Παραγωγή ενέργειας από απορρίμματα

Παραγωγή ενέργειας από απορρίμματα 2 η Ημερίδα με Θέμα «Ενεργειακή Αξιοποίηση Κλάσματος Μη Ανακυκλώσιμων Αστικών Απορριμμάτων σε μία Βιώσιμη Αγορά Παραγωγής Ενέργειας από Απορρίμματα» 21-11-2014 Σ. Καρέλλας, Επικ. Καθηγητής ΕΜΠ Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Ηρώων Πολυτεχνείου 9, 15780, Ζωγράφου Email: sotokar@mail.ntua.gr URL: www.lsbtp.mech.ntua.gr

Περιεχόμενα Εισαγωγή Μέθοδοι Ενεργειακής Αξιοποίησης Ενεργειακή Αξιοποίηση Σύμμεικτων Απορριμμάτων Ενεργειακή Αξιοποίηση Στερεών Ανακτηθέντων Καυσίμων Αξιοποίηση μέσω αποτέφρωσης/συναποτέφρωσης Αξιοποίηση μέσω αεριοποίησης Παράδειγμα polystabilat

ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΜΜΕΙΚΤΩΝ ΑΠΟΡΡΙΜΜΑΤΩΝ

Αστικά Στερεά Απόβλητα Ενεργειακή Αξιοποίηση (1/2) Αστικά Στερεά Απόβλητα Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων X.Y.T.A. Αποτέφρωση Μηχανική Βιολογική Επεξεργασία/ Διαλογή στη πηγή οργανικού κλάσματος Διαλογή στην πηγή K.Δ.Α.Υ. Βιοαέριο από Χ.Υ.Τ.Α. Αναερόβια Χώνευση στο οργανικό κλάσμα Βιοαέριο Στερεά Ανακτηθέντα Καύσιμα ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΝΑΚΤΗΣΗ (Συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και Θερμότητας)

Αστικά Στερεά Απόβλητα Ενεργειακή Αξιοποίηση (2/2) Αποτέφρωση Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΝΑΚΤΗΣΗ (Συμπαραγωγή) Πυρόλυση Αεριοποίηση Συμβατικοί ρύποι CO, NOx SO 2 Ιπτάμενη τέφρα Διαχείριση Αποβλήτων / Εξέταση Περιβαλλοντικών Παραμέτρων Αέριες Εκπομπές Στερεά Απόβλητα Μη συμβατικοί ρύποι Βαρέα μέταλλα HCl, HF Διοξίνες/Φουράνια Απόδοση της Εγκατάστασης Εκπομπές Θορύβου Υγρή Τέφρα πυθμένα Ιπτάμενη τέφρα Γύψος από αποθείωση

Αποτεφρωτήρες Ιστορική αναδρομή Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Hamburg Bullerdeich 1896 Wien Spittelau Πηγή: Vehlow, ITC-TAB Tokyo-Minato (Ιαπωνία) 3 σειρές εσχάρων καύσης με δυναμικότητα καθεμίας 300 t/ημέρα 2 x 360 t/d Rückschub-Rost Πηγή: Martin

Σχηματικό Διάγραμμα Εργοστασίου αποτέφρωσης ΑΣΑ Πηγή: CEWEP

Αποτέφρωση σε ρευστοποιημένη κλίνη Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Ένα σύστημα αποτέφρωσης με ρευστοποιημένη κλίνη αποτελείται από : Σύστημα προεπεξεργασίας και τροφοδοσίας αποβλήτων. Σύστημα προετοιμασίας των χημικών αντιδραστηρίων της κλίνης (πχ.cao). Σύστημα προσαγωγής του αέρα καύσης. Ρευστοποιημένη κλίνη. Σύστημα απαγωγής της τέφρας. Κυκλωνικός διαχωριστής σωματιδίων (για την περίπτωση ρευστοποιημένης κλίνης με ανακυκλοφορία). Κατηγορίες Ρευστοποιημένης κλίνης (α) Αναβράζουσα ρευστοποιημένη κλίνη [Austrian Energy] (β) Ρευστοποιημένη κλίνη ανακυκλοφορίας [Austrian Energy] Πεδίο λειτουργίας ρευστοποιημένης κλίνης [Austrian Energy]

Συλλογή, αξιοποίηση βιοαερίου σε ΧΥΤΑ Φρεάτιο άντλησης Πρωτεύον οριζόντιο δίκτυο Δευτερεύον οριζόντιο δίκτυο Gas collection pipe Ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος Ventilator and filter unit Generating set Transformer Επεξεργασίααφύγρανση βιοαερίου

Gas composition, % by vol. Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Παραγωγή - σύσταση βιοαερίου σε ΧΥΤΑ Παραγωγή μεταβλητή, ανάλογα με την πάροδο του χρόνου Μέσο ενεργειακό περιεχόμενο (~ 5-6kWh/Nm 3 ) Phase 100 Ι ΙΙ ΙΙΙ ΙV V 80 CO 2 Ν 2 60 CΗ 4 40 20 O 2 Η 2 Ν 2 0 O 2

Ενεργειακή αξιοποίηση βιοαερίου σε ΧΥΤΑ Προϋποθέσεις εκμετάλλευσης o Καταλληλότητα (πρώτη ύλη - τεχνολογία) o Επαρκής ποσότητα (οικονομικότητα) o Τεχνογνωσία (υλοποίηση λειτουργία) Για έργα βιοαερίου Αξιολόγηση του δυναμικού βιοαερίου Κατασκευή δικτύου συλλογής Κατασκευή σταθμού αξιοποίησης Αντιμετώπιση τεχνικών, οικονομικών και θεσμικών κινδύνων

ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΣΤΕΡΕΩΝ ΑΝΑΚΤΗΘΕΝΤΩΝ ΚΑΥΣΙΜΩΝ

ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΙΜΑ Στερεά Ανακτηθέντα Καύσιμα: Παραγωγή Κέντρα Διαλογής Ανακυκλώσιμων Υλικών (Material Recycling Facilities) Μηχανικής και Βιολογικής Επεξεργασίας (Mechanical and Biological Treatment) Κύρια στάδια της διαδικασίας παραγωγής ανακτηθέντων καυσίμων Κοσκίνισμα Μείωση μεγέθους (άλεση σε διαφόρους τύπους μύλων) Μηχανικός διαχωρισμός (αεροδιαχωρισμός, βαλλιστικός διαχωρισμός) Διαχωρισμός με οπτικές μεθόδους (NIR) Ανάμιξη διαφορετικών ρευμάτων ομογενοποίηση Ξήρανση και πελλετοποίηση (Προαιρετικό) Διαχωριστής NIR Οργανικό κλάσμα Στερεό Ανακτηθέν Καύσιμο (Refuse Derived Fuel) Αερόβια χώνευση Αναερόβια χώνευση (Πηγή: www.titech.com)

Στερεά Ανακτηθέντα Καύσιμα Ενεργειακή Αξιοποίηση - Χρήσεις

ΚΑΥΣΗ

Aυτόνομη ενεργειακή αξιοποίηση RDF/SRF (1/3 ) H μονάδα συμπαραγωγής RDF/SRF στο Industriepark Ηöchst Η μονάδα υλοποιείται στο Industriepark Ηöchst και θα αξιοποιεί 675.000 τόνους RDF/SRF σε ετήσια βάση, παράγoντας ~70 MWe (~250 kg ατμού/h). H μονάδα συμπαραγωγής αξιοποιεί την τεχνολογία ρευστοποιημένης κλίνης με εσωτερική ανακυκλοφορία (ICFB) της εταιρείας EBARΑ. O προϋπολογισμός του έργου εκτιμάται σε ~300 Μ και οι θέσεις εργασίας σε 40.

Mικτή καύση SRF σε λιγνιτικές μονάδες στη Γερμανία (2/3) Εκτεταμένες δοκιμές μικτής καύσης SRF σε λιγνιτικές μονάδες έχουν γίνει στις μονάδες της RWE στο Berrenrath (CFB)-65.000 τόνοι/έτος και στο Weisweiler (PC)-100.000 τόνοι/έτος, στα πλαίσια του προγράμματος RECOFUEL (στοιχεία από ΕΜΠ). Από οικονομικής πλευράς, η αντικατάσταση λιγνίτη με SRF αναμένεται να έχει θετικά αποτελέσματα (από αυξημένα τέλη διάθεσης και μείωση εκπομπών CO 2 ). Από τεχνικής πλευράς, το αυξημένο % Cl στα αέρια εισόδου στο λέβητα δεν αναμένεται να δημιουργήσει προβλήματα εφόσον η περιεκτικότητα του SRF δεν υπερβαίνει το 6% του καυσίμου του λιγνιτικού σταθμού (σε ενεργειακή βάση). Από περιβαλλοντικής πλευράς δεν διαπιστώθηκαν μεταβολές στις εκπομπές των αερίων ρυπαντών ενώ η τέφρα πληροί τις προδιαγραφές για ασφαλή διάθεση. Το μόνο που απαιτείται είναι η αναβάθμιση των συστημάτων αποθήκευσης του SRF και της τροφοδοσίας του στην εστία καύσης.

Ενεργειακή αξιοποίηση εναλλακτικών καυσίμων στην τσιμεντοβιομηχανία (3/3) Πάνω από το 50% του θερμικού φορτίου της Γερμανικής τσιμεντοβιομηχανίας μόνο καλύπτεται από εναλλακτικά καύσιμα. Στην Ελλάδα, γίνεται προς το παρόν περιορισμένη απορρόφηση στερεών ανακτηθέντων καυσίμων από τις τσιμεντοβιομηχανίες Πηγή: VDZ, 2013

ΑΕΡΙΟΠΟΙΗΣΗ

Γιατί αεροποίηση; Πλεονεκτήματα Αεριοποίησης: Αέριο σύνθεσης ιδιαίτερα εύχρηστο (αεριοστρόβιλοι, παλινδρομικές ΜΕΚ, συνδυασμένος κύκλος) Δυνατότητα επίτευξης υψηλών βαθμών απόδοσης Μικρότερη παροχή όγκου αερίου σύνθεσης από ότι τα καυσαέρια και συνεπώς μικρότερη διάταξη καθαρισμού. Μειονεκτήματα Αεριοποίησης: Τεχνολογία μη ευρέως εμπορικά διαθέσιμη Υψηλό κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας

Διεργασία Αεριοποίησης Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Η αεριοποίηση ορίζεται ως η θερμοχημική μετατροπή ενός στερεού οργανικού υλικού σε αέριο φορέα ενέργειας με τη βοήθεια κάποιου μέσου αεριοποίησης Οξειδωτικό μέσο αεριοποίησης 30-40 % του στοιχειομετρικά απαιτούμενου Αυτοθερμική Αεριοποίηση Αέριο + Πίσσες+ Ανθρακούχο υπόλειμμα Οργανικό υλικό Αλλοθερμική Αεριοποίηση Αέριο + Πίσσες+ Ανθρακούχο υπόλειμμα Μέσο αεριοποίησης Χωρίς οξυγόνο Θερμότητα

Αυτοθερμική αεριοποίηση Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Αέριο σύνθεσης Ξήρανση Βιομάζα > ξηρή βιομάζα + Η2Ο H 2 O Πυρόλυση Βιομάζα > αέριο πυρόλυσης + άνθρακας Tar CH 4 Θερμότητα Καύση C+O 2 -> CO 2 4H+O 2 -> 2H 2 O CO 2 H 2 O Αναγωγή C+CO 2 -> 2CO C+H 2 O -> CO + H 2 CO H 2

Αεριοποίηση RDF Stabilat Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Stabilat : Καύσιμο από μη επικίνδυνα αστικά απόβλητα από Μηχανική και Βιολογική επεξεργασία για ενεργειακή αξιοποίηση Θερμογόνος Ικανότητα: 15-18 MJ/kg Υγρασία: ~ 15 κβ.% Ποσοστό των συνολικών εισερχομένων ΑΣΑ: ~ 53 κ.β. % Αδρανή υλικά (πέτρες, γυαλί, μέταλλα) <1 κ.β. % Ανανεώσιμο κλάσμα (χαρτί, ύφασμα, ξύλο, οργανικά κλπ) ~ 65 κ.β. % Άλλες ορυκτές πηγές ενέργειας (ύφασμα, ελαστικό, σύνθετα κλπ.) ~ 25 κ.β. % Πλαστικά ~ 9 κ.β. % Πλεονεκτήματα αεριοποίησης Stabilat : Καθαρισμός καυσαερίου μετά την καύση Μικρότερος εξοπλισμός για καθαρισμό αερίου

Floc Trockenstabilat (soft pellets) Hard pellet Soft pellet

Σύγκριση του Stabilat με άλλα καύσιμα Καύσιμο Συντελεστής εκπομπών συνολικού CO 2 - g CO 2 /MJ Θερμογόνος Ικανότητα MJ/kg Ανανεώσιμο κλάσμα % ενεργειακό περιεχόμενο Συντελεστής εκπομπών ορυκτού CO 2 g CO 2 /MJ Λιγνίτης 111 8,6 0% 111 Λιθάνθρακας 93 29,7 0% 93 Πετρέλαιο 74 35,4 0% 74 Φυσικό αέριο 56 31,7 0% 56 Stabilat 71 15 66,8% 24

Παρουσίαση της μονάδας πολυπαραγωγής με αεριοποίηση του Stabilat στο Osnabrück Αεριοποιητής Ρευστοποιημένης Κλίνης Λέβητας αερίου (Θάλαμος Καύσης) Ατμοστρόβιλος G Pel Κύριος στόχος του έργου POLYSTABILAT είναι η κατασκευή ενός επιδεικτικού εργοστασίου ~ 750 kg/h Stabilat Κυκλώνας Heating net Θερμότητα M Stabilat EU Project: TREN/FP7EN/219062 Polystabilat Herhof Recyclingcenter Osnabrück GmbH Free University of Brussels National Technical University of Athens University of Stuttgart

³ ³ ³ ³ ³ DN 100 Steam Collector DN 100 DN 100 DN 100 Steam Collector DN 100 DN 100 Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Διάγραμμα ροής αεριοποίησης στο Osnabrück (750 kg/h) Τμήμα τροφοδοσίας & προθέρμανσης αέρα Expansion Machine Τμήμα καθαρισμού & διαχείρισης αερίου To thermal use Τμήμα αντιδραστήρα αεριοποίησης & απομάκρυνσης τέφρας Τμήμα τροφοδοσίας καυσίμου & υλικού κλίνης Τμήμα ατμοηλεκτρικής εγκατάστασης

Εγκατάσταση ενεργειακής αξιοποίησης Stabilat Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Αντιδραστήρας αεριοποίησης Ψύκτης αερίου κυκλώνας Θάλαμος καύσης Λέβητας Μηχανή ατμούγεννήτρια

Carbon matter ( %) Q ( %) Μελέτη διεργασίας Αεριοποίησης Stabilat z CH XOY NZ wh O m O 3.76N n H n CO n CO n H O n CH 3.76m N 2 10 5 0-5 -10-15 -20-25 20 2 2 2 1 2 2 3 2 4 2 5 4 2 λ 16 21 26 31 36 41 46 % (-) Heat losses 3% (+) Autothermal operation Θερμοκρασία διεργασίας 850 C. Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Αυτοθερμική λειτουργία επιτυγχάνεται για λ>0.38 υποθέτοντας θερμικές απώλειες 3 %. Για λ>0.38 εξασφαλίζεται μέγιστη μετατροπή άνθρακα. 15 10 Θερμογόνος δύναμη αερίου στους 850 C: 3.8 MJ/kg 5 0 1% λ 16 21 26 31 36 41 % 46

Επίδραση θερμοκρασίας αεριοποίησης Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Περισσότερος αέρας απαιτείται για την αύξηση της θερμοκρασίας, αύξηση λ Ο ψυχρός βαθμός απόδοσης μειώνεται καθώς αυξάνεται το Ν2 στο αέριο Ο εξεργειακός βαθμός ομοίως μειώνεται Προθέρμανση του αέρα αεριοποίησης ευνοεί τόσο τον ψυχρό όσο και τον εξεργειακό βαθμό απόδοσης, ενώ μειώνει το λ

tnco 2 /tnmsw Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 Εκπομπές (tn CO 2 /tn ΑΣΑ) chemical agents construction of MBT plant construction of plant MBT_(electricity +LARA) glas_rec 0,1 0,05 0 SRF MSW NE_Rec FE_Rec Εκπομπές σε δύο περιπτώσεις a)srf: Stabilat b) ΑΣΑ: απευθείας καύση

tnco 2 /tnmsw Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων 0,1 0-0,1 SRF Αποφυγή + Εξοικονόμηση (tn CO 2 /tn ΑΣΑ) MSW construction of plant MBT_(electricity+L ARA) glas_rec -0,2-0,3-0,4 NE_Rec FE_Rec -0,5-0,6 Electricity production Εκπομπές σε δύο περιπτώσεις a)srf: Stabilat b) ΑΣΑ: απευθείας καύση