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 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 AFVAL 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
Afvalverwerking in Nederland. Gegevens 2011. Agentschap.nl, Augustus 2012 Capaciteit (vergund)
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) Rookgasreiniging (NO x, vliegas, zware metalen, chloor, SO 2 dioxines, kwik) Slakopwerking (verwijdering metalen tbv recycling) 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) Rookgasreiniging (NO x, vliegas, zware metalen, chloor, SO 2 dioxines, kwik) Slakopwerking (verwijdering metalen tbv recycling) 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 (CO 2 )
Stap 1 - keuze systeemgrens & control volume Stoomketel (energiewinning) Aanvoer/Loshal (bunkering) Roosteroven (verbranding) Rookgasreiniging (NO x, vliegas, zware metalen, chloor, SO 2 dioxines, kwik) Slakopwerking (verwijdering metalen tbv recycling) Opslag (open lucht) A f v o e r Control Volume t.b.v. vragen
Energieterugwinning: water-stoom in gesloten kringloop Warmtewisselaar (energieafnemer) Kringproces Stoomketel (energiewinning) Aanvoer/Loshal (bunkering) Roosteroven (verbranding) Rookgasreiniging (NO x, vliegas, zware metalen, chloor, SO 2 dioxines, kwik) Slakopwerking (verwijdering metalen tbv recycling) Opslag (open lucht) A f v o e r Control Volume t.b.v. vragen
Stap 2: boekhouden inventarisatie inputs en outputs Stoomketel (energiewinning) Warmtewisselaar (energieafnemer) Netto circulatie 2.600.000 ton rookgas??? ton Aanvoer/Loshal (bunkering) 700.000 ton Roosteroven (verbranding) Rookgasreiniging (NO x, vliegas, zware metalen, chloor, SO 2 dioxines, kwik) Verbrandings- Lucht??ton Slakopwerking (verwijdering metalen tbv recycling) vliegas 15.000 ton 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 (CO 2 ) (1) Wat is de hoeveelheid rookgas die door de schoorsteen wordt uitgestoten? (2) Wat is de samenstelling van het rookgas (hoeveelheid CO 2, dioxines, NO x, 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: (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
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 Stoomketel (energiewinning) Warmtewisselaar (energieafnemer) Netto circulatie 2.600.000 ton rookgas??? ton Aanvoer/Loshal (bunkering) 700.000 ton Roosteroven (verbranding) Rookgasreiniging (NO x, vliegas, zware metalen, chloor, SO 2 dioxines, kwik) Verbrandings- Lucht??ton Slakopwerking (verwijdering metalen tbv recycling) Control Volume tbv vraag (1) vliegas 15.000 ton gips etc. 3.000 ton metalen 12.000 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 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
Berekenen resultaat met balans: (3) Massabalans: (4) Resultaat stel netto accumulatie of 700.000 + X - 210.000 - Y = 0 voorraadvorming = 0 hoeveelheid rookgas = Y = som(inputs) - som(outputs) 490.000 + X = 0 X = hoeveelheid verbrandingslucht Gevraagd (1): Y = hoeveelheid rookgas Gevraagd (2) : CO 2 in rookgas
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: N 2 /O 2 = 4 molgewichten O=16 C=12 H= 1 N=14
Berekenen schatting van hoeveelheid verbrandingslucht Stap 2: Stel de verbrandings reactie is: (CH) n + O 2 --> CO 2 + H 2 O 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 CO 2 die vrijkomt bij de verbranding van 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?