Odpady na energię - Waste-to-energy

Spalarnia Spittelau jest jednym z kilku zakładów ciepłowniczych w Wiedniu .

Odpady na energię (WtE) lub energia z odpadów (EfW) to proces wytwarzania energii w postaci energii elektrycznej i/lub ciepła z pierwotnego przetwarzania odpadów lub przetwarzania odpadów na źródło paliwa. WtE jest formą odzyskiwania energii . Większość procesów WtE wytwarza energię elektryczną i/lub ciepło bezpośrednio poprzez spalanie lub wytwarza paliwo palne, takie jak metan , metanol , etanol lub paliwa syntetyczne .

Historia

Pierwsza spalarnia lub „Destructor” została zbudowana w Nottingham w Wielkiej Brytanii w 1874 roku przez Manlove, Alliott & Co. Ltd. według projektu Alfreda Fryera.

Pierwsza spalarnia w USA została zbudowana w 1885 roku na Governors Island w Nowym Jorku .

Pierwsza spalarnia odpadów w Danii została zbudowana w 1903 roku we Frederiksbergu .

Pierwszy obiekt w Republice Czeskiej powstał w 1905 roku w Brnie .

Procesy zgazowania i pirolizy były znane i stosowane od wieków, a w przypadku węgla już w XVIII wieku.... Rozwój technologii przetwarzania [pozostałych stałych odpadów mieszanych] stał się przedmiotem zainteresowania dopiero w ostatnich latach, stymulowany przez poszukiwanie więcej efektywne odzyskiwanie energii. (2004)

Metody

Spopielanie

Spalanie, spalanie materiału organicznego, takiego jak odpady, z odzyskiem energii, jest najczęstszym zastosowaniem WtE. Wszystkie nowe instalacje WtE w krajach OECD spalające odpady (pozostałe MSW , komercyjne, przemysłowe lub RDF ) muszą spełniać surowe normy emisji, w tym te dotyczące tlenków azotu (NO x ), dwutlenku siarki (SO 2 ), metali ciężkich i dioksyn . W związku z tym nowoczesne spalarnie znacznie różnią się od starych typów, z których niektóre nie odzyskują energii ani materiałów. Nowoczesne spalarnie zmniejszają objętość oryginalnych odpadów o 95-96%, w zależności od składu i stopnia odzysku materiałów takich jak metale z popiołów do recyklingu.

Spalarnie mogą emitować drobne cząstki , metale ciężkie, śladowe dioksyny i kwaśne gazy , mimo że emisje te są stosunkowo niskie z nowoczesnych spalarni. Inne obawy dotyczą właściwego zarządzania pozostałościami: toksycznym popiołem lotnym , który musi być utylizowany w instalacji do utylizacji odpadów niebezpiecznych, a także popiołem denny ze spalarni (IBA), który należy ponownie wykorzystać.

Krytycy twierdzą, że spalarnie niszczą cenne zasoby i mogą zmniejszać zachęty do recyklingu. Pytanie jest jednak otwarte, ponieważ kraje europejskie, które najwięcej poddają recyklingowi (do 70%), również spalają, aby uniknąć składowania .

Spalarnie mają sprawność elektryczną 14-28%. W celu uniknięcia utraty pozostałej energii można ją wykorzystać np. do ogrzewania miejskiego ( kogeneracja ). Całkowita sprawność spalarni kogeneracyjnych jest zazwyczaj wyższa niż 80% (w oparciu o niższą wartość opałową odpadów).

Metoda spalania w celu przekształcenia stałych odpadów komunalnych (MSW) jest stosunkowo starą metodą wytwarzania WtE. Spalanie zazwyczaj obejmuje spalanie odpadów (resztki odpadów komunalnych, komercyjnych, przemysłowych i RDF) w celu zagotowania wody, która zasila generatory pary wytwarzające energię elektryczną i ciepło do użytku w domach, firmach, instytucjach i przemyśle. Jednym z powiązanych problemów jest możliwość przedostawania się zanieczyszczeń do atmosfery wraz ze spalinami z kotła. Zanieczyszczenia te mogą mieć charakter kwaśny iw latach 80. donoszono, że powodują degradację środowiska, zamieniając deszcz w kwaśny deszcz . Nowoczesne spalarnie zawierają starannie zaprojektowane pierwotne i wtórne komory spalania oraz kontrolowane palniki zaprojektowane tak, aby spalać się całkowicie przy możliwie najniższych emisjach, eliminując, w niektórych przypadkach, potrzebę stosowania płuczek wapiennych i elektrofiltrów na kominach.

Przepuszczając dym przez podstawowe płuczki wapniowe, wszelkie kwasy, które mogą znajdować się w dymie, zostają zneutralizowane, co zapobiega przedostawaniu się kwasu do atmosfery i szkodliwości dla środowiska. Wiele innych urządzeń, takich jak filtry tkaninowe, reaktory i katalizatory, niszczy lub wychwytuje inne regulowane zanieczyszczenia. Według New York Times, nowoczesne spalarnie są tak czyste, że „z domowych kominków i przydomowych grilli uwalnia się obecnie wielokrotnie więcej dioksyn niż ze spalania”. Według niemieckiego Ministerstwa Środowiska „z powodu rygorystycznych przepisów spalarnie odpadów są nie ma już znaczenia pod względem emisji dioksyn, pyłów i metali ciężkich”.

W porównaniu z innymi technologiami przetwarzania odpadów w energię, spalanie wydaje się być najbardziej atrakcyjne ze względu na wyższą wydajność produkcji energii, niższe koszty inwestycyjne i niższe wskaźniki emisji. Dodatkowo, spalanie zapewnia największą ilość energii elektrycznej o największej zdolności do zmniejszenia sterty odpadów na składowiskach poprzez bezpośrednie spalanie.

Paliwo z tworzyw sztucznych

Ma na celu rozwiązanie głównych problemów środowiskowych, a mianowicie zanieczyszczenia spowodowanego nagromadzeniem odpadów z tworzyw sztucznych i zapotrzebowania na alternatywne źródło paliwa. Proces, który jest używany do przekształcania plastiku w paliwo, to piroliza . Jest to rozkład termiczny materiałów w bardzo wysokich temperaturach w obojętnej atmosferze. Polega na zmianie składu chemicznego i służy głównie do obróbki materiałów organicznych. W produkcji wielkoseryjnej odpady z tworzyw sztucznych są rozdrabniane i przesyłane do zasypu, a następnie następuje proces pirolizy, w procesie pomagają katalizatory i następuje przegrupowanie molekularne polimerów , opary są kondensowane z olejem lub paliwem i gromadzone w osadach zbiorniki i filtrowane, paliwo uzyskuje się po homogenizacji i może być stosowane do samochodów i maszyn. Jest powszechnie określany jako termopaliwo lub energia z plastiku.

Inne

Istnieje wiele innych nowych i powstających technologii, które są w stanie wytwarzać energię z odpadów i innych paliw bez bezpośredniego spalania. Wiele z tych technologii może wytwarzać więcej energii elektrycznej z tej samej ilości paliwa, niż byłoby to możliwe przy bezpośrednim spalaniu. Dzieje się tak głównie dzięki oddzieleniu składników korozyjnych (popiołu) z przetworzonego paliwa, co pozwala na uzyskanie wyższych temperatur spalania np. w kotłach , turbinach gazowych , silnikach spalinowych , ogniwach paliwowych . Niektóre są w stanie efektywnie zamienić energię na paliwa płynne lub gazowe:

Zakład pirolizy

Technologie obróbki termicznej :

Odbiór gazu wysypiskowego

Technologie nietermiczne:

Rozwój globalny

W okresie 2001-2007 zdolność przetwarzania odpadów w energię wzrosła o około cztery miliony ton metrycznych rocznie. Japonia i Chiny zbudowały po kilka zakładów w oparciu o bezpośrednie wytapianie lub spalanie w złożu fluidalnym odpadów stałych. W Chinach na początku 2016 r. istniało około 434 zakładów przetwarzania odpadów na energię. Japonia jest największym użytkownikiem w zakresie termicznego przetwarzania stałych odpadów komunalnych na świecie, z 40 milionami ton. Niektóre z najnowszych zakładów stosują technologię stokerów, a inne wykorzystują zaawansowaną technologię wzbogacania tlenem. Na całym świecie istnieje kilka oczyszczalni wykorzystujących stosunkowo nowatorskie procesy, takie jak wytapianie bezpośrednie, proces fluidyzacji Ebara oraz proces technologii zgazowania i topienia Thermoselect JFE. Według stanu na czerwiec 2014 r. Indonezja posiadała łącznie 93,5 MW mocy zainstalowanej w zakresie przetwarzania odpadów na energię, przy czym szereg projektów w różnych fazach przygotowania łącznie osiągał kolejne 373 MW mocy.

Firma Biofuel Energy Corporation z Denver w stanie Kolorado otworzyła w lipcu 2008 r. dwie nowe fabryki biopaliw w Wood River w stanie Nebraska i Fairmont w stanie Minnesota . Zakłady te wykorzystują destylację do produkcji etanolu stosowanego w pojazdach silnikowych i innych silnikach. Oba zakłady pracują obecnie z ponad 90% wydajnością. Spółka Fulcrum BioEnergy z siedzibą w Pleasanton w Kalifornii buduje fabrykę WtE w pobliżu Reno, NV . Zakład ma zostać otwarty w 2019 roku pod nazwą Sierra BioFuels. BioEnergy włączone przewiduje, że zakład będzie produkować około 10,5 miliona galonów etanolu rocznie z prawie 200 000 ton MSW rocznie.

Technologia przetwarzania odpadów na energię obejmuje fermentację , która może pobierać biomasę i tworzyć etanol , wykorzystując odpadowy materiał celulozowy lub organiczny. W procesie fermentacji cukier znajdujący się w odpadach jest przekształcany w dwutlenek węgla i alkohol w tym samym ogólnym procesie, który stosuje się do produkcji wina. Zwykle fermentacja odbywa się bez obecności powietrza. Estryfikacji można również dokonać przy użyciu technologii przetwarzania odpadów na energię, a wynikiem tego procesu jest biodiesel. Opłacalność estryfikacji będzie zależeć od użytego surowca i wszystkich innych istotnych czynników, takich jak odległość transportu, ilość oleju obecnego w surowcu i inne. Zgazowanie i piroliza mogą obecnie osiągnąć całkowitą wydajność konwersji cieplnej (paliwo w gaz) do 75%, jednak całkowite spalanie jest lepsze pod względem wydajności konwersji paliwa. Niektóre procesy pirolizy wymagają zewnętrznego źródła ciepła, które może być dostarczane przez proces zgazowania, dzięki czemu połączony proces jest samowystarczalny.

Emisja dwutlenku węgla

W termicznych technologiach WtE prawie cała zawartość węgla w odpadach jest emitowana jako dwutlenek węgla ( CO
2
) do atmosfery (przy uwzględnieniu końcowego spalania produktów pirolizy i zgazowania; z wyjątkiem produkcji biowęgla na nawóz). Stałe odpady komunalne (MSW) zawierają w przybliżeniu taki sam ułamek masowy węgla jak CO
2
sam (27%), więc obróbka 1 tony metrycznej (1,1 ton amerykańskich) MSW daje około 1 tony metrycznej (1,1 ton amerykańskich) CO
2
.

W przypadku składowania odpadów , 1 tona metryczna (1,1 ton amerykańskich) MSW wytworzyłaby około 62 metrów sześciennych (2200 stóp sześciennych) metanu poprzez beztlenowy rozkład biodegradowalnej części odpadów. Ta ilość metanu ma ponad dwukrotnie większy potencjał globalnego ocieplenia niż 1 tona metryczna (1,1 ton amerykańskich) CO
2
, który powstałby w wyniku spalania. W niektórych krajach zbierane są duże ilości gazu wysypiskowego . Jednak gaz wysypiskowy emitowany do atmosfery nadal ma potencjał do tworzenia efektu cieplarnianego. Na przykład w USA w 1999 r. emisja gazów wysypiskowych była o około 32% wyższa niż ilość CO
2
które zostałyby wyemitowane przez spalanie.

Ponadto prawie wszystkie odpady ulegające biodegradacji to biomasa . Oznacza to, że ma pochodzenie biologiczne. Materiał ten został utworzony przez rośliny wykorzystujące atmosferyczny CO
2
zazwyczaj w ostatnim sezonie wegetacyjnym. Jeśli te rośliny zostaną odrośnięte, CO
2
wyemitowane z ich spalania zostaną ponownie wywiezione z atmosfery.

Takie względy są głównym powodem, dla którego kilka krajów stosuje WtE części odpadów z biomasy jako energię odnawialną . Reszta – głównie tworzywa sztuczne i inne produkty ropopochodne i gazowe – jest ogólnie traktowana jako nieodnawialne .

Oznaczanie frakcji biomasy

MSW w dużej mierze jest pochodzenia biologicznego (biogenicznego), np. papier, tektura, drewno, tkanina, resztki żywności. Zazwyczaj połowa zawartości energii w MSW pochodzi z materiału biogenicznego. W konsekwencji energia ta jest często uznawana za energię odnawialną w zależności od ilości odpadów.

Kilka metod zostało opracowanych przez europejską grupę roboczą CEN 343 w celu określenia frakcji biomasy w paliwach odpadowych, takich jak paliwo z odpadów / paliwo stałe z odzysku. Dwie pierwsze opracowane metody (CEN/TS 15440) to ręczna metoda sortowania i metoda selektywnego rozpuszczania . Szczegółowe systematyczne porównanie tych dwóch metod zostało opublikowane w 2010 roku. Ponieważ każda z metod miała ograniczenia we właściwym scharakteryzowaniu frakcji biomasy, opracowano dwie alternatywne metody.

Pierwsza metoda wykorzystuje zasady datowania radiowęglowego . W 2007 r. opublikowano przegląd techniczny (CEN/TR 15591:2007) opisujący metodę węgla 14. W 2008 r. opublikowano normę techniczną dotyczącą metody datowania węglem (CEN/TS 15747:2008). równoważna metoda węgla 14 zgodnie ze standardową metodą ASTM D6866.

Druga metoda (tzw. metoda bilansowa ) wykorzystuje istniejące dane dotyczące składu materiałów i warunków pracy instalacji WtE i oblicza najbardziej prawdopodobny wynik na podstawie modelu matematyczno-statystycznego. Obecnie metoda bilansowania jest zainstalowana w trzech austriackich i ośmiu duńskich spalarniach.

Porównanie obu metod przeprowadzone w trzech spalarniach na pełną skalę w Szwajcarii wykazało, że obie metody przyniosły takie same wyniki.

Datowanie węgla 14 może precyzyjnie określić frakcję biomasy w odpadach, a także określić wartość opałową biomasy. Określenie wartości opałowej jest ważne dla programów zielonych certyfikatów, takich jak program Renewable Obligation Certificate w Wielkiej Brytanii. Programy te przyznają certyfikaty w oparciu o energię wytworzoną z biomasy. Opublikowano kilka artykułów naukowych, w tym ten zlecony przez Stowarzyszenie Energii Odnawialnej w Wielkiej Brytanii, które pokazują, w jaki sposób wynik węgla 14 może być wykorzystany do obliczenia wartości opałowej biomasy. Brytyjski urząd ds. rynków gazu i energii elektrycznej, Ofgem , wydał w 2011 r. oświadczenie akceptujące stosowanie węgla 14 jako sposobu określania zawartości energii biomasy w surowcach odpadowych, zgodnie z ich obowiązkiem dotyczącym odnawialnych źródeł energii. Ich kwestionariusz pomiaru i pobierania próbek paliwa (FMS) opisuje informacje, których szukają przy rozważaniu takich propozycji.

Godne uwagi przykłady

Według Międzynarodowego Stowarzyszenia Odpadów Stałych (ISWA) istnieje 431 zakładów WtE w Europie (2005) i 89 w Stanach Zjednoczonych (2004). Shooshtarian i jego uczelnie dokonali przeglądu działalności związanej z odpadami energetycznymi w Australii.

Poniżej przedstawiono kilka przykładów instalacji WtE.

Spalarnie odpadów Instalacje WtE

Zakłady produkujące paliwa płynne

Obecnie w budowie jest jeden zakład:

Zgazowanie plazmowe Zakłady przetwarzania odpadów na energię

Siły Powietrzne USA przetestowały kiedyś obiekt Transportable Plasma Waste to Energy System (TPWES) (technologia PyroGenesis) w Hurlburt Field na Florydzie. Elektrownia, której budowa kosztowała 7,4 miliona dolarów, została zamknięta i sprzedana na rządowej aukcji likwidacyjnej w maju 2013 r., niecałe trzy lata po jej uruchomieniu. Cena otwarcia wynosiła 25 USD. Zwycięska oferta została przypieczętowana.

Oprócz dużych zakładów istnieją również domowe spalarnie odpadów na energię. Na przykład Refuge de Sarenne posiada domowy zakład przetwarzania odpadów na energię. Powstaje przez połączenie opalanego drewnem kotła zgazowującego z silnikiem Stirlinga .

Australia

Renergi rozwinie swój system przekształcania odpadów organicznych w paliwa płynne przy użyciu procesu obróbki termicznej w Collie w Australii Zachodniej. System będzie przetwarzał 1,5 tony materii organicznej na godzinę. Rocznie zakład będzie kierował 4000 ton odpadów komunalnych ze składowisk i pozyskiwał dodatkowe 8000 ton odpadów organicznych z działalności rolniczej i leśnej. Opatentowany przez Renergi proces „mielenia pirolizy” ma na celu przekształcenie materiałów organicznych w biowęgiel, biogazy i bioolej poprzez zastosowanie ciepła w środowisku o ograniczonej zawartości tlenu.

Inny projekt w Rockingham Industrial Zone, około 45 kilometrów na południe od Perth, będzie miał elektrownię o mocy 29 MW, która będzie mogła zasilić 40 000 domów z rocznego surowca w postaci 300 000 ton odpadów komunalnych, przemysłowych i handlowych. Oprócz dostarczania energii elektrycznej do systemu połączeń międzysieciowych South West, w ramach umowy zakupu energii zaangażowano już 25 MW mocy elektrowni.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

  • Field, Christopher B. „Ścieżki emisji, zmiany klimatyczne i skutki”. PNAS 101.34 (2004): 12422–12427.
  • Sudarsan, KG i Mary P. Anupama. „Znaczenie biopaliw”. Current Science 90,6 (2006): 748. 18 października 2009 < http://www.iisc.ernet.in/currsci/mar252006/748a.pdf >.
  • Tilman, David. „Koszty środowiskowe, ekonomiczne i energetyczne”. PNAS 103,30 (2006): 11206-11210.
  • „Wiadomości o biopaliwach”. Postęp inżynierii chemicznej. . ZnajdźArtykuły.com. 18 października 2009. < [2] >

Zewnętrzne linki