Transcript Επαμεινώνδας Βουτσάς

National Technical University of Athens
School of Chemical Engineering
Laboratory of Thermodynamics and Transport Phenomena
Διαχείριση αποβλήτων με την
τεχνολογία αεριοποίησης πλάσματος
Ανδρέας Νικολάου, Επαμεινώνδας Βουτσάς,
Κωστής Μαγουλάς, Δημήτριος Τασιός
2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010
Τι είναι το πλάσμα?
• Η «τέταρτη κατάσταση» της ύλης
• Είναι ένα ιονισμένο αέριο το οποίο
έχει την ικανότητα να άγει το
ηλεκτρικό ρεύμα
• Δημιουργείται όταν ένα κοινό αέριο,
όπως ο αέρας, υποβληθεί σε πολύ
υψηλά ενεργειακά πεδία όπως μια
ηλεκτρική εκκένωση που
προκαλείται μεταξύ δύο
ηλεκτροδίων (θερμοκρασίες τόξου
πλάσματος >5000 oC)
• Ο κεραυνός είναι παραδείγματα
δημιουργίας πλάσματος στη φύση
2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010
Είναι η τεχνολογία πλάσματος
μια καινούργια τεχνολογία;
• Οι τεχνολογίες πλάσματος -όπως και όλες οι άλλες τεχνολογίες που
μελετώνται για τη διαχείριση αποβλήτων (βιολογική επεξεργασία,
πυρόλυση, αεριοποίηση, καύση)- δεν είναι καινούργια
• Οι τεχνολογίες πλάσματος εφαρμόζονται εδώ και πολλά χρόνια με
επιτυχώς στη μεταλλουργική, χημική και διαστημική βιομηχανία
• Η τεχνολογία πλάσματος ως πηγή θερμότητας σε μεταλλουργικούς
φούρνους είναι μια αποδεδειγμένη μέθοδος και οι τεχνολογίες που
βασίζονται στο πλάσμα είναι από τις πιο διαδεδομένες μεθόδους
εφαρμογής λεπτών επιστρώσεων σε μια μεγάλη ποικιλία επιφανειών
όπως γυαλιά, κεραμικά, στρατιωτικά υλικά, κ.α.
• Αυτό που είναι σχετικά καινούργιο είναι η εφαρμογή των
τεχνολογιών πλάσματος στη διαχείριση αποβλήτων
2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010
Γιατί μελετώνται οι τεχνολογίες πλάσματος
για τη διαχείριση αποβλήτων?
Πλεονεκτήματα «κλειδιά» των τεχνολογιών πλάσματος είναι:
• Οι πολύ υψηλές θερμοκρασίες που επιτυγχάνονται οδηγούν σε
αποτελεσματικότερη καταστροφή του αποβλήτου σε σχέση με άλλες
θερμικές μεθόδους, κάτι που οδηγεί στην αντίληψη ότι τα συστήματα αυτά
επιτυγχάνουν μεγαλύτερη προστασία για το περιβάλλον και την
ανθρώπινη υγεία (ευκολότερη αποδοχή από το κοινό)
• Η ικανότητα διαχείρισης μεγαλύτερου εύρους αποβλήτων από τις άλλες
τεχνολογίες
• Εφαρμόζονται με επιτυχία σε μικρές κλίμακες σε σχέση με άλλες
ανταγωνιστικές τεχνολογίες
• Μπορούν να εφαρμοστούν για την πυρόλυση ή αεριοποίηση του
οργανικού μέρους του αποβλήτου και όχι για πλήρη οξείδωση του (καύση)
• Δεν παράγουν στάχτη, αλλά ένα στερεό υαλώδες υλικό που το κάνει πιο
ελκυστικό για επαναχρησιμοποίηση
• Έχουν πολύ καλή ενεργειακή συμπεριφορά
2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010
Η τεχνολογία αεριοποίησης πλάσματος εμφανίζεται ως ιδανική
λύση για τη διαχείριση αποβλήτων (ιδιαίτερα των επικίνδυνων)
Επικίνδυνα και
τοξικά οργανικά
μόρια διασπώνται
λόγω των υψηλών
θερμοκρασιών σε
βασικά στοιχεία
• Μετατροπή της οργανικής
ύλης σε αέριο σύνθεσης
αποτελούμενο κυρίως από CO
και H2
• Το ανόργανο υλικό τήκεται.
Μετά την ψύξη παράγεται ένα
υαλώδες υλικό (σκωρία-slag)
2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010
Απλοποιημένο διάγραμμα ροής της τεχνολογίας
αεριοποίησης πλάσματος με παραγωγή ενέργειας
2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010
Εμπορικές εφαρμογές της τεχνολογίας (ΑΣΙΑ)
Location
Waste
Capacity (TPD)
Start Date
Mihama-Mikata, JP
MSW/WWTP Sludge
22
2002
Utashinai, JP
MSW/ASR
180
2002
Kinuura, JP
MSW Ash
50
1995
Kakogawa, JP
MSW Ash
30
2003
Shimonoseki, JP
MSW Ash
41
2002
Imizu, JP
MSW Ash
12
2002
Maizuru, JP
MSW Ash
6
2003
Iizuka, JP
Industrial
10
2004
Taipei, TW
Medical & Batteries
4
2005
2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010
Εμπορικές εφαρμογές της τεχνολογίας
(Ευρώπη και Αμερική)
Location
Waste
Capacity (TPD)
Start Date
Bordeaux, FR
MSW ash
10
1998
Morcenx, FR
Asbestos
22
2001
Bergen, NO
Tannery
15
2001
Jonquiere, Canada
Aluminum dross
50
1991
Ottawa, Canada
MSW
85
2007
Honolulu, HI
Medical
1
2001
U.S. Navy
Shipboard
7
2004
2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010
Αεριοποίηση πλάσματος: Έργα υπό κατασκευή
• St. Lucie County, FL: 3000(500) TPD MSW (Geoplasma, LLC)
• Tallahassee, FL: 1,000 TPD MSW (Green Power Systems, LLC)
• International Falls, MN: 150 TPD MSW (Coronal, LLC)
• Madison, PA: Waste-to-Ethanol Facility, 150 m3/year (Coskata.
Inc.)
• Pune & Nagpur, India: 68 TPD Hazardous WTE (SMS Infra.)
• Instanbul, Turkey: 144 TPD Hazardous WTE (Kiplasma Ind.)
2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010
Περιβαλλοντική συμπεριφορά – Αέριες εκπομπές
ΡΥΠΟΣ
ΕΚΠΟΜΠΕΣ1
ΝΟΜΟΘΕΣΙΑ
(2000/76/Ε.Ε.)
HCl
max. 3 mg/m3
9 mg/m3
NOx
max. 110 mg/m3
180 mg/m3
SOx
max. 14 mg/m3
46 mg/m3
Εκπομπές από τη μονάδα αεριοποίησης πλάσματος της Plasco στην
Ottawa του Καναδά (δυναμικότητας 85 ton/day MSW)
Συνεχείς αναφορές εκπομπών στο διάστημα από 2/2008 – 5/2010
1
2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010
Περιβαλλοντική συμπεριφορά – Διοξίνες
Total dioxins (ng TEQ/m3)
(11%O2, 101 kPa, 273 K)
Utashinai plant
(2003-2007)
0.0022 – 0.01
Mihama-Mikata plant
(2006-2007)
0.000044 – 0.0029
European Union limit
<0.1
EU=46
2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010
Περιβαλλοντική συμπεριφορά – Στερεό υπόλειμμα
Air-cooled
slag forms
rocks
Water-cooled
slag forms
sand
As
Cd
Cr
Pb
EU legislation
EU=46
limits for inert
materials
(2003/33/EC)
0.5
0.04
0.5
0.5
Experimental
results(MihamaMikata)
0.0023
<0.0005
0.0289
0.001
2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010
Δεν παράγεται στάχτη.
Η παραγόμενη σκωρία δίνει
τιμές εκχυλισιμότητας βαρέων
μετάλλων κάτω από όρια της
ΕΕ.
Στην Ιαπωνία, περίπου 75 %
της σκωρίας χρησιμοποιείται
σαν υλικό οδοποιίας.
Μοντελοποίηση της διεργασίας:
Ο προσομοιωτής Gasifeq
Ο προσομοιωτής Gasifeq (μοντέλο ισορροπίας αντιδράσεων
αεριοποίησης) αναπτύχθηκε στο Εργαστήριο θερμοδυναμικής και
Φαινομένων Μεταφοράς (Mountouris, Voutsas, Tassios. Energy
Conversion and Management 47 (2006) 1723–1737.
Το τροποποιημένο μοντέλο: Ανεξάρτητες Αντιδράσεις
Methane decomposition: CH4 + H2O ↔ CO + 3H2
Water gas shift: CO + H2O ↔ CO2 + H2
Αντίδραση χλωρίου:
1/2Cl2 + 1/2H2 ↔ HCl
Αντίδραση θείου: S + H2 ↔ Η2S
2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010
Το τροποποιημένο μοντέλο Gasifeq
Δεδομένα εισόδου:
Στοιχειακή ανάλυση του αποβλήτου: CxHyOzSkClm
Υγρασία, στάχτη του αποβλήτου
Ισοζύγιο ενέργειας
2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010
Το τροποποιημένο μοντέλο Gasifeq
Ανάλυση βαθμών ελευθερίας: F = 10 – 4 + 2 + 1 – 6 = 3
Επιλέγονται: θερμοκρασία, υγρασία, οξυγόνο
2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010
Το τροποποιημένο μοντέλο Gasifeq
Καθαρή παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας
25-30
20-25
15-20
10-15
5-10
0-5
-5-0
-10--5
-15--10
30
25
20
Καθαρή 15
ηλεκτρική 10
ενέργεια
5
(MW)
0
-5
-10
-15
0 5 10
15 20 25
30 35
υγρασία (% As Received)
2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010
0,5
0
Οξυγόνο
(kmol/kmol
Ενεργειακή απόδοση της τεχνολογίας
αεριοποίησης πλάσματος: Το μοντέλο Gasifeq
MSW
1 Ton – 2.78 MWh
(10000 MJ)
DRYER
Ξήρανση από
35% σε 11%
Gas Heat
0.73 MWh
PLASMA
GASIFIER
Product Gas
1960 Nm3
HV = 2.45 MWh
Heat engine
Electricity
0.29 MWHr
Electricity output = 0.98 MWh
Net Electricity output = 0.69 MWh
Electrical Recovery = 25%
2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010
Capital Costs: Plasma vs Incineration
400
incineration best fit
plasma
plasma
plasma
plasma
plasma best fit
Capital cost, M€
350
300
250
200
150
100
50
0
0
50
100
150
Capacity, 1000 ton/year MSW
2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010
200
250
Conclusions (1)
Thermal treatment technologies with energy recovery
•WTE facilities is a potential solution to municipal waste problems facing
populated centers:
☺ Decreases the quantity of the wastes which are driven to landfils
☺ Leads to energy recovery from the wastes
• Before waste is thermally treated waste minimization and recycling are
always the initial steps in sustainable waste management.
• WTE facilities compliments a well-developed waste diversion program by
converting the remaining waste into useable energy
«EU countries with WTE facilities are likely to have higher recycling rates
than the EU average. Far from competing with recycling, WTE is part of
an integrated approach to sustainable solid waste management that
includes recycling as a core component»
2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010
Conclusions (2)
Plasma gasification
•Is a technology that can handle with success a great variety of wastes
(MSW, industrial, medical, sewage sludge, ash etc).
•It is ideal for treating wastes in small scale units (industrial, hazardous,
medical)
•It has a very good environmental and energy performance
•It leads to minimization of the final solid residue (not ash) for lanfilling
•It has not find wide, at least for the moment, commercial application in
the treatment of MSW like mass burning
•Its cost is for the moment relatively higher than mass burning
2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010
A pilot unit for the thermal treatment of MSW with Plasma
Gasification installed in Mykonos landfill
National Technical University of
Athens, School of Chemical
Engineering
Prof. Maria Loizidou
Municipality of Mykonos
Η μονάδα πλάσματος αγοράστηκε
από την εταιρεία Pyrogenesis SA
2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010
Σας ευχαριστώ για την προσοχή σας !!!
QUESTIONS ?
2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010