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
AFVAL
Inzameling
Transport
Verwerking
Restprodukt
De verwerking van afval •
Systeemkeuze en afbakening, voor analyse en ontwerp • •
AFVAL
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
Restprodukt
Huishoudelijk Afval in Nederland, 1992-2007
Afvalverwerking in Nederland. Gegevens 2011. Agentschap.nl, Augustus 2012
1 [Mton] = 1 miljoen [Ton]
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), Afvalverwerking Zuid-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 dit overzicht (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 schoon en milieuvriendelijk?? (2) Wat zouden de kosten zijn voor verbranding van huisvuil? (3) Hoe krijgen we een antwoord op deze twee vragen?
1. systeemdiagram opstellen 2. inputs & outputs uitrekenen 3. 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 uitrekenen 3. kosten en opbrengsten in beeld brengen
Systeemdiagram Verbranding met energieterugwinning Stoomketel (energiewinning)
Aanvoer/Loshal (bunkering)
Roosteroven (verbranding)
Slakopwerking (verwijdering metalen tbv recycling)
Rookgasreiniging (NOx, vliegas, zware metalen, chloor, SO2 dioxines, kwik)
Opslag (open lucht)
A f v o e r
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 Stoomketel (energiewinning)
Aanvoer/Loshal (bunkering)
Roosteroven (verbranding)
Slakopwerking (verwijdering metalen tbv recycling)
Rookgasreiniging (NOx, vliegas, zware metalen, chloor, SO2 dioxines, kwik)
Opslag (open lucht)
A f v o e r
De grootschalige verbranding van huisvuil - schoon, milieuvriendelijk? • AZN Moerdijk verwerkt 700.000 ton afval per jaar • Daarbij ontstaan • 15.000 ton vliegas • 180.000 ton bodemas • 3.000 ton gips • 12.000 ton metalen • 2.600.000 ton stoom • Rookgas (CO2)
Stap 1 - keuze systeemgrens & control volume Stoomketel (energiewinning)
Aanvoer/Loshal (bunkering)
Roosteroven (verbranding)
Slakopwerking (verwijdering metalen tbv recycling)
Rookgasreiniging (NOx, vliegas, zware metalen, chloor, SO2 dioxines, kwik)
Opslag (open lucht)
Control Volume t.b.v. vragen
A f v o e r
Energieterugwinning: water-stoom in gesloten kringloop Warmtewisselaar (energieafnemer)
KringStoomketel proces (energiewinning)
Aanvoer/Loshal (bunkering)
Roosteroven (verbranding)
Slakopwerking (verwijdering metalen tbv recycling)
Rookgasreiniging (NOx, vliegas, zware metalen, chloor, SO2 dioxines, kwik)
Opslag (open lucht)
Control Volume t.b.v. vragen
A f v o e r
Stap 2: boekhouden inventarisatie inputs en outputs Warmtewisselaar (energieafnemer)
Aanvoer/Loshal (bunkering) 700.000 ton
VerbrandingsLucht ??ton
Stoomketel (energiewinning)
Roosteroven (verbranding)
Netto circulatie 2.600.000 ton
rookgas ??? ton
Rookgasreiniging (NOx, vliegas, zware metalen, chloor, SO2 dioxines, kwik)
vliegas 15.000 ton Slakopwerking (verwijdering metalen tbv recycling)
gips etc. 3.000 ton Control Volume
metalen 12.000 ton
bodemas 180.000 ton
De grootschalige verbranding van huisvuil - schoon, milieuvriendelijk? • AZN Moerdijk verwerkt 700.000 ton afval per jaar • Daarbij ontstaan • 15.000 ton vliegas • 180.000 ton bodemas • 3.000 ton gips • 12.000 ton metalen • 2.600.000 ton stoom • Rookgas (CO2) (1) Wat is de hoeveelheid rookgas die door de schoorsteen wordt uitgestoten? (2) Wat is de samenstelling van het rookgas (hoeveelheid CO2, dioxines, NOx, roet etc.)? (3) Hoeveel aardgas wordt er bespaard?
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 energietransformatie behoudswetten • 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: • (4) Resultaat • (3) Massabalans: • 700.000 + X - 210.000 - Y = 0 • stel netto accumulatie of voorraadvorming = 0 • hoeveelheid rookgas = Y = 490.000 + X • som(inputs) - som(outputs) =0
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: boekhouden inventarisatie inputs en outputs Warmtewisselaar (energieafnemer)
Aanvoer/Loshal (bunkering) 700.000 ton
VerbrandingsLucht ??ton
Stoomketel (energiewinning)
Roosteroven (verbranding)
Netto circulatie 2.600.000 ton
Rookgasreiniging (NOx, vliegas, zware metalen, chloor, SO2 dioxines, kwik)
vliegas 15.000 ton
Slakopwerking (verwijdering metalen tbv recycling)
gips etc. 3.000 ton Control Volume tbv vraag (1)
metalen 12.000 ton
rookgas ??? ton
bodemas 180.000 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: •(4) Resultaat •(3) Massabalans: • 700.000 + X - 210.000 - Y = 0 • stel netto accumulatie of voorraadvorming = 0 • hoeveelheid rookgas = Y = 490.000 + X • som(inputs) - som(outputs) =0 • X = hoeveelheid verbrandingslucht • Gevraagd (1): • Y = hoeveelheid rookgas • Gevraagd (2) : • CO2 in rookgas
Procedure voor berekenen Schatting verbrandingslucht Y • Gegevens: • Stap 1: • afval: 700.000 [ton/jaar] • maak geschikte aanname: • stookwaarde = 10 [MJ/kg] • bijvoorbeeld het brandbaar deel • steenkool: 30 [MJ/kg]; van huisvuil = gelijk aan steenkool • steenkool: verhouding C/H = 0.5 • Bereken hoeveelheid benodigde • lucht: N2/O2 = 4 zuurstof • molgewichten • O=16 • C=12 • H= 1 • N=14
Berekenen schatting van hoeveelheid verbrandingslucht • Stap 2: • Stap 3 • Stel de verbrandings reactie is: • Bereken in hoeveel ton lucht die zuurstof zit (CH)n + O2 --> CO2 + H2O • deze aanname impliceert: • afval = 1 deel steenkool + 2 • Stap 4 delen inert • Bereken de hoeveelheid CO2 die • stel nu n = 0.5, en bereken vrijkomt bij de verbranding van 1 hoeveel zuurstof nodig is ton afval voor 1 ton afval. • Stap 5 • Bereken de hoeveelheid rookgas
Hoeveel aardgas wordt uitgespaard? • Gegevens: • De AVI produceert elektriciteit • Met een rendement van 22% • Eveneens stoom • Rendement 38%
• Hoe bereken je de met afvalverbranding uitgespaarde hoeveelheid aardgas • Welke gegevens heb je nodig om de hoeveelheid bespaard aardgas te berekenen?
