Afvalverwerking - systeem

(1)

Systeemdenken: huishoudelijk afval

• Massabalansen

(2)

Afvalverwerking - systeem

• Hoe ziet het systeem voor

eindverwijdering van huishoudelijk afval er uit in Nederland?

• Welk produkt/dienst, welke bewerkingen, welke kosten, milieubelasting?

(3)

Afvalverwerking - systeem

• Hoe ziet het systeem voor

huishoudelijk afvalverwerking er uit in Nederland?

• Welk produkt, welke bewerkingen, kosten, milieubelasting?

• Schatting van bovenstaande?

(4)

Afvalverwerking - systeem

• Systeemdiagram?

(5)

Afvalverwerking - systeem

Inzameling

Transport

Verwerking

AFVAL

Restprodukt

http://www.arnbv.nl/Activiteiten/Re ststoffen/tabid/76/Default.aspx

(6)

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)

• verbranding met energieterugwinning

• composteren (van GFT)

• grondstofterugwinning

• hergebruik en recycling

Inzameling

Transport

Verwerking

AFVAL

Restprodukt

(7)

De verwerking van huishoudelijk afval in Nederland - massabalans

bron: Nederland Afval in Cijfers,

Uitvoering Afvalbeheer, SenterNovem, 2007

(8)

Huishoudelijk Afval in Nederland, 1992-2012

1 [Mton] = 1 miljoen [Ton]

Afvalverwerking in Nederland. Gegevens 2012. Agentschap.nl, Oktober 2013

(9)

Huishoudelijk Afval in Nederland, 1992-2012

1 [Mton] = 1 miljoen [Ton]

Afvalverwerking in Nederland. Gegevens 2012. Agentschap.nl, Oktober 2013

(10)

Ontwikkeling huishoudelijk afval

(prognose van vóór de crisis)

bron: Nederland Afval in Cijfers, Uitvoering Afvalbeheer, SenterNovem, 2007

(11)

Capaciteit (vergund)

Afvalverwerking in Nederland. Gegevens 2011. Agentschap.nl, Augustus 2012

(12)

Afvalverbranding

• Systeem:

• Functie?

• Systeemgrens?

• Inputs & Outputs?

• Systeemelementen?

(13)

De verbranding van huisvuil

(14)

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)?

(15)

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?

(16)

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

(17)

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

(18)

Systeemdiagram

Verbranding 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)

A f v o e r

(19)

Systeemdiagram

Verbranding met energieterugwinning

A f v o e r

(20)

Verbranding met

energieterugwinning

• Systeem-informatie:

• er is een gesloten stoomkringloop voor

energieterugwinning (vergelijk met centrale verwarming (CV) thuis)

• de schoorsteen is 80m hoog

• voor de verbranding van huisvuil wordt lucht gebruikt

chloor, SO2

dioxines, kwik)

metalen tbv recycling) Roosteroven (verbranding)

Stoomketel (energiewinning)

A f v o e r

(21)

AZN Moerdijk - verwerking systeeminformatie

• AZN Moerdijk verwerkt 700.000 ton afval per jaar

• Rookgas (CO₂)

• 15.000 ton vliegas

• 3.000 ton gips

• 2.600.000 ton stoom

(22)

Stap 1 - keuze systeemgrens &

control volume

Control Volume t.b.v. vragen

Rookgasreiniging (NO_x, vliegas, zware metalen,

Stoomketel (energiewinning)

A f v o e r

(23)

Energieterugwinning: water-stoom in gesloten kringloop

Control Volume t.b.v. vragen

A f v o e r Warmte-

wisselaar (energie- afnemer)

Kring- proces

(24)

Stap 2: boekhouden

inventarisatie inputs en outputs

Control Volume Aanvoer/Loshal

(bunkering) 700.000 ton

Stoomketel (energie-

winning) Warmte-

Verbrandings- Lucht

??ton

bodemas 180.000 ton metalen

12.000 ton

vliegas 15.000 ton

gips etc.

3.000 ton rookgas

??? ton Netto circulatie

2.600.000 ton

(25)

De grootschalige verbranding van

huisvuil - schoon, milieuvriendelijk?

• AZN Moerdijk verwerkt 700.000 ton afval per jaar

• 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, NO_x, roet etc.)?

(3) Hoeveel aardgas wordt er bespaard?

• 15.000 ton vliegas

• 3.000 ton gips

• 2.600.000 ton stoom

(26)

Oplossing: boekhouden

Uw kennis van het systeem EN balansen…

• …stelt u in staat te “boekhouden” met de relevante Behouds wet

som(ingaande stromen) som(uitgaande stromen) - netto accumulatie

• .. dit geldt voor: elektronen, atomen, moleculen*, massa, energie, kippen, mineralen, etc.

*bij afwezigheid chemische reactie

Bron: http://www.utrecht-boekhouder.nl/

(27)

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

• De Wet van Behoud van Energie staat ook bekend als

de Eerste Hoofdwet van de Thermodynamica

(28)

Oplossings-procedure

(zie ook dictaat TB142Ea)

(1)

Kies de systeemgrens & control volume;

• gebruik daarvoor kennis van het systeem (2) Kies de te gebruiken grootheid / grootheden (3) Ga boekhouden met Behouds wet

som(ingaande stromen) som(uitgaande stromen) - netto accumulatie

• dus inventariseer álle 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”

(29)

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!

(30)

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

(31)

Berekenen resultaat met balans:

• (3) Massabalans:

• stel netto accumulatie of voorraadvorming = 0

• dan geldt:

som(inputs) - som(outputs) = 0

• (4) Resultaat

• 700.000 + X - 210.000 - Y = 0

• hoeveelheid rookgas = Y

• Y = 490.000 + X

(32)

Berekenen schatting van hoeveelheid verbrandingslucht

• benodigde informatie:

• verbrandings-reactie(s)

• samenstelling huisvuil

• samenstelling lucht

• massa / mol balansen

Bron:

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Incinerateur_de_dechets.JPG

(33)

Systeemanalyse uitvoeren:

(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”

(34)

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”?

• Aanknopingspunten om te bepalen wat de kosten van

de verwerking van een ton huisvuil is?

(35)

Stap 2: boekhouden

inventarisatie inputs en outputs

Control Volume tbv vraag (1) Aanvoer/Loshal

(bunkering) 700.000 ton

metalen tbv recycling) Roosteroven (verbranding) Stoomketel

(energiewinning) Warmte-

Verbrandings- Lucht

??ton

bodemas 180.000 ton metalen

12.000 ton

vliegas 15.000 ton

gips etc.

3.000 ton rookgas

??? ton Netto circulatie

2.600.000 ton

(36)

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!

(37)

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

(38)

Bereken gevraagde resultaten m.b.v.

systeemanalyse en balansen

• Hoeveelheid rookgas: systeemanalyse + massabalans

• Hoeveelheid CO

₂

: 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

(39)

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

• X = hoeveelheid verbrandingslucht

• Gevraagd (1):

• Y = hoeveelheid rookgas

• Gevraagd (2) :

• CO2 in rookgas

(40)

Procedure voor berekenen Schatting verbrandingslucht Y

• Stap 1:

• maak geschikte aanname:

• bijvoorbeeld het brandbaar deel van huisvuil = gelijk aan

steenkool

• Bereken hoeveelheid benodigde zuurstof

• 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

(41)

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 bereken hoeveel zuurstof nodig is voor 1 ton afval.

• Stap 3

• Bereken in hoeveel ton lucht die zuurstof zit

• Stap 4

• Bereken de hoeveelheid CO₂ die vrijkomt bij de verbranding van 1 ton afval

• Stap 5

• Bereken de hoeveelheid rookgas

(42)

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?