زباله سوزها و محاسبات پایه مربوط به بازیافت انرژی از زباله      

 

مقدمه

یکی از روش­های از بین بردن زباله­ها سوزاندن آنها است که در واقع همان اشتعال مواد آلی (دارای کربن) و یا مواد خالص می­باشد ]7[.

زباله سوزها و سیستم­های متنوع دیگر دما بالا که جهت منهدم کردن زباله­ها طراحی شده­اند، به عنوان سیستم­های گرما درمانی یاد می­شوند. سوزاندن مواد زایدی مانند زباله­ها، آنها را به خاکستر جمع شده در کف زباله سوز، گازهای خروجی از دودکش، ذرات بسیار ریز و از همه مهمتر حرارت تبدیل می­کند که این حرارت می­تواند برای تولید توان الکتریکی به کار گرفته شود. آلودگی گازهای خروجی از دودکش قبل از تخلیه شدن به اتمسفر گرفته می­شود.

منهدم نمودن زباله­ها همراه با بازیافت انرژی حاصل از آن، یکی از انواع تکنولوژی­های تبدیل زباله به انرژی[1] می­باشد. از جمله این تکنولوژی­ها می­توان از گاز سازی[2]، تجزیه شیمیایی مواد بر اثر گرما و تجزیه بی هوازی نام برد.

منهدم کردن زباله می­تواند بدون بازیافت انرژی و مواد حاصله نیز مورد استفاده قرار بگیرد. در بسیاری از کشورها نگرانی­های جوامع تخصصی و محلی درباره آثار محیطی زباله سوزها همچنان وجود دارد. زباله سوزها حجم زباله­های اولیه را، بسته به ترکیب مواد و میزان بازیافت مواد، مانند بازیافت فلزات از خاکستر جهت استفاده مجدد، بین % 96-95 کاهش می­دهند ]8[. این بدان معنا است که با وجود اینکه سوزاندن زباله­ها کاملاً جایگزین دفن آنها نشده است، حجم لازم برای دور انداختن زباله­ها را به طور قابل ملاحظه­ای کاهش داده است.

فرآیند سوزاندن زباله­ها دارای فواید فوق العاده مسلمی برای رسیدگی به انواع خاصی از زباله­ها در مکان­های مناسب می­باشد. از جمله می­توان به زباله­های درمانگاهی و زباله­های خطرناک بخصوصی اشاره نمود که عوامل بیماری­زا و سمی آنها را می­توان در دماهای بالا از بین برد. مثال­هایی از این قبیل عبارتند از: مجتمع­های شیمیایی چند محصولی با جریان­های فاضلابی گوناگون سمی یا خیلی سمی که نمی­توان آنها را به مجتمع­های تصفیه فاضلاب­ معمولی هدایت نمود. سوزاندن زباله­ها خصوصاً در کشورهایی نظیر ژاپن که زمین یک منبع کمیاب است، رایج است. دانمارک و سوئد پیشگام استفاده از انرژی تولید شده از زباله سوزها هستند. این کار در تاسیسات متمرکز تولید حرارت و توان انجام گرفته و طرح­های حرارتی ناحیه­ای را نیز تامین می­کند. لازم به ذکر است که قدمت این کار در آنها بیش از صد سال می­باشد ]9[.

در دانمارک و در سال 2005، %4.8 از مصرف انرژی الکتریسیته و %13.7 از کل مصرف گرمای خانگی از طریق زباله سوزها تامین شده است]10[.

تعداد دیگری از کشورهای اروپایی جهت رسیدگی کردن به زباله­های شهری، به شدت متکی به استفاده از زباله سوز­ها هستند. از جمله آنها می­توان از لوکزامبورگ، هلند، آلمان و فرانسه نام برد]8[.

 

3-1)  انواع زباله سوزها

یک زباله سوز کوره­ای است برای سوزاندن زباله. زباله سوزهای پیشرفته دارای دستگاه کاهش دهنده آلودگی می­باشند که از جمله آنها تمیز کننده گازهای خروجی از دودکش است. انواع مختلفی از طراحی مجتمع­های زباله سوز وجود دارد که عبارتند از: آتشدان متحرک، آتشدان ثابت، آتشدان دوار و بستر روان.

 

3-1-1) زباله سوز با آتشدان متحرک

یک نوع زباله سوز که برای زباله­های شهری استفاده می­شود، زباله سوز با آتشدان متحرک است. در این زباله سوز امکان حرکت زباله­ها درون محفظه احتراق وجود دارد و این کار باعث کارایی بیشتر و احتراق کامل­تر زباله­ها می­شود. دیگ یک زباله سوز با آتشدان متحرک به تنهایی قادر است تا 35 تن زباله را در خود جای دهد و همچنین می­تواند تا 8000 ساعت در سال کار کند و در این مدت تنها یک بازه زمانی 1 ماهه جهت تعمیرات و نگهداری آن در نظر گرفته می­شود]11[.

زباله سوزهای با آتشدان متحرک را گاهی زباله سوزهای زباله­های جامد شهری[3] نیز می­نامند.

 

3-1-2) زباله سوز با آتشدان ثابت

نوع قدیمی­تر و ساده­تر زباله­ سوز محفظه­ای محدود به دیواره­های آجری به همراه یک آتشدان فلزی ثابت است که بر روی یک مخزن جمع­آوری خاکستر قرار گرفته و دارای یک ورودی زباله در بالا یا کنار آتشدان می­باشد و همچنین دارای یک ورودی دیگر در کنار آتشدان است که جامدات سوخته نشده که سرباره نیز نامیده می­شوند، از آنجا تخلیه می­شوند. بسیاری از زباله سوزهای کوچک که پیشتر در مجتمع­های آپارتمانی یافت می­شدند، اکنون توسط فشرده سازهای زباله جایگزین شده­اند.

 

3-1-3) زباله سوز با آتشدان دوار

زباله سوز با آتشدان دوار ]12[، اغلب توسط شهرداری­ها و مجتمع­های بزرگ صنعتی استفاده می­شود. این نوع از زباله سوزها دارای دو نوع محفظه می­باشند. محفظه اولیه از یک تیوب استوانه­ای نسوز تشکیل شده است. جابجایی استوانه بر روی محورش حرکت زباله را تسهیل می­کند. در محفظه اولیه، بخشی از جامد به گاز تبدیل می­شود. وجود محفظه ثانویه به منظور تکمیل فرآیندهای احتراقی فاز گازی، ضرورری می­باشد. تکه­های سرباره سوخته نشده نیز از انتهای استوانه خارج می­شوند. خاکستر حاصل از فرآیند احتراق به درون آتشدان می­ریزد، اما با این وجود ذرات بسیاری به همراه گازهای داغ وارد محیط می­شوند. به همین دلیل این ذرات به همراه گازهای حاصل دوباره در مکانی دیگر سوزانده می­شوند.

 

3-1-4) زباله سوز با بستر روان

در این نوع از زباله سوزها یک جریان هوای قوی از یک بستر شنی می­وزد. هوا از میان شن­ها نفوذ می­کند تا به نقطه­ای برسیم که ذرات شن از هم جدا شده و به هوا اجازه عبور دهند و اختلاط انجام پذیرد. بنابراین یک بستر روان ایجاد شده و اکنون می­توان سوخت و زباله را وارد زباله سوز نمود.

سپس شن به همراه زباله یا سوخت به صورت معلق بر روی جریان هوای پمپاژی قرار گرفته و نقش سیال به خود می­گیرد. بدین صورت بستر به صورت شدیدی درهم آمیخته و در حرکت است و ذرات کوچک ساکن و هوا را به شکل یک سیال نگه می­دارد. این کار باعث می­شود که تمامی جرم زباله، سوخت و شن کاملاً درون کوره در حرکت باشند.

 

3-2)  گرمای احتراق

گرمای احتراق  انرژی آزاد شده به شکل حرارت است که از احتراق کامل یک مول از یک مخلوط با اکسیژن به دست می­آید. واکنش­های شیمیایی انجام گرفته عمدتاً واکنش هیدروکربن­ها با اکسیژن است که منجر به تولید دی­اکسید کربن، آب و گرما می­شود. گرمای حاصله را می­توان توسط روش­های زیر توصیف نمود:

  • هر مول سوخت / واحد انرژی (ژول) یا
  • واحد جرم سوخت / واحد انرژی (ژول) یا
  • واحد حجم سوخت / واحد انرژی (ژول) یا

گرمای حاصل از احتراق به صورت رایج معمولاً توسط بمب کالریمتر اندازه­گیری می­شود. همچنین می­توان این گرما را به صورت اختلاف بین گرمای شکل­گیری  محصولات و واکنش­گرها در نظر گرفت.

 

3-3)  ارزش حرارتی

ارزش حرارتی یا ارزش کالریکی یک ماده، معمولاً سوخت یا غذا، مقدار حرارتی است که حین احتراق مقدار مشخصی از ماده آزاد می­شود. ارزش کالریکی یکی از مشخصات هر ماده است که معمولاً به صورت واحد انرژی بر واحد ماده (معمولاً جرم) اندازه­گیری می­شود، به عنوان مثال: ، ،   و . ارزش حرارتی معمولاً توسط بمب کالریمتر معین می­شود. گرمای احتراق سوخت­ها معمولاً به صورت­های HHV، LHV، و یا GHV بیان می­شوند.

  • کمیتی که به عنوان ارزش حرارتی بالاتر[4] شناخته می­شود، به نحوی تعیین می­شود که بتوان تمامی محصولات احتراق را به دمای حالت اصلی قبل از احتراق رساند و همچنین بتوان همه بخار تولید شده را تقطیر نمود. این مقدار در واقع همان گرمای احتراق ترمودینامیکی است زیرا اختلاف آنتالپی واکنش با فرض یکسان بودن دمای محصولات احتراق و مواد اولیه محاسبه می­شود و همچنین فرض می­شود که تمامی آب تولید شده در واکنش مایع است.
  • کمیتی که به عنوان ارزش حرارتی پایین­تر[5] شناخته می­شود، از تفریق گرمای تبخیر آب از ارزش حرارتی بالاتر بدست می­آید. در واقع در اینجا فرض می­شود که همه آب تولیدی به صورت بخار است. بنابراین انرژی مورد نیاز برای تبخیر آب در اینجا حساب نمی­شود.
  • ارزش حرارتی کلی[6]: (AR را ملاحظه نمائید)، در این حالت فرض بر این است که آب در در محصولات احتراق به شکل بخار است اما قبل از احتراق مقداری آب را در سوخت در نظر می­گیرد. این مقدار برای سوخت­هایی نظیر چوب و زغال سنگ اهمیت دارد زیرا این سوخت­ها معمولاً قبل از احتراق دارای مقادیری آب می­باشند

یک روش رایج برای مرتبط نمودن HHV به LHV رابطه زیر است:

(3-1)

در رابطه فوق  گرمای تبخیر آب است،  تعداد مول آب تبخیر شده است و  تعداد مول سوخت محترق شده است ]7[.

در بسیاری از فرآیندهای احتراق بخار آب تولید شده مورد استفاده قرار نمی­گیرد و لذا گرمای تبخیر آن تلف می­شود. در چنین کاربردهایی، ارزش حرارتی پایین­تر به کار می­رود. خصوصاً این موضوع بیشتر در مورد گاز طبیعی صادق است زیرا محتوی بسیار زیاد هیدروژن گاز طبیعی منجر به تولید آب بیشتری می­شود. ارزش حرارتی بالاتر بیشتر به گاز سوخته شده در بویلرهای تقطیری و نیروگاه­هایی مربوط است که در آنها بخار آب تولید شده در فرآیند احتراق، تقطیر می­شود و لذا گرمای آن بازیابی می­شود.

هر دوی HHV و LHV را می­توان بر حسب AR (همه رطوبت جمع­آوری شده)، MF و MAF (تنها آب ناشی از احتراق هیدروژن)، توصیف نمود. AR، MF و MAF اغلب برای تعیین ارزش حرارتی زغال سنگ به کار می­روند:

  • AR:[7] نشانگر این است که ارزش حرارتی سوخت با احتساب تمامی رطوبت و خاکستر تشکیل دهنده مواد سوختی محاسبه شده است
  • MF:[8] نشانگر این است که ارزش حرارتی سوخت پس از خشک نمودن سوخت و البته با احتساب خاکستر همراه آن محاسبه شده است
  • MAF:[9] نشانگر این است که ارزش حرارتی سوخت در غیاب رطوبت و خاکستر همراه سوخت محاسبه شده است

 

 

 

 

 

3-4)  محاسبات پایه مربوط به بازیافت انرژی از زباله

حدود ارزش گرمایی اجزای زباله بر اساس مراجع علمی در جدول زیر ذکر شده است:

 

جدول (3-1): حدود ارزش گرمایی و رطوبت اجزای زباله در حالت طبیعی و مرطوب ]13[ و ]14[

جزء حدود ارزش گرمایی حدود رطوبت (%) ارزش گرمایی منتخب درصد رطوبت منتخب
کاغذ 18600- 11600 23- 4 16000 15
مقوا 17500- 13900 17- 5 15800 12
پلاستیک نرم 34800- 27900 26- 2 30600 12
پلاستیک سخت 38500- 32000 26- 2 36600 12
لاستیک 27900- 20900 10- 2 23200 5
منسوجات 18600- 15100 28- 10 16100 19
بقایای غذایی 7000- 3500 80- 38 6000 70
چوب 17200- 5000 50- 12 15300 20
زائدات باغبانی 18600- 2300 60- 40 6800 50

 

میانگین درصد عناصر موجود در اجزای زباله در جدول زیر موجود بوده و به عنوان پیش فرض در برنامه استفاده می­شود.

 

 

 

 

جدول (3-2): رطوبت و عناصر شیمیایی اجزای موجود در زباله ]13[

درصد وزنی بر اساس وزن مرطوب
جزء رطوبت کربن هیدروژن اکسیژن نیتروژن گوگرد خاکستر
کاغذ 15 37 4.9 37.6 0.11 0.2 5.19
مقوا 12 38.7 5.2 39.2 0.26 0.18 4.46
پلاستیک نرم 12 64.4 10.5 6.4 0.35 0.05 6.3
پلاستیک سخت 12 72 11.7 1.12 0.1 0.1 2.98
لاستیک 5 66.2 8.3 1.9 1.5 17.1
منسوجات 19 44.7 4.7 25.9 4.4 0.1 1.2
بقایای غذایی 70 14.8 2.2 9.7 0.68 0.12 2.5
چوب 20 40.2 4.8 31.9 0.69 0.1 2.31
زائدات باغبانی 50 23.9 3 19 1.7 0.15 2.25

 

برای تخمین ارزش گرمایی اجزای زباله، با کمک فرمول دیولانگ از نتایج آنالیز شیمیایی آنها استفاده می­شود ]13[:

(3-2)

ارزش گرمایی بر حسب  محاسبه می­شود.

در رابطه فوق : درصد کربن، : درصد هیدروژن، : درصد اکسیژن، : درصد نیتروژن و  درصد گوگرد است.

در محاسبات برآورد انرژی برای محاسبه ارزش گرمایی ناخالص زباله از رابطه زیر استفاده می­شود:

(3-3)

در رابطه فوق  بیانگر ارزش گرمایی ناخالص در حالت مرطوب است. در رابطه فوق داریم:

: درصد جزء  در کل زباله

: ارزش گرمایی جزء  در حالت مرطوب ()

: تعداد اجزای سوختنی موجود در زباله

همانگونه که گفته شد، ارزش گرمایی توسط کاربر وارد شده یا از مقادیر پیش­فرض استفاده می­شود.

انرژی ناخالص یا انرژی اولیع زباله عبارت است از جرم زباله دریافت شده ضرب در ارزش گرمایی ناخالص آن. اما در عمل تنها بخشی از این انرژی قابل بازیافت است. زیرا بخشی از آن صرف تبخیر رطوبت موجود در زباله می­شود، بخش دیگری از آن صرف تبخیر آبی می­شود که در اثر واکنش احتراق پدید می­آید و مقداری از انرژی گرمایی نیز در اثر تلفات کوره هدر می­رود. با کسر این انرژی­های غیر مفید از انرژی اولیه، انرژی مفید زباله که می­تواند بازیافت شود، بدست می­آید.

گرمای لازم برای تبخیر رطوبت موجود در زباله از حاصل ضرب گرمای نهان تبخیر آب در درصد وزنی جزء ، در درصد رطوبت آن جزء بدست می­آید. گرمای نهان تبخیر آب  2595 فرض می­شود ]13[.

(3-4)

برای محاسبه گرمای لازم برای تبخیر آب بوجود آمده در واکنش احتراق، باید توجه نمود که هیدروژن موجود در اجزای زباله بر اساس واکنش زیر با اکسیژن ترکیب شده و 9 برابر جرم خود آب تولید می­کند.

(3-5)

 

با توجه به گرمای نهان تبخیر آب، گرمای لازم برای تبخیر این مقدار آب از رابطه زیر بدست می­آید:

(3-6)

تلفات گرمایی مربوط به کوره توسط راندمان زباله سوز مطرح می­شود که در فصل 5 و حین آنالیز چرخه­های تولید توان مقدار آن مشخص شده است و در اینجا اثر آن را منظور نمی­کنیم.

مطابق با تعاریف، با کسر مقادیر انرژی مورد نیاز تبخیر آب از بدست می­آید. لذا چنانچه مقادیر  و  را از  کم کنیم، مقدار  () یا همان ارزش حرارتی پایین­تر حاصل می­شود که در محاسبات حرارتی به عنوان انرژی مفید ورودی در نظر گرفته می­شود. بنابراین:

(3-7)

لذا انرژی مفید زباله از رابطه زیر محاسبه خواهد شد:

(3-8)

در رابطه فوق  جرم زباله دریافتی در واحد () زمان است.

چنانچه واحد زباله سوز همراه با بویلر نیروگاهی و توربین بخار باشد، انرژی برق قابل تولید با توجه به انرژی مفید قابل برآورد است:

(3-9)

در رابطه فوق  بازدهی تولید برق در نیروگاه است.

اکنون ارزش حرارتی زباله مورد استفاده در زباله سوز چرخه تولید توان ارائه شده در فصل 5 را محاسبه می­کنیم:

 

ترکیب اجزای زباله بر حسب مواد شیمیایی تشکیل دهنده آن به صورت زیر گزارش شده است ]19[:

 

جدول (3-3): ترکیب اجزای زباله مورد استفاده در زباله سوز چرخه مورد بررسی بر حسب مواد شیمیایی مجزا

اجزای زباله درصد وزنی
رطوبت 37
کربن 27.21
هیدروژن 3.88
اکسیژن 23.45
نیتروژن 0.72
گوگرد 0.03
خاکستر 7
کلر 0.71

 

به کمک فرمول دیولانگ:

با کسر مقدار انرژی مورد نیاز جهت تبخیر رطوبت موجود از مقدار فوق ارزش حرارتی مفید زباله­ها بدست می­آید. قابل ذکر است که در فرمول دیولانگ اثر تبخیر رطوبت ایجاد شده توسط هیدروژن موجود، حین فرآیند احتراق منظور شده است. بنابراین:

در آنالیز چرخه­های توان در فصل 5، عدد فوق به عنوان ارزش حرارتی مفید موجود در زباله در نظر گرفته شده است.

 

3-5)  ارائه یک برنامه کامپیوتری جهت محاسبه ارزش حرارتی زباله

جهت نوشتن برنامه 2 حالت در نظر می­گیریم:

  • ترکیب فیزیکی اجزای زباله معلوب باشد
  • ترکیب شیمیایی اجزای زباله معلوم باشد

 

1- چنانچه ترکیب فیزیکی اجزای زباله معلوم باشد:

مهمترین اجزای فیزیکی قابل سوختن زباله شامل 9 ماده می­شود که عبارتند از: کاغذ، مقوا، پلاستیک نرم، پلاستیک سخت، لاستیک، منسوجات، بقایای غذایی، چوب و زائدات باغی (معادل انگلیسی این لغات در مقاله موجود است)

ورودی ها:

  • ارزش حرارتی هر جزء:
  • درصد جرمی رطوبت موجود در هر جزء:
  • درصد جرمی هر جزء در کل زباله:
  • درصد هیدروژن موجود هر جزء:
  • جرم زباله دریافتی در هر روز:

 

برنامه باید ورودی­های فوق را از کاربر گرفته و مقادیر زیر را محاسبه کند:

2- چنانچه ترکیب شیمیایی اجزای زباله معلوم باشد:

مهمترین اجزای شیمیایی قابل سوختن زباله شامل عناصر کربن، هیدروژن، اکسیژن، گوگرد، نیتروژن و رطوبت می­باشد.

ورودی ها:

  • درصد کل کربن موجود در زباله:
  • درصد کل هیدروژن موجود در زباله:
  • درصد کل اکسیژن موجود در زباله:
  • درصد کل گوگرد موجود در زباله:
  • درصد کل نیتروژن موجود در زباله:
  • درصد کل رطوبت موجود در زباله:
  • جرم زباله دریافتی در هر روز:

 

برنامه باید ورودی­های فوق را از کاربر گرفته و با استفاده از فرمول دیولانگ مقدار  را محاسبه کند. همچنین سایر مقادیر دیگر نیز مشابه آنچه پیشتر توضیح داده شد محاسبه می­شوند.

قابل ذکر است که مقدار زباله دریافتی به صورت پیش فرض 16000 کیلوگرم در هر روز در نظر گرفته شده است.

[1] Waste to Energy (WtE)

[2] Gasification

[3] Municipal Solid Waste Incinerators or (MSWIs)

[4] HHV

[5] LHV

[6] Gross Heating Value

[7] As Received

[8] Moisture Free

[9] Moisture and Ash free