6. Η εκπεμπόμενη θερμότητα, η υγρασία και το CO 2 στο περιβάλλον 7. Εξετάστε εάν απαιτείται πρόσθεση οργανικού αζώτου

Transcript

1 Άσκηση 3.1 Σχεδιάστε μονάδα κομποστοποίησης για οργανικά βιομηχανικά στερεά απόβλητα μαζικής παροχής 2000 kg/d με μέση 55% και ζυμώσιμα (πτητικά στερεά) 78,50% του ξηρού. Tο στερεό απόβλητο θα οδηγείται σε αντιδραστήρα κομποστοποίησης τύπου σειραδίων με τριγωνική διατομή, ύψους 1 m και μήκος βάσεως 2 m. Η θερμοκρασία της κομποστοποίησης θα συντηρείται στους 65oC και ο χρόνος παραμονής των αποβλήτων στην διαδικασία της κομποστοποίησης καθορίζεται στις 18 ημέρες (SRT=18d). Να προσδιορισθούν: 1. Ο συνολικός όγκος των σειραδίων 2. Οι απαιτήσεις σε αερισμό 3. Η ενεργειακή αυτοδυναμία της μονάδας, 4. Το ισοζύγιο της ς με δεδομένο ότι το περιεχόμενο του αντιδραστήρα πρέπει να συντηρείται σε 45%. 5. Ο συγκέντρωση και ο μοριακός τύπος του οργανικού περιεχομένου του τελικού προϊόντος καθώς η φαινόμενη πυκνότητά του και ο ελεύθερος χώρος του αέρα. 6. Η εκπεμπόμενη θερμότητα, η και το CO 2 στο περιβάλλον 7. Εξετάστε εάν απαιτείται πρόσθεση οργανικού αζώτου Δίδονται: Σχεδιαστικά δεδομένα 1 Μαζική παροχή στερεών αποβλήτων Q w = 2000 kg/d 2 Μέση Μ w = 55 % 3 Βιοαποδομήσιμα οργανικά VM w = 78,5 % of TS 4 Μη nvm w = 5 % of TS 5 Υγρασία ώριμου προϊόντος M m = 30 % 6 Υγρασία λειτουργίας της κομποστοποίησης M c = 45 % 7 Θερμοκρασία κομποστοποίησης T c = 65 oc Δεδομένα κινητικής 1 Ρυθμός αφομοίωσης βιοαποδομήσιμων οργανικών k= 0,072 kg C/kg C/d 2 Χρόνος παραμονής στην κομποστοποίηση SRT= 18 d 3 Συντελεστής παραγωγής κυτταρικής μάζας Υ= 0,4 g/g C r Φυσικοχημικά δεδομένα 1 πορώδες οργανικού κλάσματος p vm = 60 % 2 πορώδες ανοργάνου κλάσματος p nvm = 25 % 3 απόδοση οξυγόνου Ox ef = 15 % 4 ειδικό βάρος οργανικών ρ vm = 1,1 g/cm3 5 ειδικό βάρος ανοργάνων ρ nvm = 1,6 g/cm3 6 μοριακός τύπος οργανικών αποβλήτου C 16 H 27 O 8 N C vm = (192/361) =53,186 % TKN vm =(14/361) = 3,878 % 7 μοριακός τύπος μικροοργανισμώνc 5 H 7 O 2 N TOC x = (60/113) =53,097 %

2 TKN x = (14/113) =12,389 % 8 Θερμοκρασία περιβάλλοντος T a = 15 oc 9 Ειδική θερμότητα εξάτμισης νερού q water = 540 cal/g 10 Παραγωγή θερμότητας από την αφομοίωση των q vm = 5500 cal/g C r οργανικών (όπου C r = ο άνθρακας που αφομοιώνεται) 11 Θερμοχωρητικότητα του σωρού c balk = 0,25 cal/g/ o C 12 Υγρασία κορεσμού αέρα στους 60οC H a = 0,137 g νερού/g αέρα 13 Ειδικό βάρος αέρα ρ a = 1,28 kg/m3 Θεωρείται ότι το κάθε σειράδι είναι ένας αντιδραστήρας κομποστοποίησης πλήρους ανάμιξης. Με κόκκινο σημειώνονται οι παράμετροι σχεδιασμού. Η σχετική του ατμοσφαιρικού αέρα είναι Η%=60% του σημείου κορεσμού Λύση 1. Μαζικά χαρακτηριστικά του αποβλήτου της τροφοδοσίας ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ 1012 kg/d 709 kg/d 608 lt/d 25% 2000 kg/d 2430 lt/d - Υγρασία: M in = Q w *Μ w /(100+Μ w )= = 2000*55/(100+55)= 709,6 kg/d - Ολικά στερεά = TS in = Q w -M in = = ,6 = 1290,4 kg/d - Βιοαποδομήσιμα οργανικά = bvm in = = TS in *VM w /100 = 1290,4*78,5/100 = =1012,9 kg/d - Μη = nvm in = = TS in *nvm w /100 = 1290,4*5/100 = = - Ανόργανα = FM in = TS in -bvm in -nbvm in = = 1290,4 1012,9 64,5 = - Πορώδες τροφοδοσίας = POR in = =(bvm in +nbvm in )*p vm +FM in *p nvm )/( bvm in +nbvm in +FM in ) = 54,2% - Όγκος στερεών = V p = = (bvm in +nbvm in )/ρ vm +FM in /ρ nvm = 1112,5 lt - Ελεύθερος Χώρος Αέρα = FAS in = = V p *(POR in /100/(1-POR in /100))-M in = 608,2 lt/d FAS out = 608,2/(1112,5+608,2) =25% - Συνολικός όγκος τροφοδοσίας =V in =V p +FAS in +M in = = 2430,4 lt/d - Φαινόμενη πυκνότητα = Ad in = Q w /V m =0,82 g/cm 3 - Περιεκτικότητα σε οργανικό άζωτο = TKN in = = (bvm in +nbvm in )*TKN vm /100 = 41,8 kg/d Το πορώδες ενός στερεού ορίζεται το ποσοστό που καταλαμβάνει ο κενός χώρος όταν το στερεό δεν περιέχει καθόλου ή άλλως ο λόγος του κενού χώρου V v ως προς τον ολικό όγκο της βιομάζας V t: P g = V v / V t, %.

3 Το Free air space (FAS) ενός στερεού ορίζεται ο όγκος που καταλαμβάνει ο αέρας εντός της βιομάζας: FAS = (V v V a)/v t, %, όπου V a ο όγκος που καταλαμβάνει το νερό. 2. Αφομοίωση του άνθρακα εντός της κομποστοποίησης Η κομποστοποίηση ακολουθεί κινητική α τάξεως ως προς την αφομοίωση του οργανικού άνθρακα και σε έναν αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας πλήρους αναδεύσεως ισχύει η σχέση: bvm out bvm in = k SRT Επομένως: bvm out =bvm in/(1+k*srt)=1012,9/(1+0,072*18)= kg/d Ένα μέρος του άνθρακα (40%) μετατρέπεται σε κυτταρική μάζα και το υπόλοιπο (60%) μετατρέπεται σε CO 2. Επομένως ο άνθρακας που μετατρέπεται σε CO 2 είναι: C-CO 2 = (bvm in bvm out)*(1-y)*c vm = (1012,9-441,6)*(1-0,4)*0,53186= = kg/d Η δε κυτταρική μάζα που παράγεται είναι: X out=(bvm in bvm out)*y*c vm/toc x=(1012,9-441,6)*0,4*0,53186/0,53097 = = 228,4 kg/d 3. Μαζικά χαρακτηριστικά του προϊόντος της κομποστοποίησης Επειδή θεωρείται ότι ο αντιδραστήρας είναι πλήρους αναδεύσεως γι αυτό και το προϊόν της κομποστοποίησης έχει τα ίδια χαρακτηριστικά με το υλικό μέσα στην κομποστοποίηση. Επομένως το προϊόν θα έχει την της κομποστοποίησης η οποία αποτελεί παράμετρο σχεδιασμού και η οποία πρέπει να διατηρείται στο 45%. Τα και τα μη βιοαποδομήσιμα υλικά παραμένουν αναλλοίωτα εντός της κομποστοποίησης. Το τελικό προϊόν περιέχει το αφομοίωτο ποσοστό (υπόλειμμα) των οργανικών βιοαποδομήσιμων υλικών καθώς και την παραγόμενη κυτταρική μάζα της βιολογικής οξείδωσης. Έτσι διαμορφώνονται τα χαρακτηριστικά του προϊόντος όπως παρουσιάζονται παρακάτω: ΠΡΟΪΟΝ 441 kg/d 228 kg/d 294 kg/d 290 lt/d 24,6% 1241 kg/d 1176 lt/d κυτταρική μάζα - Βιοαποδομήσιμα οργανικά = bvm out = = bvmin/(1+k*srt)= 441 kg/d - Μη = nbvm out = = nbvm in = - Ανόργανα = FM out = FM in = - Κυτταρική μάζα = X out = 228,4 kg/d - Ολικά στερεά = TS out = bvm out +nbvm out +FM out +X out = = 947,28 kg/d - Υγρασία: M out = TS out *M c /(M c +100) = = 947,28*45/(100+45)= 294 kg/d - Πορώδες προϊόντος = POR out = ((bvm out+nbvm out+x out)*p vm+fm out*p nvm)/ /(bvm out+nbvm out+x out +FM out )= 52,1% - Όγκος στερεών = V pout =

4 = ((bvm out +nbvm out )/ρ vm +FM out /ρ nvm )= 592,8 lt - Ελεύθερος Χώρος Αέρα = FAS out = = V pout *((POR out /100)/(1-(POR out /100)))-M out = 351,7 lt/d FAS out = 351,7/(592,8+351,7) =28,4% - Συνολικός όγκος ημερήσιας εξαγωγής =V out = - =FAS out +V pout +M out = 1238,3 lt/d - Φαινόμενη πυκνότητα = Ad out = = Q out /(V pout +FAS out +M out )=1,0 g/cm 3 - Περιεκτικότητα σε οργανικό άζωτο = TKN out = = (bvm out +nbvm out )*TKN vm /100+X out *TKN x /100= = 47,9 kg/d 4. Aπαιτήσεις αερισμού O αερισμός κατά την κομποστοποίηση εξυπηρετεί δύο κυρίως σκοπούς: - την παροχή επαρκούς οξυγόνου για την βιολογική οξείδωση και - την παροχή επαρκούς αέρα για την ψύξη του αντιδραστήρα κομποστοποίησης ώστε η θερμοκρασία να παραμένει στην σχεδιαζόμενη Υπολογισμός απαιτήσεων αερισμού για βιολογική οξείδωση Θεωρώντας ως μέσο εμπειρικό τύπο για την σύσταση του οργανικού κλάσματος των απορριμμάτων τον C 16H 27O 8N, έχουμε την ακόλουθη στοιχειομετρία: C 16H 27O 8N + 18 O 2 16 CO H 2O + NH 3 Προκύπτει λοιπόν ότι απαιτούνται 3 g οξυγόνου ανά g αποδομούμενου οργανικού άνθρακα. Αν λάβουμε υπόψη την απόδοση της οξείδωσης (15%) τότε η απαίτηση αυτή ανέρχεται σε 3/0,15 =20 g οξυγόνου ανά g αποδομούμενου οργανικού άνθρακα. Επομένως η απαίτηση της βιο-οξείδωσης σε οξυγόνο είναι: Οξυγόνο= (bvm in-bvm out-x out)*20= 6868,7 kg O 2/d Με δεδομένο ότι 1 m 3 αέρας περιέχει 0,3 kg οξυγόνου τότε απαιτούνται Q air = 6868/0,3 = m 3 αέρας/d Η παροχή αυτή του αέρα έχει την δυνατότητα να εξατμίσει: Q evap=(22895 m 3 )*1,28*0,137*(1-60/100)= 1606 kg νερού/d Με δεδομένο ότι 1 kg νερού εξατμιζόμενο απορροφά 540 kcal θερμότητας, η εξάτμιση αυτή μπορεί να απορροφήσει: ΔΗ w =1606*540= kcal/d 4.2. Υπολογισμός ισοζυγίου θερμότητας Για κάθε kg οξειδούμενου άνθρακα παράγοντα 5500 kcal θερμότητας. Επομένως η συνολική ημερήσια παραγωγή θερμότητας ανέρχεται σε: ΔΗ pr = (C-CO2)*5500 = 183,3*5500 = kcal/d Η απορρόφηση θερμότητας λόγω θέρμανσης της τροφοδοσίας από την θερμοκρασία περιβάλλοντος στη θερμοκρασία των 65οC ΔΗ cons = Q w*c balk*(60-15) =(2000 kg/d)*0,25*45 =22500 kcal/d Το ισοζύγιο θερμότητας είναι: (Δ)

5 ΔΗ balance = ΔΗ pr ΔH cons ΔΗ w = = kcal/d Το ισοζύγιο είναι θετικό που σημαίνει ότι πρέπει να προστεθεί επί πλέον αέρας για την ψύξη της κομποστοποίησης και επειδή ο επί πλέον αέρας θα πρέπει να εξατμίσει και την ανάλογη ποσότητα νερού γι αυτό και πρέπει να προστίθεται. Δεδομένου ότι κάθε 1 m 3 αέρα κορεσμένο σε μπορεί να απορροφήσει 37,88 kcal (=1,28*0,137*540*0,4) τότε η απαιτούμενη επί πλέον ποσότητα αέρα ανέρχεται σε: Q aex = /37,88 =3126 m 3 αέρα/d Και η επί πλέον ποσότητα νερού που θα εξατμίζεται ανέρχεται σε: Q wex = 3126*1,28*0,137*(1-60/100) = 219 kg νερού/d Επομένως: α) Η συνολική παροχή αέρα ανέρχεται: Q a = Q air + Q aex = = m 3 /d γ) Η συνολική ποσότητα νερού που εξατμίζεται είναι: Q evaporation = Q evap +Q wet = = 1814 kg/d β) Η ημερήσια παροχή του νερού που πρέπει να προστίθεται, υπολογίζεται από το ισοζύγιο της ς: W balance=m in M out Q evaporation+w pr=709, ,3*216/192=-1192 kg/d Όπου W pr = το νερό που παράγεται από την αντίδραση βιο-οξείδωσης 4.2. Υπολογισμός απαιτήσεων αζώτου Η απαίτηση σε πρόσθετο άζωτο υπολογίζεται από το ισοζύγιο του αζώτου: ΤΚΝ add = TKN in TKN out = 6,1 kg/d 4.2. Υπολογισμός του ενεργού όγκου V του αντιδραστήρα: Εφ όσον ο αντιδραστήρας είναι πλήρους αναδεύσεως έπεται ότι η σύσταση του περιεχομένου του θα είναι όμοια με την σύσταση του εξερχόμενου προϊόντος και εφ όσον η φαινομένη πυκνότητά του είναι 1 g/cm3 τότε ο ενεργός του όγκος θα είναι: V= V out * SRT = 1,238 m 3 /d *18 d = 22,284 m 3 Η κάθετη τομή του σειραδίου είναι 1 m2 (= (1*2)/2) και επομένως το μήκος του σειραδίου θα είναι 22,28 m στο οποίο κάθε ημέρα θα προστίθενται 2000 kg αποβλήτου, 1192 kg νερό και 6,1 kg οργανικού αζώτου ενώ παράλληλα θα αποσύρονται 1238 kg κομποστοποιημένου προϊόντος για ωρίμανση. Το ολοκληρωμένο ισοζύγιο της κομποστοποίησης παρουσιάζεται στο παρακάτω διάγραμμα.

6 CO 2 θερμότητα 182 kg C/d Kcal/d 1814 kg /d ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΠΡΟΪΟΝ 1012 kg/d 709 kg/d 608 lt/d 25% 2000 kg/d 2430 lt/d T=65 o C SRT=18 d ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑΣ ΚΟΜΠΟΣΤΟΠΟΙΗΣΗΣ 206 kg/d V=22.28 m kg/d 228 kg/d 294 kg/d 290 lt/d 24,6% 1241 kg/d 1176 lt/d κυτταρική μάζα TKN νερό 6.1 kg/d 1192 kg/d αέρας m 3