Отпадот како енергија - Јован Цветаноски (одделение за...

Reducing the waste

ОТПАДОТ како ЕНЕРГИЈАГенерирање на Енергија и

производство на топлина од биомаси и комунален отпад

Дипл. Инж. Јован Цветаноски Ноември 2013

Што е биомаса?

Биомаса и екологија:

• Кумулативна CO2 неутралност – фотосинтеза

•Удел на минералите во 10 тони шумска биомаса по хектар вкупно 202 kg:

113 kg калциум

61 kg азот

14 kg фосфор

14 kg калиум

Карактеристики на биомасата

1. Обновливост•Сите видови на биомаса се обновливи, за огревното дрво потребно е постојано пошумување барем за толку да годишниот принос биде еднаков на годишното искористување на дрвната маса.

2. Огревна моќ на биомасата•Основна карактеристика: нехомогеност, како последица на различниот удел на влага и пепел

Дрво: 8,2 до 18,7 MJ/kg

Билни остатоци: 5,8 – 16,7 MJ/kg

Биодизел: 37,2 MJ/I

Етанол: 26,8 MJ/I

Биогас: 26 МЈ/Nm3

3. Потрошена енергија за придобивање

Кај шумската биомаса: пр. за сечење на дрвна маса, за пошумување, за транспорт од местото на сечење до местото на користење и за припрема за нејзино користење. Можна нерационалност при употреба (потрошена енергија > произведена енергија).

4. Емисија на штетни гасови при согорување

Емисијата на гасови е помалку штетна од конвенционалните горива – нема сулфур. Сепак емисијата е нешто поголема отколку од конвенционалните постројки

Емисијата при користењето на отпад може да биде опасна ако претходно од отпадот не се издвојат штетните состојки.

5. Површинска распределба и енергетска густина

Релативно рамномерно распределена, мала (енергетска) површинска густина

6. Можност за транспортирање и складирање

Биомасата може да се транспортира на разумно големи далечини (претераната оддалеченост бара поголема енергија за транспорт од енергетската содржина на материите кои се пренесуваат) за да се усклади и користи според потребите.

Важна предност - пр. пред соларната енергија или енергијата на ветерот.

Основни видови на конверзија на биомасата

Технологии за преработка на биомаса

Основен проблем е малата енергетска вредност по единица маса: преработка во погоден облик за транспорт, складирање и употреба

1. Брикетирање и пелетирање

Смалување на волуменот (поради транспорт, автоматизација на ложењето)

Фази: ситнување на материјалот, сушење, пресување (брикетирање и пелетирање) и ладење

2. Биохемиска конверзија

2.1. Анаеробна дигестија

За влажни суровини (измет) – добивање на биогас. Својствата на биогасот зависат од температурата и својствата на материјалите во дигестерите

Принцип на работа на инсталација на биогас

_________________________________________________________________

Анаеробна ферментација на арско ѓубреАнаеробна ферментација на арско ѓубре11-домашно животно; -домашно животно; 22-уред за мешање и дробење на -уред за мешање и дробење на aaрското ѓубре; рското ѓубре; 33-суровина-суровинаaaрско ѓубре; рско ѓубре; 44-механизам за мешање на суровината; -механизам за мешање на суровината; 55-дигестер; -дигестер; 66-котел на биогас за добивање на топлина; -котел на биогас за добивање на топлина; 77-остатоци од ферментацијата; -остатоци од ферментацијата; 88-филтер; -филтер; 99-одвојувач на кондензат; -одвојувач на кондензат; 1010-резервоар за гас; -резервоар за гас; 1111-гас за -гас за греење на дигестерот; греење на дигестерот; 1212-греач-греач

ПРОИЗВОДСТВО И ПРИМЕНА НА БИОГАСПРОИЗВОДСТВО И ПРИМЕНА НА БИОГАС

3. Термохемиска конверзија

3.1 Согорување1. Загревање и сушење

2. Дестилација (испарување) – пиролиза

3. Согорување на цврстиот јаглерод

Дрвна биомаса: голем и променлив удел на влагата (50-50% за свежо дрво), потребни посебни типови на печки (во одос на оние за јаглен)

Биомасата од агрокултурите: брикети, пелети – мала енергетска густина, слама – голем удел на Na, Cl, K (корозија), мала температура на таложење на пепелот

Градски отпад: големи инвестициони трошоци (4000 US$/kW), примарна цел не е производството на енергија туку згрижување за отпадот.

3.2 Расплинување на биомасата (гасификација)

Напредните постапки за конверзија нудат можност за производство на енергија со поголема ефикасност отколку што може да се оставри со едноставно спалување на биомасата.

Цврстата биомаса најпрво се конвертира во течни или гасовити горива кои потоа се користат во гасни турбини.

Топлината се претвара во друг облик на енергија на повисока температура отколку кај едноставните парни циклуси => поголема ефикасност

Потројките на база на конвенционални парни циклуси можат да работата со ефикасност на конверзија до околу 25%

Гасификацијата и пиролизата имаат можност за зголемување на таа ефикасност до 36%

Тип на горивниот гас Долна топлинска вредност

Ниско калоричен гас <8 MJ/Nm3

Средно калориочен гас 8-14 MJ/Nm3

Нормално калоричен гас 14-20 MJ/Nm3

Високо калоричен гас >20 MJ/Nm3

Техничка класификација на горивните гасови

Енергија и горива добиени со искористување на биомаса

БИОЕНЕРГИЈА ОПЛЕМЕНУВАЊЕ НА ДРВАТА(СУШЕЊЕ ,

ИСПАРУВАЊЕ)

ДРВЕН ОСТАТОК

Qt

ОПЛЕМЕНИТОДРВО

ИСКОРИСТУВАЊЕ - ОТПАД

ТРУПЦИ65 %

ОГРЕВ20 %

ТРУПЦИ

ВЛАЖНО ПИЛ ДРВО

Ele

Искористување на биомасата од дрвната индустрија

Удел на енергијата од биомасата во вкупната потрошувачка на енергија во светот 2000

Цена на биомасата

Само гориво (суровина) доста евтино – ниска или занемарлива откупна цена

Но, значајно влијание на вкупната цена имаат трошоците за добивање, преработка, транспорт ...

Цената на биомасата за греење и производство на ел. енергија конкурентна на цената на фосилни горива, освен биоетанолот (на граница на конкурентност), биодизелот (двојно повисока цена)

ШТО Е ОТПАД (WASTE) ?Отпад - секоја материја, супстанца или предмет што се отфрла

екстракција на суровини

во процесот на преработка на суровините до полупроизводи или готови производи

употреба на готовите производи

и.т.н.

Потекнува од: рудниците, индустријата (фармацевтски компании, произведувачи на текстил, прехрамбени комбинати и.т.н.), градежни зафати, изметот на животните, производството на енергија, земјоделски активности, медицински установи, комерцијални објекти (продавници, ресторани, хотели ...) и од домаќинствата

Отпадот се создава при:

несоодветно депонирање на отпадот – исцедување на загадувачките супстанции во почвата и подземните води

зафаќање на корисни површини од земјиштето

загрозување на заштитените природни области и места од посебен интерес

неправилно регулирана инсинерација на отпадот – емисии на токсични супстанции во атмосферата и производство на големи количества контаминирана пепел

Последици при несоодветно постапување со отпадот:

Градски или комунален отпад

Индустриски или технолошки отпад

Животински отпад

Медицински/патоген отпад

Според влијанието врз околината разликуваме:

ИНЕРТЕН и ОПАСЕН отпад:

Токсичен,

Запалив,

Корозивен,

Експлозивен

Радиоактивен

Според местото на настанување разликуваме:

•Отпадот може да биде корисен од кој добиваме секундарни суровини (материи кои можат да се рециклираат – повторно да се употребат), метали, пластика, стакло, хартија ...

−Органски остатоци – можат да се хумифицираат (рециклираат во ѓубриво)

•Некорисен отпад – го сочинуваат отпадоци кои не се користат.

Спречување/намалување на создавање на отпад – минимизирање на користење на ресурсите, и намалување на количините на опасен отпад.

Реупотреба – повторно користење на производи или добра за истите или различни цели.

Рециклирање – повторна обработка на отпадните материјали кои ќе се користат како влезна суровина за производство на ист или различен производ.

Понатамошно враќање на отпадот во производни циклуси – добивање на вредност од отпадот преку компостирање, повторно искористување за енергија

Депонирање (доколку не постои друго соодветно решение) – се депонира или согорува (инсинерација)

Законот за управување со отпад опфаќа:

Депонирање

Проблеми: недостаток на дренажни системи за прибирање на процедните води на депониите, загадување на површинските и подземните води, недостаток на системи за гасовите од депониите, недостаток на следење и контрола (процедни води, биогасови)

РециклирањеРециклирањето и искористувањето на корисните компоненти од отпадот претставува корист за животната средина – смалување на емисијата на CO2 и CH4

Еколошки и економски ефикасна мерка која има позитивен ефект врз животната средина.

КомпостирањеОпција за третман на органските материи – се ослободува извесна количина на CO2 при транспорт и претварање во компост

Делот на јаглерод кој е содржан во органските материи се враќа во земјата и не се испушта во атмосферата

ИнсинерацијаСо инсинерација се ослободува и CO2 и N2O (гас кој има 310 пати поголем индекс на глобално загреванје од CO2).

Делот на енергија кој се ослободува за време на инсинерација може да биде искористен за друг процес со смален ефект на стаклена градина

Современ тренд при постапување на отпадот – користење на отпадот како ресурс со потенцијал на суровина или извор на енергија.

Со стимулирање на повторна употреба, рециклирање или користење на отпадот како извор на енергија се овозможува:

Депонирањето и согорувањето сеуште доминираат во однос на рециклирањето.

Намалување на количините на создаден отпад и Зачувување и рационално користење на природните ресурси

Животински отпад

Животинскиот отпад може да произведе метан, кој може да се користи за:

директно добивање на енергија

конверзија било во метанол било во смеса на водород и јаглерод моноксид

искористување на ѓубривото во анаеробни дигестери

•Количината на биогас и енергијата добиена од животинскиот отпад зависи од видот на животните.

Животно Вид на отпадКоличина

(kg/ден)

Суво(kg/ден)

Биогас по животно (m3/ден)

Енергија по

животно (kWh/год)

Говеда Течен 51 5,4 1,6 3400

Говеда Сув 32 5,6 1,6 3400

Свињи Течен 16,7 1,3 0,46 970

Свињи Сув 9,9 2,9 0,46 970

Производство наПроизводство на биогасбиогас o oдд 1 ton1 ton влезна влезна суровинасуровина..Анализиран е отпадот од: Анализиран е отпадот од: број добитокброј добиток ззa a 1 t/den1 t/den

говедаговеда 20-40 20-40 2525 m m33/ton /ton H Hdd==23-2523-25 MJ/mMJ/m33gasgas, , свињисвињи 250-300250-300 2626 m m33/ton/ton H Hdd==21-21-2525 MJ/m MJ/m33gasgas, , кокошки кокошки 8000-9000 8000-9000 90-15090-150 m m33/ton /ton HHdd==23-2723-27 MJ/mMJ/m33gasgasпилињапилиња 10000-1500010000-15000 4646 m m33/ton /ton HHdd==21-2521-25 MJ/mMJ/m33gasgas

Термофилна анаеробна дигестија за добивање на биогас (65% CH4 и 35% СО2) од животински отпад

Технологии за отпад

Технологиите за добивање на енергија од органски отпад може да се класифицираат како:

Биохемиски Хемиски Термички процеси

Електрана со искористување на отпадот

Технологиите за добивање на енергија од органски отпад може да се класифицираат како:

Биохемиска конверзија

Дигестијата - биохемиски процес со кој органскиот отпад се разградува на прости молекули со помош на бактерии.

Аеробна дигестија (со присуство на кислород)Анаеробна дигестија (без присуство на кислород)

Аеробна дигестија се применува при оксидационо разлагање – рани фази на распаѓање на органските материи и за време на распаѓање

Анаеробна дигестија се применува кога има ограничено изложување на воздух – доцни фази на распаѓање на отпадот

Продукти при аеробна дигестија:

CO2

H2OПродукти при анаеробна дигестија:CH4

H2Oи мали количини наCO2 и H2S (хидроген сулфид)

Добиениот гас од анаеробна дигестија -> согорување -> производство на топлинка или електрична енергија

Анаеробна дигестија

Анаеробна дигестија – разградување на отпадната материја при отсуство на кислород

Производство на смеса од CH4 и CO2 – БИОГАС

БИОГАС – употребен како замена за фосилните горива

Разложувањето на органските материи вклучува бројни биолошки чекори, секој со дефинирана класа на бактерии кои ја абсорбираат енергијата од разлагањето на отпадот.

Сместување на органските материи во големи херметички затворени резервоари – ДИГЕСТЕРИСе опфаќа произведениот биогас

Миризбата се отстранува

Загадувачкиот потенцијал на отпадот се редуцира

Употреба на добиениот биогас:

-> За производство на топлина

-> Како гориво за добивање на електрична енергија

Процесот се карактеризира со:

Пример за инсталација на биогас

Фарма Berrybank

−Има 15,000 свињи

−Произведува иста количина на отпадна вода како град од 40,000 жители

−Има инсталирано анаеробен дигестер

−Системот за рециклирање на фармата чини околу 2 мил. $

Продукти од системот за рециклирање:

7 тони вештачко ѓубре

Голема количина на минерализирана вода

1,700 кубни метри БИОГАС на ден

Когенеративна постројка генерирање на 2900 kW

дневно

Произведената електрична енергија се користи за целите на фармата и се испорачува на мрежа

Јајцевидни анаеробни дигестери

Распрскувач на вештачкото ѓубриво

Гас од депониите (Landfill Gas)

Landfill Gas – спореден производ од тековната пракса на депонирање и се добива по депонирањето на градскиот отпад

Анаеробната дигестија на спалениот тврд органски отпад произведува ваков гас

Landfill Gas – смеса на 40-60% CH4, CO2,

Гасови добиени при депонирање на градски отпад

На самите депонии потребно е да се инсталираат инсталации за опфаќање на ваквиот гас и потоа да се води преку цевководи во складиште

2.9 MW електрана во Glasgow

Гасот се спроведува низ цевководите под нормален притисок, се прибира, наместо да се испушта како стакленички гас во атмосферата

Согорувањето на метанот за прозиводство на CO2 и H2О исто така го намалува штетното влијание врз околината

-> CO2 е помалку штетен гас отколку CH4

Генерирање на ел. енергија со користење на Landfill Gas

Производство на енергија со употреба на градски отпад

Хибридни технологии за искористување на отпадот за добивање на енергија – Solid Waste To Energy Recycling processes

=> производство на енергетски богат гас -> комбинирање со landfill gas -> генерирање на ел. eнергија или топлина за индустриски процеси и загревање на згради

Тврдиот отпад (остатоци од агрокултурите и шумите) може да се согорува во котели за производство на топлина која ќе се пропушта кон парни турбини

Типична електрана за согорување на тврд градски отпад

Главни компоненти на постројката за согорување на градски отпад:

Систем за прием на отпадот и систем за складирање

Котел

Систем за прочистување на гасовите

Парна турбина и генератор

Кондензатор и систем за ладење

Систем за складирање на остатокот

Модерна електрана за согорување на отпадот и производство на топлина

Додатни елементи се:

Опремата за прочистување на гасовите,

Оџак за издувни гасови,

Систем за складирање на пепел

Поради големата корозија во котелот, температурата на пареата во овие електрани е помала од 400 C.

Градскиот и индустрискиот одпад се настојува да бидат:

што похомогени

со поголема енергетска густина

со разнолик хемиски состав

можат да содржат тешки метали и да резултираат во емисија на отровни материи доколку не согоруваат соодветно

Гасификација

Процес на делумна инсинерација со ограничено количество воздух

Конвертирање на биомасата и пластичниот отпад во synthesis gas со топлинска вредност 10-15% од природниот гас

synthesis gas – смеса од јаглерод моноксид и водородМоже да се конвертира во метанол, синтезиски гасолин или директно да се користи како супститут на природниот гас

Ферментација

Органскиот отпад може да се конвертира во етанол преку ферментација под влијание на бактерии

Во електраните со биокелии органските остатоци се конвертираат во биогас, топлина и компост со помош на микро-организми во анаеробна средина

Биогасот потоа согорува во когенеративни постројки и се добива топлинска и ел. енергија

Пиролиза

Пиролиза – инсинерација под анаеробни услови

Алтернатива за добивање на енергија од отпадот

Пиролиза на пластичен отпад и мешан градски отпад – голема енергетска ефикасност

Примена на комбиниран систем за пиролиза и гасификација и согорување

11-гас од депонија; -гас од депонија; 22-дупнатина; -дупнатина; 33-постројка за компресија на -постројка за компресија на гасот; гасот; 44-цевковод за гасно гориво; -цевковод за гасно гориво; 55-термоенергетска постројка -термоенергетска постројка на гас од депонија; на гас од депонија; 6-6-електрична мрежа;електрична мрежа;

Постројка за добивање на електрична енергија со биогас Постројка за добивање на електрична енергија со биогас добиен од санитарна депонија (добиен од санитарна депонија (MontrealMontreal во Канада) во Канада)

ЗАКЛУЧОК

Биомасата претставува значаен обновлив извор на енергија

Интензивно градење на системи за термички третман на биомасата за симултано производство на топлинска и електрична енергија

Значителен допринос за смалување на емисијата на стакленички гасови

Добар дел од пепелот преостанат при спалување на биомасата може понатаму да се искористи за ѓубрива во полјоделството

ЗаклучокФакт

Секоја година се произведуваат големи количини на органски материи кои претставуваат значителен извор на штетни гасови

Што треба да се направи?Развивање на погодни технологии за спречување на стакленичките емисии

Развој на иновативни технологии за конверзија за искористување на отпадот за практични цели

Квантифицирање на трошоците и користите од ограничување на емисијата на стакленички гасови и технологиите за конверзија на отпадот

ВИ БЛАГОДАРАМ НА ВНИМАНИЕТО