بخشی از مقاله
ارزیابی ویژگی هاي فنی، اقتصادي و زیست محیطی نیروگاه هاي زباله سوز با راکتور پلاسما
چکیده
در این تحقیق، مشخصات فنی، اقتصادي و زیست محیطی نیروگاههاي زباله سوز با راکتور پلاسما مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. معضلات از بین بردن و دفع زباله هاي شهري و سایر پسماندهاي صنعتی، بیمارستانی بعضاًو خطرناك، همواره یکی از مشکلات عمده جوامع بشري، بویژه جوامع شهري، می باشد. در این مقاله ابتدا انواع روش هاي سوزاندن زباله ها مورد بررسی و مقایسه قرار می گیرند. سپس چگونگی فرآیند تولید گاز هاي سنتزي ارزشمند از زباله مورد مطالعه قرار گرفته و در ادامه انواع روش هاي این فرآیند بررسی می گردد. استفاده از فن آوري پیشرفته راکتورهاي پلاسما در تبدیل زباله به گازهاي سنتزي با هدف از بین بردن مواد زائد و بازیافت انرژي، موضوع تحقیق بسیاري از فعالیت هاي اخیر پژوهشی در زمینه بازیافت مواد و انرژي می باشد. علاوه بر موارد فوق، تولید بسیار ناچیز آلاینده هاي زیست محیطی در این راکتورها و کارایی بسیار بالاي آنها در فرآیند بازیافت مواد زائد؛ جاذبه هاي بسیاري براي بکارگیري آنها ایجاد نموده است. بررسی ویژگی هاي فنی، اقتصادي و زیست محیطی این تکنولوژي ومقایسه آنها با سایر روش هاي مورد اشاره، از دیگر قسمت هاي این تحقیق می باشد.
واژه هاي کلیدي: زباله سوز، گاز ساز، راکتور پلاسما، انرژي الکتریکی.
مقدمه:
مواد زائد جامد به کلیه مواد جامد و نیمه جامد دور ریز حاصل از فعالیتهاي انسانی گفته می شود که در منبع تولید ارزش نگهداري نداشته و دفع این مواد براي سلامت عموم ضروري است. منابع تولید زباله هاي خانگی مورد بحث در این تحقیق شامل باقیمانده هاي غذایی و زباله آشپزخانه، کاغذ، مقوا و کارتن، پلاستیک، فلزات آهنی و غیر آهنی، چوب، چرم، لاستیک و غیره می باشد.
بازتاب آلودگی و بیماریهاي منتقل شده از زباله موجب شد که علم بهداشت زباله و اصول مهندسی مـواد زائـد جامـد بـیش از پـیش مورد توجه متخصصان و سیاستمداران قرار گیرد. اگر چه طراحی زمینهاي دفن و روشهاي آن در سالهاي اخیر توسعه قابل توجهی داشـته است اما در اکثر موارد، یک راه حل موقتی براي دفع و بدون اطمینان واقعی از مسائل حفاظتی آینده می باشد. راههاي متعـدد و روشـهاي مختلفی براي حل مشکل دفع زباله ارائه شده است که هر کدام فرآیند مخصوص به خود و نیز مشکلات عملیاتی خاص خود را دارند. یکـی از این روشها کاهش شیمیایی حجم (روش زباله سوزي) می باشد.
زباله سوزياساساً شکلی از فرآیندهاي شیمیایی است که شامل اکسیداسیون سریع مواد می باشد. به بیان دیگر سوزاندن کنترل شده و صنعتی مواد زائد جامد با اهداف کاهش حجم ، احیاء انرژي و گرما را زباله سوزي نامند. نخستین نوع از این تأسیسات در شهر ناتینگهام انگلستان در سال 1874 احداث و راه اندازي شد.[1] تا سال 1912 تعداد این واحدها به 300 زباله سوز افزایش یافت. در حال حاضر در بسیاري از کشورها کاربرد زباله سوز رایج است و به عنوان یکی از روشهاي دفع انواع زائدات بشمار می رود. به عنوان مثال در ایالات متحده آمریکا نیز 28.6 درصد از زائدات جامد خانگی، 3.5 درصد مواد زائد خطرناك، 6 درصد مواد زائد صنعتی بی خطر، 12 درصد زائدات درمانی و 2 درصد خاکهاي آلوده توسط زباله سوزها سوزانده می شوند. اهداف عمده استفاده از سوزاندن زباله ها، تأمین گرما براي نیازهاي محلی است. آمار نشان می دهد که در سال 1997 سالانه در ژاپن 4.004 هزار تن زباله در این کشور تولید می شده که حدود 3.361 هزار تن آن در فرایند سوزاندن دفع شده است.[2]
-2 انواع زباله سوز:
مناسبترین زباله ها براي سوزاندن در زباله سوز ها را می توان به شرح زیر طبقه بندي کرد:
-1زائدات خطرناك براي انسان و محیط زیست-2 زائدات پایدار در محیط و زایداتی که فرار بوده و یا نقطه اشتعال کمی دارند.-3 زائداتی که امکان دفن ایمن و بهداشتی آنها وجود ندارد.-4 زائداتی که قابلیت تصفیه پذیري توسط روشهاي مرسوم موجود را ندارند. زائداتی که حاوي هالوژنهاي آلی ، فلزات سنگین، نیتروژن ، فسفرو یا سولفور می باشند در این گروه قرار دارند.
انواع زباله سوز بر اساس اینکه زباله ها بدون فرآوري سوزانده شوند یا قبل از سوزاندن مورد فرآیندهایی قرار گیرند به دو دسته کلی تقسیم می شوند.
در زباله سوزهایی که زباله هاي فرآوري نشده را می سوزانند، خوراك ورودي بدون انجام فرآیندي وارد زباله سوز می شود و خود به دو دسته توده سوز (Mass Burn) و مدولار (Modular) تقسیم می شوند. زباله سوزهایی که از زباله هاي فرآوري شده استفاده می کنند در دو نوع عمده زباله سوزهاي با بستر سیال و کوره دوار موجود می باشند.
-1-2 زباله سوز توده سوز:
این نوع زباله سوزها، زباله هاي فراوري نشده شهري را در محفظه احتراق واحد یا دوتایی با استفاده از هواي اضافی که براي اطمینان از احتراق کامل بکار می رود، می سوزانند. این طراحی این مزیت را داردکه زمان مرده براي تعمیرات به حداقل می رسد و همچنین سبب افزایش زمان عمر تجهیزات می شود. عملیات با تخلیه مواد زائد جامد از کامیونهاي جمع آوري در یک انبار ذخیره سازي شروع می شود. ظرفیت ذخیره به طور متوسط ، حجم زباله یک روز می باشد.
چون اکثر زباله هاي آلی از لحاظ حرارتی ناپایدار هستند، گازهاي متعددي هنگام فرآیند احتراق که دما در حدود 760˚c می باشد، متصاعد می شود. این گازها و ذرات ریز آلی از یک محفظه کهمعمولاً مخفظه احتراق نامیده می شود و در دماي بالاي 820 ˚c سوزانده می شوند و محصولات بدبوي حاصل از احتراق معمولا" در دماي بالاي760˚c تا820 ˚c از بین می روند. با توجه به قوانین کنترل آلودگی هوا ، باید تجهیزات پاکسازي تدارك دیده شود. براي تامین جریان خوب هوا و غلبه بر افت فشار ناشی از تجهیزات پاکسازي هوا، فن مورد استفاده قرار می گیرد. محصول نهایی سوزاندن زباله، گازهاي تمیزي است که از دودکش تخلیه می شود. خاکستر و مواد نسوخته به داخل قیف که در زیر شبکه ها هستند می افتندکه به وسیله آب سرد و خاموش می شوند. ذرات خاکستر که در داخل محفظه احتراق نشست می کنند بوسیله دستگاه مخصوص این کار دفع می شوندوباقیمانده نهایی حاصله به مناطق دفع یا واحدهاي بازیافت هدایت می شوند.[3]
به عنوان نمونه براي بازیافت حرارتی از این سیستم، بویلر (دیگ بخار) بکار می رود که از حرارت گازهاي احتراقی که محفظه احتراق را ترك می کنند براي تبدیل آب به بخار استفاده می کند. براي بالا بردن دما و فشار جهت تولید انرژي الکتریکی از یک مبدل حرارتی به نام سوپر هیتر استفاده می شود. سوپر هیترهاي تابشی که از حرارت تابشی محفظه احتراق استفاده می کنند در مقابل بویلر نصب می شوند. سپس بخارهاي تولید شده به بخش جمع آوري هدایت می شوند.
-2-2 زباله سوز مدولار
این زباله سوزها واحدهاي کوچک با ظرفیت 5 تا 100 تن در روز می باشند. آنها نوعاً داراي دو محفظه احتراق اولیه و ثانویه می باشند. زباله سوزهاي مدولار زباله ها را در یک محفظه اولیه عایق شده با مواد نسوز با هواي کمتر از مقدار استوکیومتري که اکسیژن کافی براي احتراق کامل ندارد، می سوزانند. گازهاي احتراق در ابتدا مخلوطی از منوکسید کربن و آب هستند که وارد محفظه احتراق دوم می شوند و در آن هواي اضافی و سوخت براي احتراق کامل موجود است. انرژي گازهاي احتراق با عبور از لوله هایی می تواند براي تولید برق مورد استفاده قرار گیرد.
-3-2 زباله سوز با بستر سیال
زباله سوزهاي بستر سیال، زباله را در یک بستر آشفته شامل مواد بی اثر داغ نظیر شن و ماسه که بوسیله جریان سریع و رو به بالاي هواي اولیه احتراق به صورت سوسپانسیون در آمده اند، خشک می کند. احتراق مؤثر احتیاج به سوخت همگن دارد که آنها را می توان به صورت مستقیم وارد این زباله سوز نمود ولی زباله هاي خانگی باید ابتدا فراوري شده و سپس به این زباله سوز وارد شوند.
در طراحی استاندارد راکتور بستر سیال که بعضی اوقات بستر سیال حباب دار (BFB)4 نامیده می شود[4]، سرعت هوا 1.5 تا m/s 3است و بستر در محفظه باقی می ماند. در طراحی دیگر راکتور بستر سیال چرخشی(CFB) 5 هوا با سرعت 5 تا 10 m/sبکار می رود ، در حالیکه مواد بستر و مواد با احتراق ناقص (نیم سوخته ) به داخل محفظه بر می گردند. این مواد از جریان گازهاي دودکش جدا شده و مجددا" به کوره بر می گردند. هواي احتراق ثانویه به بالاي محفظه دمیده می شود.این زباله سوزها این قابلیت را دارند که محدوده وسیعی از سوختها شامل زباله هاي جامد خانگی و لجن فاضلاب را بسوزانند. از مهمترین مزیت هاي زباله سوزهاي بستر سیال راندمان احتراق بالاي %99 است که این راندمان براي کاهش انتشار دي اکسین در گازهاي دودکش بسیار مهم است .همچنین از مزایایی مانند مصرف کمتر سوخت و تولید کمتر گازهایی نظیر NOx و فلزات برخوردارند.
اجزاي اصلی زباله سوز با بستر سیال عبارتند از:
1) محفظه ورودي هواي احتراق
(2 صفحه توزیع هوا که باعث به حرکت در آوردن مواد در محفظه احتراق می شود و از تراکم آن جلوگیري می کند. (3 بستر سیال که از شن ، ماسه و خاکستر حاصل از سوزاندن زائدات قبلی تشکیل شده است.
(4 سطح یا صفحه تغذیه بالاي بستر سیال در این سیستم، هواي ورودي و ذرات جامد گداخته با زائدات مخلوط شده و باعث بوجود آمدن سطح انتقال حرارت گسترده اي می شود. ذرات داغ پس از شعله ور شدن با زائدات به صفحه تغذیه انتقال می یابند. در این بخش، ذرات سنگین ترمجدداً به داخل بستر شنی ریزش کرده و دوباره گداخته خواهند شد. در شرایط انباشنگی مواد موجود در بستر ، این مواد از دریچه سرریز خارج می گردند.[5]
شکل:1 دو نوع از زباله سوزهاي بستر سیال
-4-2 زباله سوز کوره دوار
کوره هاي گردان به دو گروه دماي پایین کمتر از 1000 ºc و دماي بالاتر از 1000 ºcتقسیم می شوند. در کوره هاي با دماي پایین از یک محفظه احتراق ثانویه براي انجام تخریب کامل استفاده می گردد که باعث می شود مواد تبخیر نشدنی و غیر قابل احتراق مانند فلزات، سنگ ، شن، ماسه و غیره شکل خاکستر باقی بمانند. تمایز این سیستم با دیگر سیستمهاي زباله سوز ، فرآیند اختلاط ، حرارت دهی و زمان می باشد. مشخصات کلی فرآیند را می توان به شرح زیر خلاصه نمود:
1) بخش خردکننده که با خرد کردن قطعات جامد باعث جدا شدن آنها از مایعات قابل پمپاژ می شوند.
2( سیستم تغذیه که شامل تجهیزات انتقال زائدات جامد بسته بندي شده و یا فله ، فیدرها و مارپیچها می باشد. در بخش مایعات ، پمپهاي انتقال مایعات وجود دارد.
3( بخش کوره گردان داراي دوران محفظه است که قادر می باشد در هر لحظه سطح بیشتر و جدیدتري از زائدات را در معرض هواي داغ احتراق تابشی و سطوح داغ داخلی کوره قرار دهد. در این شرایط ، احتراق مواد آلی و تبدیل آنها به مواد تجزیه شده به سهولت صورت می گیرد. زمان ماند زائدات و اختلاط آنها به سرعت دوران بستگی دارد. کوره به طور طبیعی با هواي کافی قادر به فعالیت است ، لیکن در شرایط احتراق ناقص یا احتراق با اکسیژن ناکافی نیز قادر به فعالیت می باشد.
4( بخش احتراق ثانویه به کوره گردان متصل می باشد. گاز خروجی در این بخش بین 1 تا 3 ثانیه مجددا" گداخته می شود. در شرایط حضور هواي کافی عمل احتراق صورت می گیرد.
5) خاکستر تولید شده از بخش تخلیه خاکستر به بیرون هدایت می شود.
6( بخش سردکننده، گازهاي خروجی را خنک می کند و براي ورود به سیستم تصفیه هوا آن را آماده می سازد. در این بخش انرژي خروجی به هواي تازه ورودي منتقل شده و پیش گرمایش انجام می گیرد.
7( در قسمت تصفیه هوا، گازهاي اسیدي ، ذرات معلق و دي اکسین ها ، فوران و فلزات سنگین گرفته می شود. این بخش می تواند به صورت خشک ، نیمه خشک و مرطوب فعالیت کند.
8( بخش دودکش که به سیستم نمونه گیري مداوم مجهز است و گازهاي تصفیه شده را خارج می کند. پارامترهاي گازي مانند O2 و CO2 و CO و هیدروکربن ها و عناصري مانند HCL و SOx و Nox نیز بررسی و کنترل می شوند.
-5-2 زباله سوز با کوره ثابت
این سیستمها براي سوزاندن زباله هاي بیمارستانی نیز کاربرد دارند و داراي قابلیت سوزاندن مایعات یا هر نوع زائدات جامد می باشند. در این نوع زباله سوزها از دو نوع کوره اولیه و ثانویه استفاده می شود. در زباله سوز با کوره ثابت ، نخست مواد وارد کوره شده و در دستگاههاي کوچک آن به صورت منقطع تخلیه می شوند. کف کوره در این سیستم به شکل پله اي است که مواد با هل دادن صفحات افقی آنرا به سمت پایین و به شکل حرکت رفت و برگشتی طی می کنند. هواي احتراق در زیر زائدات است. خاکستر خروجی نیز وارد حوضچه آب می شود و سپس از این بخش تخلیه می گردد. آب موجود ، ارتباط بین محیطهاي داخلی و خارجی کوره را قطع می کندو کمبود هوا در کوره اولیه باعث تولید کربن نسوخته شده و CO2 و H2 را افزایش می دهد. در کوره دوم ، احتراق مواد مذکور با 140 تا
200 درصد هواي اضافی خواهد بود ودر مواقع ضروري تزریق مقداري سوخت به داخل کوره اولیه، می تواند سبب تثبیت دما شود.[6]
جداسازي سریع تر مواد خطرناك و غیر فرار ، امکان تبخیر آب بیشتر نسبت به دیگر کوره ها ، قابلیت مصرف انواع سوخت و مواد مختلف و نیز بازدهی بالاي سوخت مصرفی از مزایاي این سیستم به شمار می رود.
-6-2 اجزاء زباله سوزها:
أ. دستگاه تغذیه
زباله هاي انتقال یافته به کارخانه زباله سوز ممکن است مستقیماً به داخل کوره و یا در نزدیکی دریچه تغذیه تخلیه شوند.در برخی موارد ، زباله در نزدیکی دریچه تغذیه تخلیه شده و مخازن متحرك ویژه اي عمل تغذیه را به عهده دارند. یکی دیگر از دستگاههاي تغذیه کوره، تجهیزات قیفی شکل است که از یک طرف زباله را دریافت و از طرف دیگر توسط نیروي ثقل آن را وارد کوره می نماید. در روش دیگر ابزار مکانیکی حمل زباله مورد استفاده قرار می گیرد که این تجهیزات زباله را از محل ورود تا دریچه کوره حمل می کنند.
ب. کوره ها
کوره هاي زباله سوزعمدتاً بر دو نوع تقسیم می شوند،کوره هاي با دیواره هاي نسوز ( جامد نسوز) و کوره هاي با دیواره آبی عمده ترین کوره ها در زباله سوزها بشمار می آیند. در کوره هاي جامد نسوز به هوا یا رطوبت اضافی نیازي نیست زیرا از تعدادي دیگ بخار که حرارت مورد نیاز انها از طریق سوختن زباله تأمین می شود استفاده می گردد. دیگهاي بخار موجب می شوند تا حرارت گازهاي ناشی از عملیات احتراق خارج شوند، معمولأ دماي گازهاي خرجی باید قبل از تخلیه به هواي محیط سرد شوند. بنابراین دماي گازهاي خروجی به نسبت نصف تا یک سوم کاهش می یابند. در کوره هاي با دیواره آبی ، دیواره داخلی محفظه احتراق شامل لوله هاي عمودي و متصل به یکدیگر است که به علت بازیابی بخار و کنترل دماي کوره به هواي اضافی نیازي نداشته و از نظر فناوري نسبت به کوره هاي جامدسوز از برتري بیشتري برخوردار می باشند. رطوبت می تواند به عنوان یک عامل مشکل ساز در کوره هاي دیواره آبی مطرح شود چون ممکن است با گازهاي حاصل از احتراق پلاستیکها و دیگر مواد موجود در زباله ترکیب شود و یک اسید قوي ایجاد نموده و سبب خوردگی و خسارت لوله هاي دیواره کوره شود.
ج. دودکش
دودکش کارخانه زباله سوز عامل انتقال گازهاي تولید شده به خارج و هدایت هوا به داخل است. استفاده از دستگاه تهویه سبب کوتاه شدن ارتفاع لوله هاي دودکش می شود و ارتفاع دودکش باید به نحوي باشد که باعث ترقیق گازها در هوا شده و از ایجاد آلودگی هوا در نتیجه پراکندگی ذرات خاکستر جلوگیري نماید. ارتفاع آن باید در حدي باشد که در شرایط انسداد ناشی از دوده چسبیده به سطح داخلی، امکان پاکسازي آن به سادگی میسر شود. نصب چراغ راهنما به منظور هدایت هواپیما و نیز وسایل جلوگیري از برق گرفتگی و یک نردبان جهت صعود افراد به بالاي دودکش نیز در این تأسیسات ضروري است. بدنه دودکشاصولاً از آجر یا بتن مسلح است و سطح داخلی آن از مواد نسوز تشکیل می شود.. فشار داخل کوره هرگز نباید بیش از فشار هواي محیط باشدزیرا فشار مثبت موجب خروج گازهاي داغ از بدنه مذکور شده که خود منجر به افزایش بیش از حد دما و خوردگی بدنه فولادي کوره می گردد
د. شعله
شعله به گاز درخشانی اطلاق می شود که از آزاد شدن انرژي شیمیایی احتراق حاصل می گردد. جبهه شعله((Flame Front سطح بین ناحیه درخشان و ناحیه تیره گازهاي مشتعل نشده را گویند که در تمام واکنشهاي احتراق در فاز گازي وجود دارد.
جدول :1 عملکرد انواع مختلف کوره ها در کارخانجات زباله سوز شهري[4]
ارزش حرارتی زباله
یک مساله اساسی در انتخاب و طراحی زباله سوزها، ارزش حرارتی موادي است که سوزانده می شوند0 ارزش سوختی با عناوین ارزش حرارتی بالا((HHV و ارزش حرارتی پایین((LHV نامیده می شود. ارزش حرارتی بالا، میزان انرژي که از سوختن واحد جرم بدست می آید، اگر در انتهاي احتراق آب بصورت مایع در محفظه احتراق باقی بماند، می باشد و ارزش حرارتی پایین میزان انرژي که از سوختن واحد جرم بدست می آید، اگر در انتهاي احتراق آب بصورت بخار از محفظه احتراق خارج شود، نامیده می شود. ارزش حرارتی مواد متشکله زباله به آداب و رسوم و فرهنگ تولید کنندگان زباله بستگی مستقیم دارد0 پارامترهاي دیگري
