH4)  -­‐  50%  to  65%  §  Carbon  Dioxide  (CO2)  -­‐  35%  to  50%  §  Vola)le  Organic  Compounds  (VOCs)  –  trace    §  Ammonia,  H2S,  Mercaptans,  etc.  §  Explosive  and  asphyxia)on  danger  §  Health  hazards  associated  with  trace  gases  (VOCs;  HAPs)  

§  Groundwater  contamina)on  (in  some  areas  this  means  drinking  water!)  

§  Methane  is  a  potent  greenhouse  gas    (CH4  GWP  –  23  )mes  CO2)    

5

PCIEERD-DOST

DOST 10

6

§  Local,  Available  Fuel  Source  §  Rela)vely  Easy  to  Capture  and  Use  §  Source  of  Energy  that  Otherwise  would  have  been  Wasted    

§  Con)nuous  Supply  -­‐  24  Hours  a  Day  &  7  Days  a  Week  

§  Reliable  Technologies  Exist  for  Using  LFG  §  >95%  On  Line  Availability  

§  Improves  the  Environment  by  Reducing  Uncontrolled  Emissions  of  LFG  

Why  Use  LFG?  

6

PCIEERD-DOST

DOST 10

7

LFGE  Project  Benefits  §  Improves  air  quality  and  reduces  greenhouse  gas    

§  Offsets  non-­‐renewable  resource  use  §  Each  1  MW  Of  Genera)on  Capacity:  

§  Annual  environmental  equivalent  to  plan)ng  4,900  hectare  of  trees  or  removing  the  CO2  emissions  of  9,000  cars  

§  Annual  energy  equivalent  to  preven)ng  the  use  of  99,000  barrels  of  oil,  offselng  the  use  of  200  railcars  of  coal,  or  powering  more  than  650  homes  

7

PCIEERD-DOST

DOST 10

8

Conver)ng  LFG  to  U)lizable  Energy  

§  Energy  Recovery  Poten)al  (~18  MJ/m3)  §  Approx.  amount  of  electrical  energy  that  can  be  produced  by  LFG  from  a  small,  medium,  large  LFGE:  §  Small:    25kW  to  1MW  § Medium:  1~  3MW  §  Large:  3  ~  30MW  

§  A  moderate  frac)on  of  landfills  in  Asia  have  LFGE  

8

PCIEERD-DOST

DOST 10

9

LFGE  System  Design  

§  Array  of  ver)cal  or  horizontal  extrac)on  wells  §  Main  header  and  lateral  piping  network  with  control  valves  and  monitoring  ports  

§  Moisture  (condensate)  removal  (  KOP  and  sumps)    

§  Gas  extrac)on  blowers  

§  Flares  §  LFG  Pretreatment  equipment    

§  LFGE  equipment 9

PCIEERD-DOST

DOST 10

10

Ver)cal  Wells  

10

Horizontal  Collectors  

11

12

LFG  Well  Field  

12

13

Blowers  吹风机类别….

13

14

Flare  and  Pre-­‐treatment  Unit  

14

PCIEERD-DOST

DOST 10

15

LFGE  Technology  Op)ons  

§  Electrical  Power  Genera)on  §  On-­‐site  Use  §  Connec)on  to  Grid  

§  Gas  Purifica)on  §  Direct  Thermal  Applica)ons  

§  Combined  Heat  and  Power    

         (CHP)

15

PCIEERD-DOST

DOST 10

16

Electrical  Power  Genera)on

Available  Technologies  

§  Reciproca)ng  internal  combus)on  engine  §  ~80  %  of  LFGE  projects  worldwide    

§  Gas  turbine§  Steam  turbine  

§ Microturbine  

§  Cogenera)on

16

PCIEERD-DOST

DOST 10

17

Electricity  Genera)on§  Most  prevalent  type  of  LFG  u)liza)on  

§  In  US,  1100  MW  of  capacity  from  over  250  opera)onal  projects  

Advantages  §  Electricity  can  be  used  on-­‐site,  or  sold  to  nearby  customer,  coopera)ve  or  u)lity  

Disadvantages  §  LFG  will  require  pre-­‐treatment  

§  Connec)ng  to  the  grid  could  be  expensive  §  Capital  cost  typically  higher  than  for  direct  use,  but  less  than  for  purifica)on/high  BTU  

17

PCIEERD-DOST

DOST 10

18

LFG  Electricity  Genera)on  Projects Technology No.  of  Projects  in  

USA*

Internal  Combus)on  (55kW-­‐3MW) 279  

Gas  Turbine  (1-­‐10MW) 28  

Cogenera)on 26  

Steam  Turbine  (1-­‐10MW) 14  

Microturbine  (30-­‐200kW) 13  

Combined  Cycle  (1-­‐10MW) 6  

S)rling  Engine  (25-­‐55kW) 2  

*Source:  LMOP  (2010)18

PCIEERD-DOST

DOST 10

19

Example –  Electricity  Genera)on  Kam  Phaeng  Saen  Landfill,  Thailand  

§  Design  Electricity  Power  Genera9on  Capacity  (16  MW)  §  Connected  to  electrical  grid  

Landfill  Capacity:    26  Million  tonnes  Landfilling  began:  2005  (10  years  design  life)  Waste  In  place:  12  Million  tonnes  Waste  Intake:  ~ 5000  tpd  LFG  Recovery:  ~ 6000  m3/hr  

19

20

Example –  Electricity  Genera)on  Xiaping  Landfill,  Shenzhen  

§  Design  Electricity  Power  Genera9on  Capacity  (7.5MW+)  §  Tied  into  electrical  grid  

Landfill  Capacity:    47  Million  m3  

Landfilling  began:  1997  (30  years  design  life)  Waste  In  place:  13  Million  tonnes  Waste  Intake:    3000~3500  tpd  LFG  Recovery:  >9000  m3/hr  

20

21

Example –  Electricity  Genera)on  Gaoantun  Landfill,  Beijing  

§  Design  Electricity  Power  Genera9on  Capacity  (2.5MW+)  §  Provides  electricity  to  on-­‐site  leachate  treatment  plant  and  offices  

Landfill  Capacity:    8.92  Million  m3  

Landfilling  began:  2002  (20  years  design  life)  Waste  In  place:  6.5  Million  tonnes  Waste  Intake:    ~1000  tpd  (upto  3200  tpd)  LFG  Recovery:  2500  m3/hr  

Flaring  System  and  Generator  House  

22

Example –  Electricity  Genera)on  Bantar  Gebang  Landfill,  Indonesia  

§  Design  Electricity  Power  Genera9on  Capacity  (14  MW+)  §  Connected  to  electrical  grid  

Landfill  Capacity:    35  Million  tonnes  Landfilling  began:  1989  (~30  years  design  life)  Waste  In  place:  ~26  Million  tonnes  Waste  Intake:    ~5000  tpd  LFG  Recovery:  >3000  m3/hr  

22

23

Example –  Electricity  Genera)on  Jordan  Valley  Landfill,  Hong  Kong  

23

Waste  in  Place:    1.3  Million  tonnes  Landfill  operated  from  1986-­‐1991  Waste  intake:    ~400  to  1000  tpd  LFG  Recovery:  ~50  m3/hr    (up  to  500  m3/hr)  

§ Design  electrical  power  genera9on  capacity:  220  kW  § Produces  electrical  power  for  onsite  leachate  pre-­‐treatment  works    

24

Purifica)on  for  Use  as  Process  Heat  

§  Technology  §  Gas  is  purified  from  50%  to  97-­‐  99%  methane  §  Removal  of  carbon  dioxide  is  primary  step  

§  Compressed  Natural  Gas  (CNG)  §  Pipeline  quality  gas  §  Liquefied  Natural  Gas  (LNG)    

24

PCIEERD-DOST

DOST 10

25

§  Advantages  §  Inject  treated  product  into  pipeline  § Methane  can  be  used  as  raw  material  §  Reduc)on  in  use  of    fossil  fuels  

§  Disadvantages  § Must  meet  strict  standards  of  pipeline/user  §  Economical  for  large  scale  only  §  Requires  extensive  pretreatment  to  remove  all  components  other  than  methane  

§  Very  expensive,  massive  size,  high  demand  on  O&M  

Purifica)on  PCIEERD-DOST

DOST 10

26

Example –  Purifica)on    NENT  Landfill,  Hong  Kong  

§  6600  m3/hr  of  LFG  purified  to  90%+  CH4  and  compressed  into  18  km  pipeline  to  provide  process  heat  to  industrial  facility  

§  4MW  On-­‐site  Power  Genera9on    §  On-­‐site  leachate  treatment     Landfill  Capacity:    35  Million  m3  

Landfilling  began:  1995  (~30  years  design  life)  Waste  Intake:    ~3500  tpd  LFG  Recovery:  >6600  m3/hr  

27

Example –  Purifica)on  (LFG  to  CNG)  Xiaping  Landfill,  Shenzhen  

§  500  m3/hr  of  LFG  purified  to  90%+  CH4  and  compressed  into  CNG    §  Provides  fuel  to  on-­‐site  vehicles   Landfill  Capacity:    47  Million  m3  

Landfilling  began:  1997  (30  years  design  life)  Waste  In  place:  13  Million  tonnes  Waste  Intake:    3000~3500  tpd  LFG  Recovery:  >9000  m3/hr  

28

Example  –  Purifica)on  (LFG  to  LNG)    Altamount  Landfill,  California,  USA    

28

Waste  In  place:  36.8  Million  tonnes  LFG  to  LNG  opera9on  began  in  2009  LFG  Recovery:  ~3500  m3/hr  

§  85,000  m3  of  LFG  converted  to  49,000  liters  of  LNG  daily  §  Provides  fuel  to  300  garbage  trucks  

29

§  Boilers  §  Kilns  §  Furnaces  §  Process  heat  §  Leachate  pretreatment  and  evapora)on  §  Cement  manufacturing  §  Lumber  drying  §  Co-­‐combus)on  (e.g.,  in  waste  incinerator)§  Innova)ve  applica)ons  

§  Greenhouses    §  Infrared  heaters    §  Porery  kilns  

Direct  Thermal  Applica)ons  

29

PCIEERD-DOST

DOST 10

30

§  Gas  piped  to  a  nearby  customer  for  use  in  boiler,  kiln  or  other  process  

§  100  projects  in  the  US  §  Pipeline  length  range  from  .5  to  18  km  

§  Less  than  5  kilometers  is  most  feasible  

§  LFG  can  be  used  on-­‐site  or  off-­‐site    §  Best  suited  when  need  for  fuel  is  con)nuous  

Direct  Thermal  Applica)ons  

30

PCIEERD-DOST

DOST 10

31

Direct  Thermal  Applica)ons  

31

PCIEERD-DOST

DOST 10

32

Example  –  Process  Heat  Shuen  Wan  Landfill,  Hong  Kong  

§  Delivered  2,000m3/hr  LFG  (50%+CH4)  to  Towngas  plant  as  process  heat  for  use  in  reformers  during  the  produc9on  of  town  gas  

Landfill  operated  from  1973  to  1995  Waste  in  place:    16  Million  tonnes  LFGE  System  in  opera9on  since  1999  Design  Capacity:  2200  m3/hr      LFG  Recovery:  300  m3/hr  to  2000  m3/hr)  

33

Direct  Thermal  Applica)ons  

Greenhouse  §  Direct  heat  

genera)on  or  residual  heat  from  power  genera)on  

§  Carbon  dioxide  can  be  used  to  grow  greenhouse  plants  

§  6  projects  in  the  US  (opera)ng  or  under  construc)on)  

33

PCIEERD-DOST

DOST 10

34

Infrared  Heater  §  Provide  heat  to  store  

room  or  maintenance  workplace  

§  A  small  amount  of  LFG  can  heat  a  large  volume  

§  Simple  installa)on  §  4  opera)ng  projects  in  

the  USA  

34

Direct  Thermal  Applica)ons  PCIEERD-DOST

DOST 10

35

LFG  as  Process  Heat  for    Leachate  Evapora9on  

§  Evaporate  leachate  and  other                          contaminants  with  LFG§  Reduce  leachate  volume  by  95%+  §  Commercially  Available  Technology  §  Units  Opera)ng  in  Asia    §  16  opera)onal  units  in  the  U.S.  

35

Direct  Thermal  Applica)ons  PCIEERD-DOST

DOST 10

36

Example –  Leachate  Evapora)on  System    Anding  Landfill,  Beijing  

Landfill  Capacity:    3.56  Million  m3  

Landfilling  began:  11/1996  (14  years  design  life)  Waste  In  place:  >4.2  Million  tonnes  Waste  Intake:    800~2000  tpd  LFG  Recovery:  ~400  m3/hr  

36

§ Design  capacity  of  EVAP:  40  m3  of  leachate  daily § First  approved  CDM  project  in  China  § First  applica9on  of  leachate  evapora9on  in  Asia  

PCIEERD-DOST

DOST 10

37

Advantages:  §  Low  pretreatment  requirement;  mainly  

dehumidifica)on  §  Conven)onal  equipment  can  be  used  with  minimal  

modifica)ons  §  Boilers  not  sensi)ve  to  trace  components  §  Rela)vely  low  capital  and  O&M  costs  

Disadvantages:  §  End  user  needs  to  be  within  reasonably  close  distance  

of  landfill  §  Care  must  be  taken  to  avoid  contamina)on  of  products

 37

Direct  Thermal  Applica)ons  PCIEERD-DOST

DOST 10

38

Purifica)on  and  Direct  Thermal  Applica)ons

Technology No.  of  Projects  in  USA  *

Boiler 54  Direct  Hea)ng 42  High  BTU  Fuel 22  Leachate  Evapora)on 16  Greenhouse 6  Alterna)ve  Fuel  (CNG  or  LNG) 3  Medium  BTU  Fuel  injected  into  Natural  Gas  Pipeline

1  

*Source:  LMOP  (2010)   38

PCIEERD-DOST

DOST 10

39

Combined  Heat  and  Power  

§  Large  Industrial  Applica)ons  § Microturbine  Applica)ons  §  Advantages  

§  Greater  overall  energy  recovery  efficiency  from  waste  heat  recovery  -­‐  up  to  80%    

§  Specialized  CHP  systems  available  §  Flexible  -­‐  hot  water  or  steam  genera)on  from  recovered  heat  

§  Disadvantages  §  Addi)onal  capital  and  opera)ng  costs  

39

PCIEERD-DOST

DOST 10

40

§  9.5  mile  pipeline  from  landfill  

§  4  turbines  retrofired  to  burn  LFG  

§  4.8  MW  =  25%  of  plant’s  electrical  needs  

§  72  MMBtu/hr  =  80%  of  plant’s  thermal  needs  (hot  water,  space  hea)ng,  cooling)  

§  BMW  saves  $1  million/yr  

Combined  Heat  and  Power  –  South  Carolina,  USA  

40

PCIEERD-DOST

DOST 10

41

§  First  School  Co-­‐genera)on  (CHP)  Project  On  LFG  

§  12  Microturbines  With      360  kW  Capacity  

§  Exhaust  Energy  Produces  290,000  Btus/Hour  At  550o  

§  School  Expects  To  Save  $100,000/Year  

Combined  Heat  and  Power  -­‐  Illinois,  USA  

41

PCIEERD-DOST

DOST 10

42

Significant  Co-­‐benefits  of  Methane  Recovery  and  Use  Projects  

BENEFITS  OF  METHANE  PROJECTS    

§  Reduced  waste  of  a  valuable  fuel  and  important  local  energy  source  and    

§  Improved  industrial  safety  and  produc)vity  §  Improved  air  quality,  water  quality  and  reduced  odors  §  Reduced  greenhouse  gas  emissions  §  Progress  toward  sustainable  development  goals  §  Economic  growth  and  energy  security    BUT    BARRIERS  EXIST…  

§  Lack  of  awareness  of  emission  levels  and  value  of  lost  fuel  §  Lack  of  informa)on  on  and  training  in  available  technologies  and  

management  prac)ces  §  Tradi)onal  industry  prac)ces  §  Regulatory  and  legal  issues  §  Limited  methane  markets  and  infrastructure  §  Uncertain  investment  climate  

PCIEERD-DOST

DOST 10

43

Poten)al  Revenue  Streams  •  Cash  from  Trash!    

§  Energy  sales  § Direct  use:  $2~8/MMBTU  §  Electricity:  $0.05~0.10/kWh  

§  Renewable  /  green  incen)ves:    varies  §  Grid  connec)on  subsidy:  depends  on  loca)on  §  Emission  reduc)on  credits  (CER;  VER;  Gold  Standard):  $3~20/tCO2e  

43

PCIEERD-DOST

DOST 10

44

For  more  informa)on,  contact:    

Bryce  Lloyd  –  [email protected]  

Thank  You!      

44

PCIEERD-DOST

DOST 10