ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών Μάθηµα: : «Θεωρία Καύσης - Συστήµατα Καύσης» ΣΥΓΧΡΟΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΥΣΗΣ - ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΑΣΤΙΚΩΝ ΑΠΟΡΡΙΜΜΑΤΩΝ Αναπλ. Καθ. Μ. Φούντη, Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών, ΕΜΠ 2004
Περιεχόµενα Εναλλακτικές µέθοδοι διαχείρισης αστικών απορριµµάτων (ΑΣΑ) Αστικά απορρίµµατα (Σύνθεση παραγωγή) Καύσιµο από απορρίµµατα (ΚΑΠ) Θερµική αξιοποίηση Στόχοι Τεχνικές (Περιγραφή Εφαρµογές Συν Πλην) Περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις
Εναλλακτικές µέθοδοι διαχείρισης αστικών απορριµµάτων (ΑΣΑ) Ελάττωση στην πηγή (Source( Reduction) Ταφή (Landfilling( Landfilling) Ανακύκλωση (Recycling) Βιολογική επεξεργασία Αερόβια ζύµωση (Composting)( Αναερόβια χώνευση (παραγωγή βιαερίου) Θερµική επεξεργασία Χωρίς ανάκτηση ενέργειας (αποτέφρωση Incineration) Με ανάκτηση ενέργειας (πιθανή Σ.Η.Θ.)
Αστικά απορρίµµατα Σύνθεση - Παραγωγή Νοµός Αττικής: 0,6 6 ~ 1,5 kg/(άτοµο*ηµέρα) 1985 1990: +17% ~ +38% συνολική παραγωγή 1990 2004: Οργανικά -20% Χαρτί +50% Πλαστικά +30% Παράγοντες επηρεασµού Εξέλιξη βιοτικού επιπέδου - κατανάλωσης Βαθµός εφαρµογής προγραµµάτων διαχωρισµού στην πηγή Κοινοτικές οδηγίες για υλικά συσκευασιών Συστατικό % κατά βάρος 1990 2004 Οργανικά 51,0 40,0 Χαρτί 22,3 32,0 Μέταλλα 4,2 3,5 Πλαστικά 10,0 13 Γυαλί 3,5 2,5 Υφάσµατα,, ξύλα, δέρµατα, ελαστικά 3,5 3,2 Αδρανή 2,0 2,5 ιάφορα 3,5 3,3 ΣΥΝΟΛΟ 100 100
Καύσιµο από απορρίµµατα (ΚΑΠ) Το καύσιµο κλάσµα των αστικών απορριµµάτων Βελτιωµένες θερµικές ιδιότητες σε σχέση µε πρωτογενές υλικό (+50% ~ +125% Θ.., -16% ~ -67% υγρασία) ΜΟΡΦΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑ- ΣΙΑ ΠΥΚΝΟ- ΤΗΤΑ (kg/m 3 ) ΥΓΡΑΣΙΑ (%) Χύµα - 100 30 έµατα Κύβοι (pellets) Συµπίεση 600 25-30 Ξήρανση, συµπίεση 500-600 10-15 15 Συστατικά % µάζας Οργανικά 0,6 Χαρτί 70,0 Πλαστικό 21,7 Μέταλλα 0,08 Γυαλί 0,16 Υφάσµατα κ.α. 4,2 Αδρανή 0,02 ιάφορα 3,1
Θερµική αξιοποίηση Καύση σε υπαίθριους χώρους (ανεξέλεγκτη, ανθυγιεινή, επικίνδυνη) Καύση σε κλίβανους (τέλη 19ου αιώνα Γερµανία, Αγγλία) (µείωση όγκου στο 5-20% 5 - χωρίς ανάκτηση θερµότητας) Σήµερα Μελλοντική τάση Σταδιακή απαγόρευση ταφής απορριµµάτων Γαλλία: Στόχος η αύξηση δυναµικότητας εγκαταστάσεων καύσης σε 57% Αγγλία: Αντίστοιχο ποσοστό σε 40% έως 2005
Στόχοι θερµικής αξιοποίησης (Ι) Ελαχιστοποίηση του τελικού προς διάθεση όγκου Παραγωγή αξιοποιήσιµης ενέργειας µε το βέλτιστο βαθµό απόδοσης Η παραγωγή αδρανών καταλοίπων, αν είναι δυνατόν µε δυνατότητες αξιοποίησης Τήρηση όλων των κανονισµών που αφορούν εκποµπές ρύπων, µε έµφαση στις διοξίνες Πλήρης καύση των καυσίµων συστατικών*
Στόχοι θερµικής αξιοποίησης (ΙΙ) Σταθερές συνθήκες λειτουργίας εγκατάστασης Ευχέρεια προσαρµογής σε ποιοτικές διακυµάνσεις της τροφοδοσίας Εξασφάλιση πλήρους ελέγχου των ρύπων Ελαχιστοποίηση κόστους εγκατάστασης και λειτουργίας
Τεχνικές θερµικής αξιοποίησης (Ι) Καύση σε εσχάρα Καύση σε ρευστοποιηµένη κλίνη
Καύση σε εσχάρα (Grate firing) Η παλαιότερη και πιο διαδεδοµένη τεχνική Θερµοκρασία θαλάµου καύσης 800-900 900 C Περίσσεια αέρα 50-60% % Οξυγόνο στα καυσαέρια 6-8% Πρωτογενής αέρας 60-70% ευτερογενής αέρας 40-30% Θερµικό φορτίο στην εσχάρα Θερµικό φορτίο στο θάλαµο καύσης 8-9 GJ/(m 2 *h) 450-500 500 ΜJ/(m 3 *h)
ιάγραµµα τυπικής εγκατάστασης Σ.Η.Θ. µε καύση βιοµάζας
SELCHP SPSA ALKMAAR POWERGEN Εταιρεία CNIM, Onyx Aurora Von Roll - Schelde Von Roll - Lurgi Ετήσια δυναµικότητα 420.000 tn/yr 547.500 tn/yr 385.000 tn/yr 1.200.000 tn/yr Αριθµός "γραµµών" δυναµικότητα 2-29 tn/hr 3-20 tn/hr 3-18,5 tn/hr 4 Ηλεκτρική ισχύς (ολική) - MWel 32 40 42 144 Ηλεκτρική ισχύς (διαθέσιµη) - MWel 28,5 35 130 Θερµική ισχύς MWth 50 93 56,5 Χαρακτηριστικά ατµού 46 bar - 395 o C 48 bar - 400 o C 40 bar - 400 o C 45 bar - 450 o C Παροχή ατµού 144 tn/hr 227 tn/hr 190 tn/hr Καύσιµο MSW RDF MSW MSW Hu 8.500 kj/kg 10.000 kj/kg Θερµοκρασία λειτουργίας 980 o C 850-1100 o C 850-1100 o C Αντιρρυπαντικές συσκευές Ηµι-υγρές πλυντηρίδες Πλυντηρίδες Ηλεκτροστατικά φίλτρα, Απορροφητής όξινων διαλύµατος ασβέστου, διαλύµατος ασβέστου, Υγρή πλυντηρίδα, αερίων, Σακκόφιλτρα, Σακκόφιλτρα Σακκόφιλτρα Σακκόφιλτρα, SCR SCR Κόστος εγκατάστασης 85.000.000 UKL 835.000.000 NLG Κόστος εγκατάστασης ( δισ. ρχ.) 43,35 125,25 Εκποµπές (mg/nm 3 ) Σωµατίδια 1,4 3 10 HCl 13,7 5 10 HF < 0,01 0,5 1 SO 2 10,8 30 50 NΟ x 385 70 200 Πτητικά Οργανικά < 3 5 0,05 CO 9 25 50 PCDD (ng/nm 3 ) 0,02 0,05 0,1 Βαρέα Μέταλλα 0,062 0,25 0,5
Πλεονεκτήµατα - µειονεκτήµατα Συσσωρευµένη εµπειρία εφαρµογών οκιµασµένη και αξιόπιστη τεχνολογία Απλότητα και ασφάλεια διεργασιών Χαµηλά κόστη λειτουργίας και εγκατάστασης Προβληµατική περιβαλλοντική επίδοση Χαµηλοί βαθµοί απόδοσης Σχεδίαση για ακατέργαστα αστικά απορρίµµατα (ΑΣΑ) και όχι ΚΑΠ Μη εξελίξιµη τεχνολογία
Καύση σε ρευστοποιηµένη κλίνη (ΡΚ) Fluidised Bed Combustion (FBC) Νεότερη µέθοδος, µε γύρω στα 30 χρόνια εφαρµογών Θερµοκρασία λειτουργίας: 800-950 950 C «Αναβράζουσα»» ΡΚ (Bubbling( Fluidised Bed Combustion - BFBC) ΡΚ µε ανακυκλοφορία (Circulating Fluidised Bed Combustion CFBC) Αύξηση δυναµικότητας µε υπερπίεση στον θάλαµο καύσης: Pressurised Fluidised Bed Combustion PFBC)
Πλεονεκτήµατα - µειονεκτήµατα Μικρότερες διαστάσεις από εσχάρα Ιδανικές συνθήκες καύσης ( υνατότητα απορρόφησης µεγάλων διακυµάνσεων στην ποιότητα του καυσίµου) Ανυπαρξία κινούµενων µερών Η µεγάλη θερµική αδράνεια επιτρέπει διακοπές στην λειτουργία Προβληµατική περιβαλλοντική επίδοση (σαφώς βελτιωµένη από την καύση σε εσχάρα) Απαιτήσεις προστασίας επιφανειών συναλλαγής θερµότητας Βαθµοί απόδοσης ίδιας κλάσης µε καύση σε εσχάρα
ιάκριση θερµικών διεργασιών Θερµοκρασία C Αδρανής ατµόσφαιρα <150 Ξήρανση Μικρές ποσότητες αέρα Ξήρανση Περίσσεια οξυγόνου Ξήρανση <500 Πυρόλυση σε χαµηλή θερµοκρασία - - 500-800 Πυρόλυση - - >800 Πυρόλυση σε υψηλή θερµοκρασία Αεριοποίηση Καύση
Τεχνικές θερµικής αξιοποίησης (ΙΙ) Εφαρµογή αεριοποίησης
Αεριοποίηση (Gasification) Η µετατροπή ενός στερεού καυσίµου σε αέριο φορέα ενέργειας Προσθήκη 30-50% του στοιχειοµετρικού αέρα καύσης.
Πλεονεκτήµατα - µειονεκτήµατα Πολύ καλή περιβαλλοντική επίδοση (αδρανή κατάλοιπα) υνατότητα αυξηµένων βαθµών ηλεκτρικής απόδοσης (λόγω συνδυασµένου κύκλου) Πληθώρα δυνατοτήτων αξιοποίησης παραγόµενου καυσίµου αερίου υνατότητα συνδυασµού µε ΡΚ Μικρή εµπειρία εφαρµογών Συγκριτικά µεγαλύτερα κόστη εγκατάστασης και λειτουργίας (πιλοτικός χαρακτήρας εφαρµογών) Αυξηµένη επικινδυνότητα, λόγω διακίνησης του καυσίµου αερίου
Τεχνικές θερµικής αξιοποίησης (ΙΙΙ) Εφαρµογή πυρόλυσης
Πυρόλυση (Pyrolysis) Θερµική αποσύνθεση σε συνθήκες απουσίας οξειδωτικού Παραγωγή καυσίµου αερίου, πυρολυτικών υγρών και στερεού υπολείµµατος (οι εκάστοτε συνθήκες καθορίζουν τις αναλογίες)
Πλεονεκτήµατα - µειονεκτήµατα Πολύ καλή περιβαλλοντική επίδοση (αδρανή κατάλοιπα µε υψηλές πιθανότητες αξιοποίησης) υνατότητα αυξηµένων βαθµών ηλεκτρικής απόδοσης (λόγω συνδυασµένου κύκλου) Πληθώρα δυνατοτήτων αξιοποίησης παραγόµενου καυσίµου αερίου Αέριο υψηλότερης Θ.. από αεριοποίηση Μικρή εµπειρία εφαρµογών (σε µικρότερο βαθµό και από αεριοποίηση) Συγκριτικά µεγαλύτερα κόστη εγκατάστασης και λειτουργίας (πιλοτικός χαρακτήρας εφαρµογών) Αυξηµένη επικινδυνότητα, λόγω διακίνησης του καυσίµου αερίου
Περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις Σηµαντικότερη πλευρά θεωρείται αυτή των αέριων ρύπων, για τους οποίους υπάρχουν και νοµοθετηµένα όρια Σωµατίδια HCl HF SO 2 NO x CO Hg Cd TOC PCDD/F ΜΟΝΑ ΕΣ 89/369/EOK 94/67/EE ΓΕΡΜΑΝΙΑ ΟΛΛΑΝ ΙΑ mg/m 3 30 10 10 5 mg/m 3 50 10 10 10 mg/m 3 2 1 1 1 mg/m 3 300 50 50 40 mg/m 3 - - 200 70 mg/m 3 100 50 50 50 mg/m 3 0,2 0,05 0,05 0,05 mg/m 3 0,2 0,05 0,05 0,05 mg/m 3 20 10 10 10 ng/m 3-0,1 0,1 0,1
Περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις Αέριοι ρύποι Εσωτερικοί ρυπαντές (Intrinsic( Pollutants) Ουσίες που απελευθερώνονται κατά τη διάρκεια της καύσης Πυροχηµικοί ρυπαντές Σχηµατίζονται κατά τη διάρκεια της καύσης εξάρτηση από συνθήκες καύσης. (Προϊόντα ατελούς καύσης) «Προποµποί» (Precursors)( Ουσίες που σχηµατίζουν (σε επόµενο στάδιο της καύσης) άλλους ρυπαντές
Περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις Αέριοι ρύποι Σωµατίδια - Particles Κυρίως ανόργανα άλατα και οξείδια µετάλλων Αντιµετωπίζονται µε: Φυγοκεντρικό διαχωρισµό πρώτο στάδιο (για σχετικά µεγάλες διαµέτρους σωµατιδίου) Σακόφιλτρα Η/Σ φίλτρα Υγρές πλυντηρίδες (wet scrubber)
Περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις Αέριοι ρύποι Μονοξείδιο άνθρακα (CO)* Προϊόν ατελούς καύσης Στοιχειοµετρία Αντιµετωπίζεται µε: Καύσιµο απαλλαγµένο από υγρασία Οµοιόµορφη απολαβή θερµότητας Οµοιόµορφη κατανοµή καυσίµου - οξειδωτικού Συγ κέντ ρωσ η CΟ % ΈλλειµµαΟ 2 Περίσσεια Ο 2 6% 10% Συγκέντρωση Ο 2 %
Περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις Αέριοι ρύποι Οξείδια αζώτου (ΝO x ) Ορίζονται ως το σύνολο µονοξειδίου και διοξειδίου Αρχικά παράγεται ΝΟ, το οποίο διαχωρίζεται σε: Θερµικό - Thermal NO Οφείλεται στην αντίδραση του ατµοσφαιρικού αζώτου µε οξυγόνο. Παράγεται κυρίως όταν η θερµοκρασία της φλόγας υπερβεί τους 1540 C NO Καυσίµου (Fuel)( Παράγεται µέσω οξείδωσης του περιεχόµενου αζώτου (όπως και των νιτρικών ριζών) στο καύσιµο
Περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις Αέριοι ρύποι Τυπικές µέθοδοι απονίτρωσης : Επιλεκτική καταλυτική αναγωγή Selective Catalytic Reduction (SCR) Άνυδρη αµµωνία µετατρέπει µέσω καταλύτη τα NO x σε µοριακό άζωτο Επιλεκτική µη καταλυτική αναγωγή Selective Νοn n Catalytic Reduction (SNCR) H µετατροπή σε άζωτο γίνεται µέσω των υψηλών θερµοκρασιών στο ανώτερο σηµείο του λέβητα Μη Επιλεκτική καταλυτική αναγωγή Non Selective Catalytic Reduction (NSCR) Αέριο καύσιµο εγχύεται περιµετρικά του λέβητα προς δέσµευση του πλεονάζοντος Ο 2 Εφαρµογή scrubbers
Περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις Αέριοι ρύποι ιοξείδιο Θείου (SO 2 ) Προέρχεται από οξείδωση του στοιχειακού θείου που περιέχεται στο καύσιµο Οι εκποµπές αντιµετωπίζονται µε: Επεξεργασία του καυσίµου µη εφαρµόσιµο για ΑΣΑ Απορρόφηση µέσω πρόσθετου δολοµίτη (CaMg( CaMg(CO 3 ) 2 ) ή ασβεστόλιθου (CaCO( 3 )
Περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις Αέριοι ρύποι Υδραλογόνα (HCl,, HF) Προέρχεται από αντιδράσεις µε το στοιχειακό χλώριο ή φθόριο του καυσίµου, όπως επίσης και από χλωριωµένους ή φθοριωµένους υδρογονάνθρακες Οι εκποµπές αντιµετωπίζονται µε τρόπο αντίστοιχο µε το SO 2 Βαρέα µέταλλα στα καυσαέρια Προέρχονται από έντυπα (Zn)( Zn),, λάστιχα (Cr)( Cr),, µπαταρίες (Hg) και άλλες πηγές Τα µέταλλα που βρίσκονται σε αέρια φάση στερεοποιούνται στην ιπτάµενη τέφρα όταν τα καυσαέρια περάσουν σε ψυχρότερες του θαλάµου καύσης περιοχές. Έτσι, η δέσµευση της τέφρας αντιστοιχεί σε δέσµευση των βαρέων µετάλλων.
Περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις Αέριοι ρύποι ιοξίνες Φουράνια (PCDDs PCDFs) Έντονα καρκινογόνες ενώσεις, που έγιναν γνωστές κυρίως από το ατύχηµα του Σεβέζο (1977). Βασικό επιχείρηµα των πολέµιων της θερµικής αξιοποίησης των ΑΣΑ Κύριες θεωρίες περί σχηµατισµού τους είναι: Σχηµατισµός από χλωριωµένους προποµπούς (χλωροφαινόλες( χλωροφαινόλες, χλωροβενζόλια,, κ.α) Από οργανικές ενώσεις και δότες χλωρίου (συνέργεια( PVC και NaCl) Κύριο στάδιο σχηµατισµού η ψύξη των απαερίων Επιτάχυνση από υψηλές συγκεντρώσεις ιπτάµενης τέφρας
Περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις Αέριοι ρύποι Πιθανά µέτρα µείωσης : ιατήρηση θερµοκρασίας θαλάµου καύσης πάνω από 850 C και χρόνος παραµονής τουλάχιστον 2 sec. Περιεκτικότητα καυσαερίων σε Ο 2 τουλάχιστον 6% Βελτίωση της ανάµιξης Σε τελικό στάδιο οι διοξίνες δεσµεύονται από ενεργό άνθρακα Υπόλοιπες οργανικές ενώσεις Πολυαρωµατικοί υδρογονάνθρακες (PAHs( PAHs) Πολυχλωριωµένες διφαινόλες (PCBs)
Περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις Στερεά απόβλητα Τέφρα πυθµένα θαλάµου καύσης Ιπτάµενη τέφρα. Αποτελεί επικίνδυνο (hazardous)( απόβλητα, καθώς είναι φορέας βαρέων µετάλλων σε µη σταθεροποιηµένη κατάσταση µεγάλη πιθανότητα έκλυσης. Η αεριοποίηση και η πυρόλυση παράγουν µικρότερα ποσά τέφρας, και τα στερεά τους κατάλοιπα υπόκεινται σε στάδιο πλήρους τήξης και σχηµατισµού υαλώδους αδρανούς υπολείµµατος. Το πρόβληµα είναι οι πισσώδεις ουσίες που απαιτούν καταλυτική ή θερµική διάσπαση (cracking). Υγρά απόβλητα Blow down λέβητα (στρατσωνισµός( στρατσωνισµός) Υγρές πλυντηρίδες (εφόσον υπάρχουν)
Σχετικές ιστοσελίδες Ευρωπαϊκή Ένωση http:// ://europa.eu.int/comm/energy_transport/atlas /htmlu/munwaste.html Environmental Protection Agency http://www.epa.gov/epaoswer/non-hw/muncpl hw/muncpl