«ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ»

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥ ΩΝ «ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ» Κατασκευή Μονάδας Συµπαραγωγής και Θερµότητας από Αστικά Απορρίµµατα µέσω Θερµοχηµικής και Βιοχηµικής Μετατροπής Εργασία για το µάθηµα της «Βιόµαζας» Όνοµα: Εµµανουέλα Π. Μαριδάκη Αριθµός Μητρώου: Αθήνα, Ιούνιος 2009

2 BIOMAZA 1 1) Εισαγωγή- Σκοπός Στην συγκεκριµένη εργασία επιθυµούµε να µελετήσουµε την κατασκευή µιας µονάδας διαχείρισης και επεξεργασίας αστικών απορριµµάτων. Βασικός της στόχος είναι η κατάλληλη µετατροπή των απορριµµάτων που µεταφέρονται στη µονάδα αυτή, µέσω βιοχηµικών και θερµοχηµικών διαδικασιών, έτσι ώστε να επιτευχθεί η συµπαραγωγή ηλεκτρισµού και θερµότητας. Ένα µέρος της παραγόµενης ηλεκτρικής ενέργειας θα χρησιµοποιείται για την κάλυψη των αναγκών της ίδιας της µονάδας και το υπόλοιπο θα πωλείται στο ηλεκτρικό δίκτυο της ΕΗ. Αντιστοίχως, ένα µέρος της παραγόµενης θερµότητας θα χρησιµοποιηθεί για τις ανάγκες του συγκροτήµατος και το πλεονάζον θερµικό φορτίο θα µπορεί να τροφοδοτήσει είτε κοντινά εργοστάσια, είτε αστικά δίκτυα θερµότητας που εξυπηρετούν κατοικίες ή άλλα κτίρια για τη θέρµανση ή για το θερµό νερό οικιακής χρήσεως. 2) Αστικά Απορρίµµατα Σήµερα, στην Ελλάδα παράγονται περίπου 5 εκατοµµύρια τόνοι αστικών αποβλήτων ετησίως. Από το σύνολο των παραγόµενων αποβλήτων, το 15% περίπου αντιπροσωπεύει τα αστικά απορρίµµατα. Η περιφέρεια Αττικής παράγει περίπου το 39% της ετήσιας ποσότητας των Α.Σ.Α της χώρας, ακολουθούµενη από την περιφέρεια κεντρικής Μακεδονίας µε ποσοστό 16%. ιαχρονικά, παρατηρείται τάση σηµαντικής αύξησης της παραγωγής αστικών απορριµµάτων, λόγω της ανάπτυξης των µεγάλων αστικών κέντρων, της συνεχούς αύξησης του τουριστικού ρεύµατος και κυρίως της ανόδου του βιοτικού επιπέδου µε αποτέλεσµα την αλλαγή των καταναλωτικών συνηθειών. Συγκεκριµένα, η µέση ηµερησία παραγωγή αστικών αποβλήτων ανά κάτοικο στην Ελλάδα, ανέρχεται σε 1,3 kg/κάτοικο. Η γνώση της σύστασης των παραγόµενων Α.Σ.Α. είναι ιδιαίτερα σηµαντική για την εκπόνηση στρατηγικών διαχείρισης αποβλήτων σε τοπικό, περιφερειακό ή εθνικό επίπεδο. Έτσι, η τρέχουσα µέση ποιοτική σύσταση των παραγόµενων αστικών απορριµµάτων στην Ελλάδα σε κατά βάρος ποσοστά, εκτιµάται ως ακολούθως: Κατηγορία Υλικών % κ.β. στα απορρίμματα Χαρτί 29.0 % Πλαστικά 14.0 % Ζυμώσιμα 40.0 % Γυαλί 3.0 % Μέταλλα 3.0 % Δέρμα, Ξύλο, λάστιχο 2.0 % Αδρανή 3.0 % Υπόλοιπα 6.0 %

3 BIOMAZA 2 Η µόνη πρακτική διαχείριση που εφαρµοζόταν στην Ελλάδα µέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 90, ήταν η εδαφική διάθεση των Α.Σ.Α. σε ανεξέλεγκτους ή ηµιελεγχόµενους χώρους διάθεσης. Η κατάσταση βελτιώθηκε σηµαντικά κατά την περίοδο , οπότε οργανώθηκε ορθολογικά το σύστηµα συλλογής και µεταφοράς µε εξυπηρέτηση του 85% κατά βάρος των Α.Σ.Α., ενώ κατασκευάστηκαν και λειτούργησαν τα πρώτα σύγχρονα έργα διαχείρισης απορριµµάτων. Σήµερα στον Ελληνικό χώρο πραγµατοποιείται οργανωµένη συλλογή και µεταφορά των αστικών αποβλήτων για το σύνολο σχεδόν της χώρας, µε τοπικές εξαιρέσεις σε αγροτικές αραιοκατοικηµένες καθώς και ορεινές περιοχές. Προς το παρόν, το 49% των αστικών απορριµµάτων διατίθεται µέσω υγειονοµικής ταφής, το 18% αποτεφρώνεται για την παραγωγή ενέργειας και το 27% ανακυκλώνεται ή λιπασµατοποιείται. 3) Βιοχηµικές ιεργασίες Οι βιοχηµικές διεργασίες, που ονοµάζονται έτσι, επειδή είναι αποτέλεσµα µικροβιακής δράσης διακρίνονται στις: α) Αερόβια ζύµωση β) Αναερόβια ζύµωση γ) Αλκοολική ζύµωση Στην περίπτωση της υπό µελέτη µονάδας διαχείρισης αστικών απορριµµάτων κρίνεται ως καταλληλότερη µέθοδος επεξεργασίας τους η αναερόβια ζύµωση, η περιγραφή της οποίας ακολουθεί στην παρακάτω παράγραφο. 3.1) Αναερόβια βιολογική επεξεργασία Αναερόβια ζύµωση Κατά την αναερόβια βιολογική επεξεργασία (αναερόβια ζύµωση), πραγµατοποιείται ελεγχόµενη αποδόµηση των οργανικών ουσιών µε τη βοήθεια δράσης µικροοργανισµών κάτω από συνθήκες απουσίας οξυγόνου. Το αποτέλεσµα της διεργασίας είναι η παραγωγή σταθεροποιηµένου οργανικού υλικού και αερίου. Από τη µια, το σταθεροποιηµένου οργανικό υλικό µετά από περεταίρω αερόβια σταθεροποίηση µπορεί να µετατραπεί σε κοµπόστ (εδαφοβελτιωτικό, λίπασµα). Από την άλλη, το παραγόµενο αέριο, που καλείται βιοαέριο, αποτελείται κυρίως από υψηλής περιεκτικότητας µεθάνιο (CH4) µέχρι και 60% και από διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ). Ωστόσο περιέχει και µικρές συγκεντρώσεις σε CO, H 2, N 2, O 2. Πιο συγκεκριµένα, η αναερόβια χώνευση είναι µια διεργασία που λαµβάνει χώρα στην υγρή φάση και χρησιµοποιείται σε υποστρώµατα µε σχετικά χαµηλή συγκέντρωση στερεών, και υγρασία που κυµαίνεται από 60% έως 95%. Εποµένως, θα πρέπει πρώτα πριν την έναρξη της διαδικασίας τα αστικά απορρίµµατα να υποστούν µια προεπεξεργασία, έτσι ώστε να διαχωριστεί το υγρό από το ξηρό οργανικό κλάσµα.

4 BIOMAZA 3 Η βιολογική διεργασία περιλαµβάνει τέσσερις κύριες φάσεις : Υδρόλυση: Με τη βοήθεια ενζύµων που εκλύονται από υδρολυτικά βακτήρια γίνεται υδρόλυση των πολυµερών οργανικών ενώσεων (λίπη, πρωτεΐνες, πολυσακχαρίτες) και έπειτα µετατροπή τους σε υδατοδιαλυτά προϊόντα µικρότερου µοριακού βάρους (µονοσακχαρίτες, αµινοξέα, κτλ) Ζύµωση: Τα παραπάνω διαλυτά προϊόντα ζυµώνονται και µετατρέπονται σε µια ποικιλία ενδιάµεσων προϊόντων, όπως µικρού µήκους οργανικά οξέα, αλκοόλες, διοξείδιο του άνθρακα, υδρογόνο και αµµωνία. Οξεογένεση: παραγωγή οξικού οξέος, CO 2 και O 2 από τα προϊόντα του προηγούµενου σταδίου µε τη βοήθεια υποχρεωτικά οξεογενών βακτηρίων. Στη φάση αυτή το CO 2 είναι το κύριο συστατικό του βιοαερίου. Μεθανοποίηση: Τα προϊόντα της προηγούµενης φάσης µετατρέπονται σε µεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα από τα µεθανιογενή βακτήρια. Τελικά προϊόντα της φάσης αυτής είναι αέριο µεθάνιο, διοξείδιο του άνθρακα και µεταλλικά άλατα. Η αναερόβια χώνευση εκτός του ότι µπορεί να λάβει χώρα αυθόρµητα σε αναερόβια περιβάλλοντα, όπως οι ΧΥΤΑ και οι χωµατερές, µπορεί να λειτουργήσει κάτω από ελεγχόµενες συνθήκες σε ειδικές εγκαταστάσεις (απολύτως κλειστούς αντιδραστήρες), µε στόχο τη µείωση του όγκου των αστικών απορριµµάτων, τη µεγιστοποίηση του παραγόµενου µεθανίου, την ανάκτηση ενέργειας καθώς και τον έλεγχο των περιβαλλοντικών προβληµάτων και επιπτώσεων. ιακρίνονται δύο κύρια συστήµατα αναερόβιας χώνευσης αστικών απορριµµάτων: 1) Κλασσικό σύστηµα Αποτελείται από έναν αντιδραστήρα, µε χρόνο παραµονής κάποιων εβδοµάδων (10-20 ηµερών ανάλογα µε τη χρησιµοποιούµενη τεχνολογία, τις εξωτερικές διακυµάνσεις της θερµοκρασίας και τη σύσταση των αποβλήτων), στον οποίο συνήθως πραγµατοποιείται ανάµιξη του περιεχοµένου για την αποφυγή συσσώρευσης µεταβολικών προϊόντων που µπορούν να οδηγήσουν στη θανάτωση των ενεργών µικροβίων. Στην περίπτωση µη ανάµιξης δηµιουργούνται τέσσερα στρώµατα εντός του αντιδραστήρα, ενώ στην κορυφή αυτού γίνεται η συλλογή του παραγόµενου βιοαερίου. 2) Σύστηµα υψηλού ρυθµού Αποτελείται από δύο στάδια και περιλαµβάνει τουλάχιστον δύο αντιδραστήρες που λειτουργούν σε σειρά. Το ενεργό στάδιο της χώνευσης πραγµατοποιείται στον πρώτο αντιδραστήρα. Τα περιεχόµενα του πρώτου αντιδραστήρα αναµιγνύονται πλήρως µε προσθήκη νερού και ο χρόνος παραµονής τους είναι ορισµένες ηµέρες. Στη συνέχεια το περιεχόµενο του πρώτου αντιδραστήρα περνά στο δεύτερο αντιδραστήρα. Στο στάδιο αυτό δε γίνεται ανάµιξη και πραγµατοποιείται καθίζηση του στερεού κλάσµατος και διαχωρισµός του από το υγρό κλάσµα καθώς και από το αέριο κλάσµα το οποίο συλλέγεται στην κορυφή του αντιδραστήρα. Το συλλεγόµενο αέριο του δεύτερου σταδίου συνδυάζεται µε αυτό του πρώτου αφού και σε αυτό παράγεται βιοαέριο.

5 BIOMAZA 4 Η απόδοση λειτουργίας αυτών των συστηµάτων συνίσταται στην παραγωγή περίπου m 3 βιοαερίου ανά τόνο εισερχόµενων αποβλήτων, το θερµικό περιεχόµενο του οποίου είναι περίπου 37,75 MJ/Nm 3. Μετά τη συλλογή του παραγόµενου βιοαερίου, υφίσταται επεξεργασία καθαρισµού του που περιλαµβάνει την αποµάκρυνση του υδρόθειου, της περιεχόµενης υγρασίας και συχνά της αµµωνίας. Επιπλέον, γίνεται διαχωρισµός και αφαίρεση του διοξειδίου του άνθρακα προκειµένου να βελτιωθούν τα χαρακτηριστικά του βιοαερίου σε επίπεδα φυσικού αερίου δικτύου. Έτσι, αφού καθαριστεί το βιοαέριο αποθηκεύεται και χρησιµοποιείται ως καύσιµο σε σύστηµα συµπαραγωγής θερµικής και ηλεκτρικής ενέργειας. Επειδή η αναερόβια χώνευση δεν είναι έντονα εξώθερµη και η βιολογικά παραγόµενη θερµότητα δεν επαρκεί για τη διατήρηση της θερµοκρασίας στο βέλτιστο επίπεδο, χρειάζεται η παροχή πρόσθετης εξωτερικής θερµότητας, η οποία µπορεί να προέλθει από την καύση του παραγόµενου βιοαερίου. Έτσι, µέρος της παραγόµενης ενέργειας χρησιµοποιείται για τη διατήρηση σταθερής θερµοκρασίας στον αντιδραστήρα και για τις υπόλοιπες ενεργειακές ανάγκες της εγκατάστασης. Η περίσσεια θερµική και ηλεκτρική ενέργεια µπορεί να διατεθεί σε δραστηριότητες εκτός εγκατάστασης. Εποµένως, συµπερασµατικά το τµήµα της µονάδας συµπαραγωγής που αφορά την παραγωγή βιοαερίου θα αποτελείται από τα ακόλουθα µέρη: - Κλασσικό σύστηµα ενός αντιδραστήρα: Το προεπεξεργασµένο υγρό οργανικό κλάσµα των αστικών απορριµµάτων θα κατευθύνεται σε µια ειδική στεγανή δεξαµενή µε σκοπό να γίνει η αποσύνθεσή του µε τη δράση ειδικών µικροοργανισµών, έτσι ώστε να παραχθεί βιοαέριο. - ίκτυο µεταφοράς: Αποτελείται από αγωγούς που µεταφέρουν το παραγόµενο βιοαέριο από το σηµείο παραγωγής του στο σηµείο που γίνεται η αξιοποίησή του ως καύσιµο. - Μηχανοστάσιο: Είναι το µέρος όπου βρίσκεται εγκατεστηµένο το σύστηµα ενός συνδυασµένου κύκλου (αεριοστρόβιλος-ατµοστρόβιλος-γεννήτριες), ώστε να µετατρέπει το βιοαέριο σε ηλεκτρική και θερµική ενέργεια. 4) Θερµοχηµικές ιεργασίες Οι θερµοχηµικές διεργασίες περιλαµβάνουν αντιδράσεις, που εξαρτώνται από τη θερµοκρασία, για διαφορετικές συνθήκες οξείδωσης και περιλαµβάνουν: α) Η πυρόλυση (θέρµανση απουσία αέρα). Με αυτή τη διεργασία µας δίνεται η δυνατότητα να «σπάσουµε» τη χρησιµοποίηση της βιοµάζας από την παραγωγή ενέργειας. β) Η απευθείας καύση

6 BIOMAZA 5 γ) Η αεριοποίηση δ) Η υδρογονοδιάσπαση Στην περίπτωση διαχείρισης αστικών απορριµµάτων υπάρχουν δύο δυνατές διεργασίες, καθεµιά από τις οποίες έχει τα πλεονεκτήµατα και τα µειονεκτήµατά της. Πρόκειται για την αποτέφρωση και την αεριοποίηση, των οποίων ακολουθεί µια αναλυτικότερη περιγραφή. 4.1) Αποτέφρωση - Καύση Η διαδικασία της αποτέφρωσης - καύσης ακολουθεί τέσσερις φάσεις : 1. Ξήρανση µε εξάτµιση νερού 2. Αξιοποίηση των οργανικών ουσιών 3. Αεριοποίηση και καύση του ανθρακικού καταλοίπου 4. Αποτέφρωση, όπου οξειδώνονται πλήρως τα αέρια που προήλθαν από τις προηγούµενες φάσεις Τα προϊόντα της διαδικασίας της καύσης είναι τα εξής: Απαέρια (µε υδρατµούς), που µετά τον καθαρισµό τους είναι κατάλληλα για διάθεση στην ατµόσφαιρα Ανόργανη τέφρα, από την οποία µε περαιτέρω επεξεργασία µπορεί να γίνει ανάκτηση υλικών Υγρά απόβλητα, που είναι αποτέλεσµα των διαδικασιών σβέσης της τέφρας και ψύξης των αερίων. Θερµότητα, η οποία µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την παραγωγή ατµού ή ηλεκτρικής ενέργειας. Η διαδικασία ξεκινά µε την εκφόρτωση των απορριµµάτων από τα απορριµµατοφόρα στον χώρο αποθήκευσης (σιλό). Από το σιλό µέσω του εναέριου γερανού τα απορρίµµατα εισέρχονται στη χοάνη παροχής που ρυθµίζει µια συνεχή ροή απορριµµάτων στις σειόµενες κινούµενες εσχάρες, όπου γίνεται παροχή θερµού αέρα καύσης µέσω ενός φυσητήρα, µε αποτέλεσµα την αφαίρεση ενός µεγάλου µέρους από την υγρασία των απορριµµάτων που πρόκειται να καούν (φάση ξήρανσης σε θερµοκρασία 100 ο C). Ακολουθεί η φάση της εξαερίωσης των πτητικών αερίων σε θερµοκρασία 250 ο C. Κατόπιν µέσω των κινούµενων σχαρών τα απορρίµµατα οδηγούνται στην πυρίµαχη εστία του κλιβάνου, όπου αναµειγνύονται µε την κατάλληλη ποσότητα αέρα, αναφλέγονται (σε θερµοκρασίες ο C). Η καύση συντηρείται από µόνη της λόγω της υψηλής

7 BIOMAZA 6 θερµογόνου δύναµης των απορριµµάτων ή µε την προσθήκη µικρών ποσοτήτων βοηθητικού καυσίµου. Η θερµοκρασία στο χώρο καύσης είναι συνήθως µεταξύ ο C. Για να γίνει πλήρης καύση, τα απορρίµµατα πρέπει να παραµείνουν στο θάλαµο καύσης από µία µέχρι 3,5 ώρες αναλόγως τη σύνθεσή τους. Μετά την πυρίµαχη εστία υπάρχει ο ατµολέβητας που τα καυσαέρια αποδίδουν ένα µεγάλο µέρος της θερµότητας των προς παραγωγή ατµών. Εικόνα 1 Σχηµατική απεικόνιση της διαδικασίας της αποτέφρωσης Επειδή πολλές από τις οργανικές ενώσεις που περιέχουν τα απορρίµµατα είναι οργανικά ασταθείς, ελευθερώνονται πολλά επιβλαβή αέρια τα οποία µετά την κύρια εστία καύσης και πριν τον ατµολέβητα διέρχονται από ένα µετακαυστήρα για να εξασφαλιστεί η πλήρης καύση τους. Τα εκπεµπόµενα αέρια αποτελούνται από αιωρούµενα σωµατίδια, προϊόντα καύσης και οργανικά σώµατα που δεν έχουν καεί. Τα αιωρούµενα σωµατίδια, στα οποία περιλαµβάνονται ανόργανα σωµατίδια και τέφρα, θεωρούνται πολύ επικίνδυνα, διότι µπορεί να µεταφέρουν οργανικές ουσίες επικίνδυνες για τον άνθρωπο. Η εκποµπή αυτών µπορεί να αντιµετωπισθεί µε τη χρήση ηλεκτροστατικών φίλτρων ή µε µηχανικό διαχωρισµό.

8 BIOMAZA 7 Τα προϊόντα της καύσης είναι ατµοί νερού, µονοξείδιο και διοξείδιο του άνθρακα, άζωτο και οξείδια του αζώτου, οξείδια του θείου, µεταλλικά και µη µεταλλικά οξείδια και οξέα. Η εκποµπή των απαερίων καύσης πρέπει να ελέγχεται και να εφαρµόζονται οι κατάλληλες µέθοδοι δέσµευσής τους, ώστε οι συγκεντρώσεις τους κατά την εκποµπή τους στην ατµόσφαιρα να βρίσκονται µέσα στα επιτρεπτά όρια. Τα αέρια που εκπέµπονται κατά την καύση διέρχονται από το σύστηµα καθαρισµού, όπου καθαρίζονται µε καταιονισµό νερού. Κατά τον καθαρισµό των αερίων αποµακρύνονται τα όξινα αέρια όπως το HCl, που παράγονται κατά την καύση καθώς και µικρά οργανικά σωµατίδια. Τα καυσαέρια, κατόπιν, διοχετεύονται στα ηλεκτροστατικά φίλτρα, τα οποία συγκρατούν τα ανόργανα αιωρούµενα σωµατίδια και την αιωρούµενη τέφρα. Για να χρησιµοποιηθούν τα ηλεκτροστατικά φίλτρα αυτά, η θερµοκρασία των καυσαερίων πρέπει να βρίσκεται περίπου στους 400 Ο C. Έτσι τα αέρια διαβιβάζονται σε εναλλάκτη θερµότητας µε σύγχρονη παραγωγή ατµού. Κατόπιν οδηγούνται στην καµινάδα όπου συνήθως ένας ισχυρός ανεµιστήρας εξασφαλίζει τον αναγκαίο αερισµό. 4.2) Πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα της κλασσικής αποτέφρωσης Τα σηµαντικότερα πλεονεκτήµατα της αποτέφρωση είναι τα εξής: Συσσωρευµένη εµπειρία εφαρµογών οκιµασµένη και αξιόπιστη τεχνολογία Απλότητα και ασφάλεια διεργασιών Παρουσιάζει όµως και σηµαντικά µειονεκτήµατα όπως: Χαµηλά κόστη λειτουργίας και εγκατάστασης Προβληµατική περιβαλλοντική επίδοση: Τα απορρίµµατα περιέχουν επιβλαβείς ουσίες που µπορεί να περιέλθουν στα απάερια όπως τα βαρέα µέταλλα. Οι χηµικές ουσίες που υπάρχουν στα απορρίµµατα, σχηµατίζουν κατά την καύση διοξίνες, που είναι αρκετά τοξικές και επιβλαβείς. Επίσης η ιπτάµενη τέφρα έχει και αυτή υψηλή τοξικότητα. Τέλος, παράγεται µικρό µέρος επικίνδυνου στερεού υπολείµµατος που απαιτεί ιδιαίτερη διαχείριση και επεξεργασία Χαµηλοί βαθµοί απόδοσης Μη εξελίξιµη τεχνολογία Βάσει αυτών των µειονεκτηµάτων, η συγκεκριµένη τεχνολογία έχει λάβει ιδιαίτερα αρνητικά σχόλια στο παρελθόν, παρόλο που τα αναγκαία συστήµατα ελέγχου και επεξεργασίας των απαερίων έχουν εξελιχθεί τεχνολογικά και εγγυώνται τήρηση των νοµοθετικών ορίων εκποµπών. Εποµένως, στην υπό µελέτη µονάδα η θερµική διεργασία που θα εφαρµοστεί δε θα στηρίζεται στην αποτέφρωση αλλά στην νέα και πολλά υποσχόµενη τεχνολογία της αεριοποίησης.

9 BIOMAZA 8 4.3) Αεριοποίηση Η αεριοποίηση είναι µια µέθοδος θερµικής επεξεργασίας µέσω της οποίας, ουσιαστικά, το ξηρό κλάσµα των οργανικών συστατικών των απορριµµάτων αποσυντίθεται θερµικά µε την παρουσία ενός µέσου αεριοποίησης, όπως είναι ο αέρας ή το οξυγόνο. Στόχος της αεριοποίησης είναι η µετατροπή του οργανικού κλάσµατος σε ένα µίγµα καύσιµων αερίων, µέσω µερικής οξείδωσης αυτού σε υψηλές θερµοκρασίες ( ο C). Πριν την έναρξη της διαδικασίας αεριοποίησης είναι απαραίτητα τα εξής 2 στάδια : - Προεπεξεργασία: αποµακρύνονται τα ανόργανα συστατικά των απορριµµάτων όπως µέταλλα, γυαλί κ.ά., έτσι ώστε στο θάλαµο αεριοποίησης να οδηγείται µόνο το οργανικό κλάσµα των απορριµµάτων. - Ξήρανση: µε τη βοήθεια ξηραντήρων αφαιρείται η υγρασία από τα απορρίµµατα, γιατί η περιεκτικότητα σε υγρασία πρέπει να είναι κάτω από 15-20% κ.β. πριν την αεριοποίηση. Τα τελικά προϊόντα της αεριοποίησης είναι: αέριο πλούσιο σε µονοξείδιο, διοξείδιο του άνθρακα, υδρογόνο και κορεσµένους υδρογονάνθρακες (κυρίως µεθάνιο), που µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως καύσιµο στερεό υπόλειµµα αποτελούµενο από άνθρακα και αδρανή συµπυκνωµένο υγρό υπόλειµµα Το παραγόµενο αέριο καύσιµο εξαρτάται από το είδος του µέσου αεριοποίησης. Στην περίπτωση που υπάρχει τροφοδοσία αέρα λόγω παρουσίας του αζώτου η θερµογόνος δύναµη του αέριου προϊόντος είναι χαµηλή και κυµαίνεται γύρω στα 7MJ/m 3. Ενώ στην περίπτωση που η τροφοδοσία αποτελείται από καθαρό οξυγόνο, το ενεργειακό περιεχόµενο του αέριου προϊόντος αυξάνεται σε 13 MJ/m 3. Στην περίπτωση της υπό µελέτη µονάδας εγκατάστασης θα χρησιµοποιήσουµε αεριοποιητή σταθερής κλίνης ανερχόµενης ροής. Τα απορρίµµατα εισέρχονται από την κορυφή και ο αέρας από το κατώτατο σηµείο της µονάδας µέσω µιας σχάρας. Αµέσως πάνω από την εσχάρα το στερεό υπόλειµµα που δηµιουργείται στο πάνω µέρος του αεριοποιητή καίγεται και η θερµοκρασία φθάνει στους 1000 ο C. Η τέφρα πέφτει µέσω της σχάρας στο κατώτατο σηµείο και τα καυτά αέρια περνούν προς τα επάνω και ανάγονται.. Τα απορρίµµατα κινούνται αντίθετα από τη ροή του αερίου και διαπερνά διαδοχικά τις ζώνες ξήρανσης, απόσταξης/πυρόλυσης, αναγωγής και οξείδωσης. Στη ζώνη ξήρανσης τα απορρίµµατα ξηραίνονται ψύχοντας τα αέρια στους ο C αποµακρύνοντας την υγρασία. Στη ζώνη πυρόλυσης, πραγµατοποιείται διάσπαση του οργανικού κλάσµατος των απορριµµάτων σε πτητικά αέρια και στερεά υπολείµµατα άνθρακα. Παράλληλα δηµιουργείται πίσσα. Η θερµότητα για την πυρόλυση και την ξήρανση παρέχεται κυρίως από το ανερχόµενο παραγόµενο αέριο και µερικώς από την ακτινοβολία στη ζώνη οξείδωσης. Στη ζώνη αναγωγής πραγµατοποιούνται αντιδράσεις στις οποίες ο άνθρακας

10 BIOMAZA 9 µετατρέπεται και παράγονται CO και H 2 ως τα κύρια συστατικά του παραγόµενου αερίου. Το παραγόµενο αέριο περιέχει διάφορες ακαθαρσίες, όπως σωµατίδια, πίσσα, άζωτο, θείο, χλώριο. Έτσι, για να µπορέσει να χρησιµοποιηθεί ως καύσιµο σε µηχανή αεριοστρόβιλου πρέπει πρώτα να υποστεί µια διαδικασία φιλτραρίσµατος και καθαρισµού. Στην συνέχεια, το παραγόµενο καθαρό πλέον καύσιµο αέριο το χρησιµοποιούµε για απευθείας παραγωγή θερµότητας και ηλεκτρισµού µε άµεση καύση και ύστερα µε οδήγηση του καυσαερίου διαδοχικά σε αεριοστρόβιλο και µετά σε λέβητα ανάκτησης θερµότητας από τον οποίο εκµεταλλευόµαστε τον παραγόµενο ατµό και τον εκτονώνουµε σε ατµοστρόβιλο. Το όλο αυτό το σύστηµα ονοµάζεται BICT/CC και µπορεί να οδηγήσει σε βαθµό απόδοσης έως και 50%. 4.4) Πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα της αεριοποίησης Όσον αφορά την τεχνολογία της αεριοποίησης είναι ακόµη νέα στο χώρο επεξεργασίας των ΑΣΑ και όχι ιδιαίτερα δοκιµασµένες. Ωστόσο αποτελεί µια πολλά υποσχόµενη εναλλακτική πρόταση έναντι της αποτέφρωσης. Κάποια πλεονεκτήµατα της αεριοποίησης έναντι της αποτέφρωσης είναι: Πολύ καλή περιβαλλοντική επίδοση (αδρανή κατάλοιπα) υνατότητα αυξηµένων βαθµών ηλεκτρικής απόδοσης (λόγω συνδυασµένου κύκλου και λόγω παραγωγής αέριου προϊόντος µε υψηλή θερµογόνο δύναµη 150BTU/ft 3 Πληθώρα δυνατοτήτων αξιοποίησης παραγόµενου καυσίµου αερίου Τα υγρά και τα στερεά απόβλητα που προέρχονται από την αεριοποίηση µπορούν να αξιοποιηθούν ενεργειακά σε αντίθεση µε τα απόβλητα της καύσης Τα βασικά µειονεκτήµατα της αεριοποίησης είναι: Μικρή εµπειρία εφαρµογών Αυξηµένη επικινδυνότητα, λόγω διακίνησης του καυσίµου αερίου Συγκριτικά µεγαλύτερα κόστη εγκατάστασης και λειτουργίας (πιλοτικός χαρακτήρας εφαρµογών). Το κόστος για την διαδικασία της αποτέφρωσης είναι περί τα 65 /tn ΑΣΑ, ενώ για την αεριοποίηση το κόστος κυµαίνεται µεταξύ /tn ΑΣΑ.

11 BIOMAZA 10 5) Τοποθεσία- Μέγεθος Εγκατάστασης Μια σχηµατική αναπαράσταση των τµηµάτων λειτουργίας της µονάδας διαχείρισης αστικών απορριµµάτων φαίνεται στην ακόλουθη εικόνα. Εικόνα 2 Σχηµατική απεικόνιση της λειτουργίας της µονάδας διαχείρισης αστικών απορριµµάτων Η µονάδα πρέπει να εγκατασταθεί κοντά σε µια περιοχή που να διαθέτει σηµαντικές ποσότητες αστικών απορριµµάτων, ώστε από τη µια να µπορεί να λειτουργεί και να εξυπηρετεί διαρκώς τους καταναλωτές της και από την άλλη να µην απαιτείται µεγάλο κόστος για τη µεταφορά των απορριµµάτων από το σηµείο διαλογής τους. Παράλληλα πρέπει να βρίσκεται κοντά στους καταναλωτές θέρµανσης, γιατί όσο µεγαλύτερες είναι οι αποστάσεις τόσο η µεταφορά θερµότητας παρουσιάζει αυξηµένες απώλειες και επιπλέον κόστος. Για όλους αυτούς τους λόγους, επιλέγουµε να εγκαταστήσουµε τη µονάδα µας σε µια πόλη των Αθηνών και συγκεκριµένα στα Άνω Λιόσια, όπου εκεί λειτουργεί ένας από τους µεγαλύτερους ΧΥΤΑ της Ελλάδας, στον οποίο εναποτίθενται περίπου τόνοι απορριµµάτων ηµερησίως. Από το ΧΥΤΑ Λιοσίων θα µεταφέρονται αστικά απορρίµµατα µε ειδικά φορτηγά και απορριµµατοφόρα χωρητικότητας 20m 3 και θα αποθηκεύονται προσωρινώς σε κάποιους ειδικούς κατασκευασµένους χώρους αποθήκευσης της δικής µας µονάδας. Η µονάδα που επιθυµούµε να εγκαταστήσουµε έχει στόχο να παράγει συνολική ισχύ 3MW ολ (2MW e ηλεκτρισµού και 1MW th θερµότητας). Συγκεκριµένα, τα 2MW ολ θα

12 BIOMAZA 11 παραχθούν µέσω της βιολογικής διαδικασίας της αναερόβιας χώνευσης και τα υπόλοιπα 1MW ολ µέσω της θερµικής επεξεργασίας της αεριοποίησης. Είδαµε ότι, κατά την αναερόβια χώνευση, το κλασσικό σύστηµα του ενός αντιδραστήρα παράγει περίπου 100 m 3 βιοαερίου ανά τόνο εισερχόµενων αποβλήτων, το θερµικό περιεχόµενο του οποίου είναι περίπου 37,75 MJ/m 3. Το παραγόµενο βιοαέριο τροφοδοτείται ως καύσιµο σε µια αεριοµηχανή συνολικού βαθµού απόδοσης η t = 85% (ηλεκτρικός και θερµικός βαθµός απόδοσης: η el = 38% και η th = 47%, αντίστοιχα). Έτσι, η απαιτούµενη παροχή βιοαερίου για να παραχθούν 2MW ολ είναι: η = t P el m B + P H th u m B = P el + P η H t th u 2000kW = 0, kJ / m m = 0,0623 s 3 m B = 5385, 3 3 m d 3 Η συγκεκριµένη παροχή βιοαερίου αντιστοιχεί, τελικά, σε: ,3m / d 3 100m / t t = 53,85 παροχή αστικών απορριµµάτων. d Από την ολική παραγόµενη ισχύ των 2MW ολ : Η ηλεκτρική ισχύς είναι: Η θερµική ισχύς είναι: Pel = η el m H B u = 0,40 0, kW = 940kWel Pth = η th m H B u = 0,45 0, kW = 1060kWth Όσον αφορά τη θερµική επεξεργασία της αεριοποίησης, το χρησιµοποιούµενο σύστηµα BICT/CC έχει συνολικό βαθµό απόδοσης 50%. Θεωρώντας ότι το θερµαντικό δυναµικό του 1 τόνου αστικών απορριµµάτων είναι περίπου 8000kJ/kg, η απαιτούµενη παροχή αστικών απορριµµάτων για την παραγωγή 2MW ολ είναι: P tot Ptot 1000kW kg kg η t = m = = m = 0,25 = = 21, 6 ΑΣΑ ΑΣΑ H kj m H ηt u s d ΑΣΑ u 0, kg Από τα συνολικά παραγόµενα 1MW ολ, τα 750kW αντιστοιχούν στην ηλεκτρική ισχύ και τα 250kW στη θερµική ισχύ. Συµπερασµατικά, η υπό µελέτη µονάδα εγκατάστασης επεξεργάζεται καθηµερινώς 75,45 τόνους αστικών απορριµµάτων προκειµένου να παράγει ηλεκτρισµό 1,69MW el και θερµότητα 1,31MW th. Υποθέτοντας ότι οι συνολικές ώρες λειτουργίας της εγκατάστασης είναι 5000h ετησίως, διαπιστώνουµε ότι η συνολική ετήσια παραγωγή ενέργειας σε ηλεκτρισµό και θερµότητα είναι 8450MWh και 6559MWh αντιστοίχως Για να καταφθάνουν ηµερησίως 75,45 τόνοι αστικών απορριµµάτων και υποθέτοντας ότι η εγκατάσταση διαθέτει 4 απορριµµατοφόρα των 20m 3 (που αντιστοιχεί σε t d

13 BIOMAZA 12 3 kg 20m 220 = 4, 4ton αστικών απορριµάτων), απαιτούνται συνολικά 17 δροµολόγια, 3 m δηλαδή 4 δροµολόγια για κάθε απορριµµατοφόρο. Αυτά, στη συνέχεια, θα αποθηκεύονται προσωρινώς σε κάποιους ειδικούς κατασκευασµένους χώρους αποθήκευσης της µονάδας. Θεωρούµε ότι το 20% περίπου από τη συνολική παραγόµενη ισχύ, δηλαδή 340kW el ηλεκτρισµού (ή 1700MWh ετησίως) και 260kW th θερµότητας (ή 1300MWh ετησίως), χρησιµοποιούνται για ιδιοκατανάλωση. Τα υπόλοιπα 1,35MW el ηλεκτρισµού (ή 6750MWh ετησίως) πωλούνται στο ηλεκτρικό δίκτυο της ΕΗ, ενώ τα πλεονάζον θερµικό φορτίο των 1,05MW th (ή 5350MWh ετησίως) θα διατίθεται για τη θέρµανση της γύρω περιοχής. 6) Οικονοµική Αξιολόγηση Με µια πρόχειρη έρευνα αγοράς και σύµφωνα µε σχετική βιβλιογραφία, βρέθηκε ότι το ολικό κόστος επένδυσης για την τάξη µεγέθους της συνολικής µας εγκατάστασης είναι περίπου C = Το ετήσιο λειτουργικό όφελος της µονάδας προκύπτει από τη σχέση: f = K f Σ Kη + Kθ + Πη + Πθ, όπου: - = 0,087 /kwh EηΙ = 0,087 /kwh ( 340kW 5000h) = K (Ετήσιο κόστος η ηλεκτρισµού που αποφεύγεται χάρη στο σύστηµα συµπαραγωγής) ( 0,26MW 5000h) c fλ EθΙ 40 /MWh - Kθ = = = η Λ 0,85 που αποφεύγεται χάρη στο σύστηµα συµπαραγωγής) (Ετήσιο κόστος θερµότητας - Πη = 75 /MWh EηΠ = 75 /MWh ( 1,35MW 5000h) = (Πρόσοδος από την πώληση της πλεονάζουσας ηλεκτρικής ενέργειας) - Π = 50 /MWh EθΠ = 50 /MWh ( 1,05MW 5000h) = θ (Πρόσοδος από την πώληση της πλεονάζουσας θερµικής ενέργειας). - K = (Ετήσιες δαπάνες για συλλογή, µεταφορά και αποθήκευση αστικών fσ απορριµµάτων) - = Eη δ = ( 2 MW 5000h) 5 /MWh = (Ετήσιες δαπάνες συντήρησης και λειτουργίας) Τελικά, το ετήσιο λειτουργικό όφελος προκύπτει: f = = ( ).

14 BIOMAZA 13 7) Περιβαλλοντικά οφέλη Τα κυριότερα πλεονεκτήµατα που προκύπτουν από την διαχείριση και αξιοποίηση των αστικών απορριµµάτων για την παραγωγή ενέργειας είναι τα ακόλουθα: 1. Μείωση σε σηµαντικό βαθµό των όγκων των αποβλήτων από τις χωµατερές και την ύπαιθρο. Μείωση των παθογόνων µικροοργανισµών στη χωνεµένη κοπριά και βελτίωση της απόδοσης της λίπανσης. 2. Αποτροπή του φαινοµένου του θερµοκηπίου, το οποίο οφείλεται σε µεγάλο βαθµό στο διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) που παράγεται από την καύση ορυκτών καυσίµων. Το βιοαέριο που παράγεται µέσω της αναερόβιας χώνευσης αποτελεί µια «καθαρή» µορφή ενέργειας σε σχέση µε τα ορυκτά καύσιµα. ηλαδή, το συνολικό ισοζύγιο των εκποµπών αερίων του θερµοκηπίου που παράγεται κατά την καύση του βιοαερίου είναι ισοδύναµο αυτού που απορροφάται κατά την παραγωγή του, άρα δεν επιβαρύνει την ατµόσφαιρα. 3. Λιγότερες εκποµπές οξειδίων του αζώτου και αιωρούµενων σωµατιδίων, αφού οι µηχανές που καίνε βιοαέριο εκπέµπουν περίπου 60% φορές λιγότερο. 4. Αποφυγή της επιβάρυνσης της ατµόσφαιρας µε το διοξείδιο του θείου (SO 2 ) που παράγεται κατά την καύση των ορυκτών καυσίµων και συντελεί στο φαινόµενο της όξινης βροχής. Η περιεκτικότητα της βιοµάζας σε θείο είναι πρακτικά αµελητέα. 5. Μείωση της ενεργειακής εξάρτησης, που είναι αποτέλεσµα της εισαγωγής καυσίµων από τρίτες χώρες, µε αντίστοιχη εξοικονόµηση συναλλάγµατος. 6. ηµιουργία νέων θέσεων εργασίας και αύξηση της οικονοµικής δραστηριότητας στην περιοχή όπου εγκαθίσταται η µονάδα. Για κάθε 1 MW εγκατεστηµένης ισχύος προκύπτουν 2-3 θέσεις εργασίας. Μάλιστα, η EUBIA (European Biomass Industry Associaion) εκτιµά ότι ο τοµέας της βιοενέργειας θα συνεισφέρει στη δηµιουργία 1,5 εκατοµµυρίων νέων θέσεων εργασίας ως το 2020 και 5,7 εκατοµµυρίων θέσεων ως το Ωστόσο, δεν πρέπει να ξεχνάµε ότι εµφανίζονται και κάποια µειονεκτήµατα, όπως: 1. Ο µεγάλος όγκος των αστικών απορριµµάτων και η µεγάλη περιεκτικότητά τους σε υγρασία, ανά µονάδα παραγόµενης ενέργειας. 2. Η δυσκολία στη συλλογή, µεταποίηση, µεταφορά και αποθήκευσή τους, έναντι των ορυκτών καυσίµων. 3. Η οπτική παρενόχληση, εξαιτίας του ότι µια τέτοια µονάδα εγκατάστασης έχει αρκετά µεγάλο όγκο, ενώ παράλληλα οι καπνοδόχοι µεγάλου ύψους είναι ορατοί από µεγάλη απόσταση 4. Οι οσµές εξαιτίας κάποιων σποραδικών διαφυγών και διαρροών από την εγκατάσταση

15 BIOMAZA Οι θόρυβοι: η µονάδα λόγω του µηχανολογικού εξοπλισµού προκαλεί κάποιο θόρυβο, π.χ. από τους εξαεριστήρες των µονάδων επεξεργασίας των αερίων. 6. Κοινωνικοοικονοµικοί παράγοντες: Μία τέτοια εγκατάσταση µπορεί από τη µια να έχει ως συνέπειες τη δηµιουργία νέων θέσεων εργασίας και την αύξηση της οικονοµικής δραστηριότητας στη συγκεκριµένη περιοχή. Ταυτόχρονα, όµως µπορεί να έχει και αρνητικές επιπτώσεις στην αξία των ακινήτων της περιοχής αλλά και σε τοπικές βιοµηχανίες, κυρίως βιοµηχανίες τροφίµων. Βέβαια, τα µειονεκτήµατα αυτά µπορούν να απαλειφθούν βαθµιαία µε την εφαρµογή της κατάλληλης τεχνολογίας και τη βελτίωση της. Επιπροσθέτως, όλα αυτά τα µειονεκτήµατα αντισταθµίζονται πλήρως από τα γενικότερα οικονοµικά και περιβαλλοντικά οφέλη, που είναι ουσιαστικής σηµασίας για την ποιότητα της ζωής και το µέλλον της ανθρωπότητας.

16 BIOMAZA 15 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. «Βιολογικές Επεξεργασίες Στερεών Αποβλήτων», Κάτια Λαζαρίδη 2. «Εκτίµηση των Γενικευµένων Επιπτώσεων και Κόστους ιαχείρισης Στερεών Αποβλήτων», Λάλας, Γεωργοπούλου, Γιδαράκος, Γκέκας, Λαζαρίδη, Μαυρόπουλος, Μοιρασγέντης, Σελλάς, Αθήνα Απρίλιος «ιαχείριση Στερεών Απορριµµάτων και Ιλύος», Α.Κατσίρη, «ιαχείριση Απορριµµάτων και Παραγωγή Ενέργειας», Αθανάσιος Κάτρης, ιευθύνων Σύµβουλος ΗΛΕΚΤΩΡ Α.Ε., 11 Φεβρουαρίου «Σύγχρονα Συστήµατα Καύσης Τεχνολογίες Θερµικής ΑξιοποίησηςΑστικών Απορριµµάτων», Αναπλ. Καθ. Μ. Φούντη, Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών, ΕΜΠ Τεχνικό Επιµελητήριο Ελλάδας, «ιαχείριση Στερεών Αποβλήτων στην Ελλάδα / Η Περίπτωση της Αττικής, Θεοχάρη Χ., Αραβώσης Κ., Βαρελίδης Π., ιαβάτης Η., Ζιώγας Χ., Ιατρού Σ., Μπούρκα Α.Α., Οικονοµόπουλος Α., Παπαγρηγορίου Σ., Παντελάρας Π., Φραντζής Ι., Αθήνα Νοέµβριος Τµήµα Μηχανικών ιαχείρισης Ενεργειακών Πόρων, «Ενεργειακή Αξιοποίηση Βιοµάζας», Πανεπιστήµιο υτικής Μακεδονίας, εκεµβριος 2007, Πτολεµαΐδα 8. «Σύγχρονες Τεχνολογίες Ανακύκλωσης Απορριµµάτων, ιαχείριση και Ενεργειακή Αξιοποίηση Απορριµµάτων», Φελεσκούρα Χριστίνα, Παπαιωάννου Ελένη, Μάιος 2004, ΤΕΙ Χαλκίδας 9. Elsevier Energy Production from Biomass (part 1): overview of biomass, Peter McKendry, Applied Environmental Research Center Ltd, Tey Grove,Elm Lane, Feering, Colchester Co5 9ES, UK Accepted 6 July Elsevier Energy Production from Biomass (part 2): conversion technologies, Peter McKendry, Applied Environmental Research Center Ltd, Tey Grove,Elm Lane, Feering, Colchester Co5 9ES, UK Accepted 6 July Elsevier Energy Production from Biomass (part 3): gasification technologies, Peter McKendry, Applied Environmental Research Center Ltd, Tey Grove,Elm Lane, Feering, Colchester Co5 9ES, UK Accepted 6 July mid=

17 BIOMAZA