Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς Παραγωγή ενέργειας από απορρίμματα 2η 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: [email protected] URL: www.lsbtp.mech.ntua.gr LSBTP Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς Περιεχόμενα • Εισαγωγή – Μέθοδοι Ενεργειακής Αξιοποίησης • Ενεργειακή Αξιοποίηση Σύμμεικτων Απορριμμάτων • Ενεργειακή Αξιοποίηση Στερεών Ανακτηθέντων Καυσίμων – Αξιοποίηση μέσω αποτέφρωσης/συναποτέφρωσης – Αξιοποίηση μέσω αεριοποίησης – Παράδειγμα polystabilat LSBTP Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΜΜΕΙΚΤΩΝ ΑΠΟΡΡΙΜΜΑΤΩΝ LSBTP Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς Αστικά Στερεά Απόβλητα – Ενεργειακή Αξιοποίηση (1/2) Αστικά Στερεά Απόβλητα 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) LSBTP Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς Αστικά Στερεά Απόβλητα – Ενεργειακή Αξιοποίηση (2/2) Αποτέφρωση ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΝΑΚΤΗΣΗ Πυρόλυση (Συμπαραγωγή) Αεριοποίηση CO, NOx SO2 Συμβατικοί ρύποι Ιπτάμενη τέφρα Διαχείριση Αποβλήτων / Εξέταση Περιβαλλοντικών Παραμέτρων Απόδοση της Εγκατάστασης Εκπομπές Θορύβου Αέριες Εκπομπές Στερεά Απόβλητα Βαρέα μέταλλα Μη συμβατικοί ρύποι HCl, HF Διοξίνες/Φουράνια Υγρή Τέφρα πυθμένα Ιπτάμενη τέφρα Γύψος από αποθείωση LSBTP Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς Αποτεφρωτήρες – Ιστορική αναδρομή Hamburg Bullerdeich 1896 Wien Spittelau Πηγή: Vehlow, ITC-TAB Tokyo-Minato (Ιαπωνία) 3 σειρές εσχάρων καύσης με δυναμικότητα καθεμίας 300 t/ημέρα LSBTP 2 x 360 t/d Rückschub-Rost Πηγή: Martin Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς Σχηματικό Διάγραμμα Εργοστασίου αποτέφρωσης ΑΣΑ Πηγή: CEWEP LSBTP Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς Αποτέφρωση σε ρευστοποιημένη κλίνη 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] LSBTP Πεδίο λειτουργίας ρευστοποιημένης κλίνης [Austrian Energy] Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς Συλλογή, αξιοποίηση βιοαερίου σε ΧΥΤΑ Φρεάτιο άντλησης Πρωτεύον οριζόντιο δίκτυο Δευτερεύον οριζόντιο δίκτυο Gas collection pipe Ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος Ventilator and filter unit Επεξεργασίααφύγρανση βιοαερίου Generating set LSBTP Transformer Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς Παραγωγή - σύσταση βιοαερίου σε ΧΥΤΑ  Παραγωγή μεταβλητή, ανάλογα με την πάροδο του χρόνου  Μέσο ενεργειακό περιεχόμενο (~ 5-6kWh/Nm3) Phase 100 Ι ΙΙ ΙΙΙ Gas composition, % by vol. 80 V CO2 Ν2 60 CΗ4 40 20 0 LSBTP ΙV O2 Η2 Ν2 O2 Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς Ενεργειακή αξιοποίηση βιοαερίου σε ΧΥΤΑ  Προϋποθέσεις εκμετάλλευσης o Καταλληλότητα (πρώτη ύλη τεχνολογία) o Επαρκής ποσότητα (οικονομικότητα) o Τεχνογνωσία (υλοποίηση – λειτουργία) Για έργα βιοαερίου     LSBTP Αξιολόγηση του δυναμικού βιοαερίου Κατασκευή δικτύου συλλογής Κατασκευή σταθμού αξιοποίησης Αντιμετώπιση τεχνικών, οικονομικών και θεσμικών κινδύνων Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΣΤΕΡΕΩΝ ΑΝΑΚΤΗΘΕΝΤΩΝ ΚΑΥΣΙΜΩΝ LSBTP Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς Στερεά Ανακτηθέντα Καύσιμα: Παραγωγή Μηχανικής και Βιολογικής Επεξεργασίας (Mechanical and Biological Treatment) •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) ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΙΜΑ Κέντρα Διαλογής Ανακυκλώσιμων Υλικών (Material Recycling Facilities) Κύρια στάδια της διαδικασίας παραγωγής ανακτηθέντων καυσίμων Διαχωριστής NIR Οργανικό κλάσμα Αερόβια χώνευση (Πηγή: www.titech.com) LSBTP Στερεό Ανακτηθέν Καύσιμο (Refuse Derived Fuel) Αναερόβια χώνευση Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς Στερεά Ανακτηθέντα Καύσιμα – Ενεργειακή Αξιοποίηση Χρήσεις LSBTP Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς ΚΑΥΣΗ LSBTP Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς Aυτόνομη ενεργειακή αξιοποίηση RDF/SRF (1/3 ) H μονάδα συμπαραγωγής RDF/SRF στο Industriepark Ηöchst    LSBTP 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. Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς Mικτή καύση SRF σε λιγνιτικές μονάδες στη Γερμανία (2/3)      LSBTP 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 CO2). 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. Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς 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 LSBTP Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς ΑΕΡΙΟΠΟΙΗΣΗ LSBTP Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς 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 LSBTP Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς Διεργασία Αεριοποίησης 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 Αέριο + Πίσσες+ Ανθρακούχο υπόλειμμα Αυτοθερμική Αεριοποίηση Οργανικό υλικό Αέριο + Πίσσες+ Ανθρακούχο υπόλειμμα Αλλοθερμική Αεριοποίηση Μέσο αεριοποίησης Χωρίς οξυγόνο Θερμότητα LSBTP Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς Αυτοθερμική αεριοποίηση Αέριο σύνθεσης Ξήρανση Βιομάζα > ξηρή βιομάζα + Η2Ο Πυρόλυση Βιομάζα > αέριο πυρόλυσης + άνθρακας C+O2 -> CO2 4H+O2 -> 2H2O Αναγωγή C+CO2 -> 2CO C+H2O -> CO + H2 LSBTP Tar CH4 CO2 H2O Καύση Θερμότητα H2O CO H2 Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς Αεριοποίηση RDF – Stabilat® 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. % Ανανεώσιμο κλάσμα (χαρτί, ύφασμα, ξύλο, οργανικά κλπ) ~ 65 κ.β. % Αδρανή υλικά (πέτρες, γυαλί, μέταλλα) <1 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 LSBTP Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς Trockenstabilat® (soft pellets) Floc Hard pellet Soft pellet LSBTP Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς Σύγκριση του Stabilat με άλλα καύσιμα Καύσιμο LSBTP Συντελεστής Συντελεστής εκπομπών Θερμογόνος Ανανεώσιμο εκπομπών συνολικού Ικανότητα κλάσμα ορυκτού CO2 CO2g CO2/MJ MJ/kg % ενεργειακό περιεχόμενο g CO2/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 Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς Παρουσίαση της μονάδας πολυπαραγωγής με αεριοποίηση του Stabilat στο Osnabrück Ατμοστρόβιλος Αεριοποιητής Ρευστοποιημένης Κλίνης G Λέβητας αερίου (Θάλαμος Καύσης) Heating net Κυκλώνας Κύριος στόχος του έργου POLYSTABILAT είναι η κατασκευή Pel ενός επιδεικτικού εργοστασίου ~ 750 kg/h Stabilat Θερμότητα M EU Project: TREN/FP7EN/219062 Polystabilat Stabilat Herhof Recyclingcenter Osnabrück GmbH Free University of Brussels National Technical University of Athens University of Stuttgart LSBTP Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς Διάγραμμα ροής αεριοποίησης στο Osnabrück (750 kg/h) Τμήμα τροφοδοσίας & προθέρμανσης αέρα Τμήμα καθαρισμού & διαχείρισης αερίου Expansion Machine Steam Collector DN 100 DN 100 DN 100 DN 100 DN 100 DN 100 To thermal use Steam Collector ³ ³ ³ ³ ³ Τμήμα αντιδραστήρα αεριοποίησης & απομάκρυνσης τέφρας Τμήμα τροφοδοσίας καυσίμου & υλικού κλίνης LSBTP Τμήμα ατμοηλεκτρικής εγκατάστασης Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς Εγκατάσταση ενεργειακής αξιοποίησης Stabilat® Αντιδραστήρας αεριοποίησης κυκλώνας Ψύκτης αερίου Θάλαμος καύσης Λέβητας Μηχανή ατμούγεννήτρια LSBTP Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς Μελέτη διεργασίας Αεριοποίησης Stabilat® CH X OY N Z wH 2O m O2 3.76 N 2 10 n1H 2 n2CO n3CO2 n4 H 2O n5CH 4 Heat losses 3% 0 Q ( %) •Θερμοκρασία διεργασίας 850 °C. (+) 5 -5 z 3.76m N 2 2 16 21 26 31 36 41 λ % 46 (-) -10 •Αυτοθερμική λειτουργία επιτυγχάνεται για λ>0.38 υποθέτοντας θερμικές απώλειες 3 %. •Για λ>0.38 εξασφαλίζεται μέγιστη μετατροπή άνθρακα. -15 -20 Autothermal operation -25 Carbon matter ( %) 20 Θερμογόνος δύναμη αερίου στους 850 °C: 3.8 MJ/kg 15 10 5 1% 0 LSBTP 16 21 26 31 36 41 λ % 46 Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς Επίδραση θερμοκρασίας αεριοποίησης •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 LSBTP Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς Εκπομπές (tn CO2/tn ΑΣΑ) 0,4 chemical agents 0,35 construction of MBT plant construction of plant MBT_(electricity +LARA) glas_Rec tnCO2/tnMSW 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 NE_Rec 0,05 FE_Rec 0 SRF MSW Εκπομπές σε δύο περιπτώσεις a)SRF: Stabilat® b) ΑΣΑ: απευθείας καύση LSBTP Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς Αποφυγή + Εξοικονόμηση (tn CO2/tn ΑΣΑ) construction of plant 0,1 MBT_(electricity+L ARA) 0 SRF tnCO2/tnMSW -0,1 -0,2 MSW glas_Rec NE_Rec -0,3 FE_Rec -0,4 -0,5 Electricity production -0,6 Εκπομπές σε δύο περιπτώσεις a)SRF: Stabilat® b) ΑΣΑ: απευθείας καύση LSBTP Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Καθ. Ε. Κακαράς LSBTP Επίκουρος Καθηγητής Δρ. Σωτήριος Καρέλλας