Upload
others
View
3
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Systeemdenken: industrie en milieu
• Massabalansen
Afvalverwerking- systeem
• Hoe ziet het systeem voor huishoudelijk afvalverwijdering er uit in Nederland?
• Welk produkt, welke bewerkingen, kosten, milieubelasting?
• Schatting van bovenstaande?
Afvalverwerking- systeem
• Hoe ziet het systeem voor huishoudelijk afvalverwerking er uit in Nederland?
• Welk produkt, welke bewerkingen, kosten, milieubelasting?
• Schatting van bovenstaande?
Afvalverwerking- systeem
Inzameling
Transport
Verwerking
AFVAL
Restprodukt
De verwerking van afval• Systeemkeuze en afbakening, voor analyse en ontwerp
• inzameling• opties:
• integraal of gescheiden? (GFT-bak, glasbak, papiercontainer etc.)
• halen of brengen
• transport• opties:
• vrachtauto, trein, of schip (vliegtuig)
• eindverwijdering of nuttige toepassing?• opties:
• vuilstortplaats (gecontroleerde stort)• composteren (van GFT)• verbranding met energieterugwinning• grondstofterugwinning• gergebruik en recycling
Inzameling
Transport
Verwerking
AFVAL
Restprodukt
Huishoudelijk Afval in Nederland, 1992-2007
1 [Mton] = 1 miljoen [Ton]Afvalverwerking in Nederland. Gegevens 2011. Agentschap.nl, Augustus 2012
Ontwikkeling huishoudelijk afval
bron: Nederland Afval in Cijfers, Uitvoering Afvalbeheer, SenterNovem, 2007
De verwerking van huishoudelijk afval in Nederland - massabalans
bron: Nederland Afval in Cijfers, Uitvoering Afvalbeheer, SenterNovem, 2007
Capaciteit (vergund)
Afvalverwerking in Nederland. Gegevens 2011. Agentschap.nl, Augustus 2012
Afvalverbranding
• Systeem:
• Functie?• Systeemgrens?• Inputs & Outputs?
• Systeemelementen?
De verbranding van huisvuil
De grootschalige verbranding van huisvuil (grijze container), AfvalverwerkingZuid-Nederland, AZN (nu AEC Moerdijk)
• AZN Moerdijk verwerkte in 2008 700.000 ton afval
• Daarbij ontstaan• 180.000 ton bodemas• 12.000 ton metalen
• De operatie is (volgens AZN (folder):“schoon en erg milieu-vriendelijk”
• Is dat werkelijk zo? Welke informatie ontbreekt aan ditoverzicht (uit PR-folder)?
De verbranding van huisvuil
(1) Is de afvalverbrandingsinstallatie AZN schoon en milieuvriendelijk??
(2) Wat zouden de kosten zijn voor verbranding van huisvuil?
Hoe krijgen we een antwoord op deze twee vragen?
Hoe ziet het systeemdiagram eruit?
De verbranding van huisvuil
(1) Afvalverbrandingsinstallatie AZN schoonen milieuvriendelijk??
(2) Wat zouden de kosten zijn voorverbranding van huisvuil?
(3) Hoe krijgen we een antwoord op dezetwee vragen?
1. systeemdiagram opstellen2. inputs & outputs uitrekenen3. kosten en opbrengsten in beeld brengen
De verbranding van huisvuil
1. systeemdiagram opstellen• op basis van kennis & informatie over
dit systeem – bijvoorbeeld Ullmann’s Encyclopedia of technology (via www.library.tudelft.nl), wikipedia, boeken, wetenschappelijke & technische literatuur, bedrijfsinformatie etc.
• keuze systeemgrens, systeemelementen, inventarisatie van stromen
2. inputs & outputs uitrekenen3. kosten en opbrengsten in beeld brengen
SysteemdiagramVerbranding met energieterugwinning
Aanvoer/Loshal(bunkering)
Rookgasreiniging(NOx, vliegas,
zware metalen, chloor, SO2
dioxines, kwik)
Slakopwerking(verwijdering metalen tbv recycling)
Roosteroven (verbranding)
Stoomketel(energiewinning)
Opslag (open lucht)
Afvoer
Verbranding met energieterugwinning
• Systeem-informatie:• er is een gesloten stoomkringloop voor energiewinning (vergelijk met centrale verwarming (cv) thuis)• de schoorsteen is 80m hoog• voor de verbranding van huisvuil wordt lucht gebruikt
Aanvoer/Loshal(bunkering)
Rookgasreiniging(NOx, vliegas,
zware metalen, chloor, SO2
dioxines, kwik)
Slakopwerking(verwijdering metalen tbv recycling)
Roosteroven (verbranding)
Stoomketel(energiewinning)
Opslag (open lucht)
Afvoer
De grootschalige verbranding van huisvuil - schoon, milieuvriendelijk?
• AZN Moerdijk verwerkt 700.000 ton afval per jaar• Daarbij ontstaan
• 180.000 ton bodemas• 12.000 ton metalen• Rookgas (CO2)
• 15.000 ton vliegas• 3.000 ton gips• 2.600.000 ton stoom
Stap 1 - keuze systeemgrens & control volume
Control Volume t.b.v. vragen
Aanvoer/Loshal(bunkering)
Rookgasreiniging(NOx, vliegas,
zware metalen, chloor, SO2
dioxines, kwik)
Slakopwerking(verwijdering metalen tbv recycling)
Roosteroven (verbranding)
Stoomketel(energiewinning)
Opslag (open lucht)
Afvoer
Energieterugwinning: water-stoom in gesloten kringloop
Control Volume t.b.v. vragen
Aanvoer/Loshal(bunkering)
Rookgasreiniging(NOx, vliegas,
zware metalen, chloor, SO2
dioxines, kwik)
Slakopwerking(verwijdering metalen tbv recycling)
Roosteroven (verbranding)
Stoomketel(energiewinning)
Opslag (open lucht)
Afvoer
Warmte-wisselaar(energie-afnemer)
Kring-proces
Stap 2: boekhoudeninventarisatie inputs en outputs
Control Volume
Aanvoer/Loshal(bunkering)700.000 ton
Rookgasreiniging(NOx, vliegas,
zware metalen, chloor, SO2
dioxines, kwik)
Slakopwerking(verwijdering metalen tbv recycling)
Roosteroven (verbranding)
Stoomketel(energie-winning)
Warmte-wisselaar(energie-afnemer)
Verbrandings-Lucht??ton
bodemas180.000 ton
metalen12.000 ton
vliegas15.000 ton
gips etc.3.000 ton
rookgas??? ton
Netto circulatie2.600.000 ton
De grootschalige verbranding van huisvuil - schoon, milieuvriendelijk?
• AZN Moerdijk verwerkt 700.000 ton afval per jaar• Daarbij ontstaan
• 180.000 ton bodemas• 12.000 ton metalen• Rookgas (CO2)
(1) Wat is de hoeveelheid rookgas die door de schoorsteen wordt uitgestoten?
(2) Wat is de samenstelling van het rookgas (hoeveelheidCO2, dioxines, NOx, roet etc.)?
(3) Hoeveel aardgas wordt er bespaard?
• 15.000 ton vliegas• 3.000 ton gips• 2.600.000 ton stoom
Oplossing: gebruik kennis van het systeem EN balansen
• Stelt u in staat te “boekhouden” met Behouds wet
som(ingaande stromen)som(uitgaande stromen) -netto accumulatie
• Geldt voor: elektronen, atomen, moleculen*, massa, energie, kippen, mineralen, etc.
*bij afwezigheid chemische reactie
Materie- en energietransformatiebehoudswetten
• LAW OF CONSERVATION OF MATTER AND ENERGY
• matter and energy cannot be created or destroyed• matter and energy can be transformed into other
kinds of matter and energy
Oplossings-procedure(zie ook elektronische reader)
(1) Kies systeemgrens & control volume;• gebruik daarvoor kennis van het systeem
(2) Kies de te gebruiken grootheid(3) Ga boekhouden met Behouds wet
som(ingaande stromen)som(uitgaande stromen) -netto accumulatie
• dus inventariseer alle stromen(4)Maak aanvullende aannamen
• bijv. in een continu werkend systeem is bij stationaire operatie de accumulatie gelijk aan nul!
• bijv. de massa van schadelijke stoffen in rookgas is te verwaarlozen in de massabalans
Resultaat systeemanalyse stap (2)
• Er is een additionele input, verbrandingslucht, hoeveelheid is onbekend
• Er is een output waarvan de hoeveelheid en samenstelling onbekend is
• NB de samenstelling van huisvuil is eveneens vooralsnog onbekend!
• Om te bepalen of het systeem “schoon en milieuvriendelijk” is, dienen we dus ontbrekende gegevens te schatten / berekenen, c.q. informatie te verzamelen!
Berekenen ontbrekende gegevens met massabalans:
• (1) Inputs:• lucht: stel X ton• afval: 700.000 ton
•totaal: 700.000 + X
• (2) Outputs• rookgas: stel Y ton • vliegas: 15.000 ton• bodemas: 180.000 ton• metalen: 12.000 ton• gips etc.: 3.000 ton• totaal: 210.000 + Y
Berekenen resultaat met balans:
• (3) Massabalans: • stel netto accumulatie of voorraadvorming = 0• som(inputs) - som(outputs) = 0
• (4) Resultaat • 700.000 + X - 210.000 - Y = 0• hoeveelheid rookgas = Y =490.000 + X
Berekenen schatting van hoeveelheid verbrandingslucht
• benodigde informatie:• verbrandings-reactie(s)• samenstelling huisvuil• samenstelling lucht• massa / mol balansen
Neem aan dat we dit proces voltooien:
(1) Kies systeemgrens & control volume;(2) Kies de te gebruiken grootheid(3) Ga boekhouden met Behouds wet
som(ingaande stromen)som(uitgaande stromen) -netto accumulatie
• dus inventariseer alle stromen(4) Maak aanvullende aanname(s)(5) Stel (voorlopig) onbekendes op “X”
Vervolg systeemanalyse
• Systeem is gekarakteriseerd, informatie verzameld, verantwoorde schatting van ontbrekende gegevens gemaakt
• Kunnen we nu iets zeggen of de AZN afvalverbrander “schoon en milieuvriendelijk is”
• Hebben we aanknopingspunten om te bepalen wat de kosten van de verwerking van een ton huisvuil is?
Stap 2: boekhoudeninventarisatie inputs en outputs
Control Volume tbv vraag (1)
Aanvoer/Loshal(bunkering)700.000 ton
Rookgasreiniging(NOx, vliegas,
zware metalen,chloor, SO2
dioxines, kwik)
Slakopwerking(verwijderingmetalen tbvrecycling)
Roosteroven(verbranding)
Stoomketel(energie-winning)
Warmte-wisselaar(energie-afnemer)
Verbrandings-Lucht??ton
bodemas180.000 ton
metalen12.000 ton
vliegas15.000 ton
gips etc.3.000 ton
rookgas??? ton
Netto circulatie2.600.000 ton
Resultaat stap (2)
• Er is een additionele input, verbrandingslucht, hoeveelheid is onbekend
• Er is een output, rookgas, waarvan de hoeveelheid en samenstelling onbekend is
• NB de samenstelling van huisvuil is eveneens vooralsnog onbekend!
Berekenen resultaat met balansen:
•(1) Inputs:• lucht: stel X ton• afval: 700.000 ton
•totaal: 700.000 + X
•(2) Outputs• rookgas: stel Y ton • vliegas: 15.000 ton• bodemas: 180.000 ton• metalen: 12.000 ton• gips etc.: 3.000 ton• totaal: 210.000 + Y
Bereken gevraagde resultaten m.b.v. systeemanalyse en balansen
• Hoeveelheid rookgas: systeemanalyse + massabalans• Hoeveelheid CO2: systeemanalyse + massabalans
• Additionele aannames te maken• Opstellen verbrandingsreacties• Rekenen met reacties, molen en massa (dictaat)
• Hoeveelheid uitgespaard aardgas: • Systeemanalyse + energiebalans (dictaat)• Opstellen verbrandingsreacties• Lower Heating Value
Berekenen resultaat met balans:
•(3) Massabalans: • stel netto accumulatie ofvoorraadvorming = 0
• som(inputs) - som(outputs)= 0
•(4) Resultaat • 700.000 + X - 210.000 - Y = 0• hoeveelheid rookgas = Y =
490.000 + X
• X = hoeveelheidverbrandingslucht
• Gevraagd (1): • Y = hoeveelheid rookgas
• Gevraagd (2) : • CO2 in rookgas
Procedure voor berekenen Schatting verbrandingslucht Y
• Stap 1:• maak geschikte aanname:• bijvoorbeeld het brandbaar deelvan huisvuil = gelijk aansteenkool
• Bereken hoeveelheid benodigdezuurstof
• Gegevens:• afval: 700.000 [ton/jaar]• stookwaarde = 10 [MJ/kg]• steenkool: 30 [MJ/kg]; • steenkool: verhouding C/H = 0.5• lucht: N2/O2 = 4• molgewichten
• O=16• C=12• H= 1• N=14
Berekenen schatting van hoeveelheid verbrandingslucht• Stap 2:• Stel de verbrandings reactie is:(CH)n + O2 --> CO2 + H2O
• deze aanname impliceert:• afval = 1 deel steenkool + 2 delen inert
• stel nu n = 0.5, en berekenhoeveel zuurstof nodig is voor 1 ton afval.
• Stap 3• Bereken in hoeveel ton lucht diezuurstof zit
• Stap 4• Bereken de hoeveelheid CO2 die vrijkomt bij de verbranding van 1ton afval
• Stap 5• Bereken de hoeveelheid rookgas
Hoeveel aardgas wordt uitgespaard?
• Gegevens:• De AVI produceertelektriciteit
• Met een rendement van22%
• Eveneens stoom• Rendement 38%
• Hoe bereken je de metafvalverbranding uitgespaardehoeveelheid aardgas
• Welke gegevens heb je nodigom de hoeveelheid bespaardaardgas te berekenen?