مقاله بررسی روش های استحصال انرژی از پسماند و شناسایی گزینه مناسب برای ایران

بخشی از مقاله

بررسی روش های استحصال انرژی از پسماند و شناسایی گزینه مناسب برای ایران
چکیده:
امروزه حفظ منابع طبیعی، محیط زیست و بهینه سازی مصرف انرژی جزء اولویت های مدیریت کلان هر کشوری می باشد. از سوی دیگر بشر، به دلیل روبه اتمام بودن منابع انرژی فعلی (سوخت های فسیلی) به دنبال جایگزینی مناسب، پایدار و مقرون به صرفه برای آن است. استفاده از پسماند به عنوان یک منبع تولید انرژی می تواند راهگشا باشد و جدای تامین بخشی از انرژی مورد نیاز به کاهش مشکلات بهداشتی و زیست محیطی ناشی از تولید پسماند کمک نماید. در این مقاله تلاش شده تا وضعیت تولید انرژی از پسماند در جهان و روش های استحصال انرژی از پسماند مورد بررسی قرار گرفته و با توجه به شرایط و پتانسیل های موجود در کشور روشهای مناسب استحصال انرژی از پسماند معرفی گردد.
کلمات کلیدی:
پسماند، استحصال انرژی، زباله سوز، مرکز دفن، بیوگاز

-1 مقدمه
امروزه حفظ منابع طبیعی به یکی از مهمترین دغدغه های بشر تبدیل گردیده است. در این راستا مصرف رو به رشد انرژی یکی از چالش های مهم روبروی بشر است؛ چراکه از یک سو مصرف بی رویه انواع منابع انرژی رایج حاصل از سوختهای فسیلی این ذخیره خدا دادی را در معرض نابودی قرار داده و از سوی دیگر آلودگی ناشی از مصرف این منابع تهدیدی برای محیط زیست می باشد.
لذا بشر با نگاهی جدید به محیط اطراف خود در پی منابع جدید انرژی است، تا با بر طرف نمودن نیاز خود در حفظ محیط زیست نیز کوشا باشد. یکی از منابع جدید انرژی، تولید انرژی از پسماند می باشد، این روش تولید انرژی از دو جنبه حائز اهمیت است؛ اول، با استحصال انرژی از پسماند بخشی از انرژی مورد نیاز بشر تامین می شود و دوم مشکلات بهداشتی و زیست محیطی ناشی از مدیریت نادرست پسماند کاهش می یابد. همچنین به حفظ منابع طبیعی کمک می شود.
در حال حاضر فن آوری ها و روشهای مختلفی برای پردازش، تصفیه و دفع پسماندهای شهری مطرح میباشد. در برخی از این فن آوری ها تولید انرژی اولویت اول را دارد و برخی دیگر امحاء پسماند در اولویت می باشد. بطور کلی در حال حاضر عمدتا از تکنولوژی های زیر در سطح جهان بهره گیری می شود.[1]

از نظر فنی با توجه به شرایط محیطی تمام روشهای فوق و یا ترکیبی از برخی از آنها قابل اجرا و بهره برداری می باشند. در این مقاله سعی گردیده تا ابتدا بصورت خلاصه تکنولوژی های مطرح در این زمینه به لحاظ تولید انرژی و دفع پسماندهای شهری از نقطه نظر فنی و اقتصادی به بحث گذارده شود و در نهایت گزینه های ممکن ارائه شود.

-1-1 وضعیت فعلی و آتی تولید برق و حرارت از زباله های شهری در جهان
تولید انرژی از زباله های شهری جذاب ترین مقوله ها از نظر فنی، اقتصادی، زیست محیطی و اجتماعی در میان سایر روشهای امحای پسماندهای شهری می باشد. در حال حاضر در سطح جهان توجه خاصی به بحث تولید انرژی از زباله های شهری می شود و ظرفیت تولید برق اروپا از این منبع در طی سه سال گذشته به بیش از دو برابر افزایش یافته است. همچنین اغلب طرح های )1 CDMمکانیزم توسعه پاک تحت پروتکل کیوتو) نیز حامی پروژه های تولید انرژی از زباله های شهری است. پیش بینی می شود که سهم تولید برق و انرژی از پسماندهای شهری افزایش خواهد یافت، زیرا سیاست اغلب کشورهای پیشرفته از امحاء زباله ، تولید انرژی از زباله چرخش یافته است.
بر اساس آمار آژانس بین المللی انرژی 2(IEA) ، سهم زباله های شهری از تامین انرژی اولیه جهان %1/2 کل انرژی های تجدید پذیر
16/22)میلیون تن معادل نفت خام) می باشد که این رقم 1/5 برابر سهم باد و 4 برابر سهم مجموع انرژی های خورشیدی و دریائی در آن سال است. از همین جا اهمیت بحث زباله های شهری و جایگاه آن در تامین انرژی اولیه جهان معلوم می شود. همچنین بخش تولید انرژی از زباله های شهری از سال 1990 تاکنون رشد متوسط سالانه %7/6 را داشته و این در حالی است که رشد کل انرژی های تجدید پذیر در این دوره %1/7 و رشد مصرف انرژی اولیه %1/4 بوده است.
در حال حاضر هزاران مگا وات نیروگاه زباله (بیش از 10000 مگا وات) در سطح جهان نصب شده و آمریکا قصد دارد تا سال 2025 جمعا 12.000 مگا وات ظرفیت جدید تولید برق از زباله های شهری را افزایش دهد که 10.000 مگا وات آن از نوع زباله سوز و 2000 مگا وات آن نیز از نوع مرکز دفن خواهد بود. ژاپن نیز برنامه نصب نیروگاههای زباله خود را تا سال 2010 به میزان 4710 مگا وات اعلام نموده است. در حال حاضر بیش از 1900 زباله سوز، %77 زباله های ژاپن را می سوزانند 40) میلیون تن) و فقط %30 آنها به واحد تولید برق مجهزند. ظرفیت تولید برق ژاپن از زباله های شهری در حال حاضر بیش از 1600 مگا وات می باشد.[2]
با توجه به اینکه سهم بسیار بالائی از سموم منتشره نظیر دی اکسین از زباله سوزها ناشی می شود، استانداردهای اروپا، آمریکا و ژاپن بسیار سخت گیر می باشند و این سخت گیری بحدی رسیده که هزینه سرمایه گذاری اولیه سیستم های تصفیه و پالایش دود از کل مجموعه نیروگاه بالاتر می باشد. در اوائل سال 2006 استانداردهای اروپائی و 3EPA آمریکا تغییر یافته و سخت گیرانه تر شده و باعث شده تا تعداد زیادی از زباله سوزهای موجود قابلیت ادامه فعالیت را نداشته واز فعالیت آنها ممانعت به عمل می آید
.[ 7 ]
عمده ترین تکنولوژی زباله سوزی که در حال حاضر بیشترین استفاده را دارد، توده سوز است، و این به دلیل سادگی و هزینه پایین اجرای آن است. در این سیستم کلیه پسماندهای شهری به صورت مخلوط در کوره زباله سوز ریخته شده و سوزانده می شود. هم اکنون ظرفیت زباله سوزی توده سوز شبکه ای نصب شده با این روش چیزی حدود 59 میلیون تن در سال می باشد. این نوع زباله سوزها در تناژهای بالا تولید شده و مناسب شهرهایی با میزان تولید بالا می باشد. [1]
زباله سوزی یکی از روشهای شناخته شده و مطرح در امحاء زباله است و در اروپا و آمریکا سالانه میلیونها تن زباله با این روش امحا می شود. در اروپا بیش از 40 میلیون تن زباله در سال بیش از 11.322 میلیون کیلو وات ساعت برق تولید می کنند و در آمریکا نیز سالانه بیش از 25 میلیون تن زباله سوزانده شده و بیش از 7000 میلیون کیلو وات ساعت برق تولید می کنند. همچنین در اروپا معادل 6000 مگا وات حرارتی نیز گرما تولید میشود . در جدول 1 میزان زباله سوزی در اروپا به تفکیک کشورهای مختلف و در جدول 2 ظرفیت زباله سوزی در آمریکا ارائه شده است.[2]

بر اساس آمارهای جدید، میزان زباله سوزی در جهان از 143 میلیون تن در سال فراتر رفته که سهم مناطق و کشورها بشرح زیر بوده است

-2-1 سابقه تولید برق از مراکز دفن پسماندهای جامد
این روش از اولین روشهای امحاء زباله در جهان می باشد و بالاترین کاربرد را دارد. از سال 2004 در آمریکا فقط در مراکز دفن اجرا می شود. البته اخیرا این کشور مجددا بحث زباله سوزی و روشهای حرارتی دیگر را در دستور کار قرار داده است. ظرفیت نصب شده در جهان (عمدتا آمریکا) بیش از 2500 مگا وات است. به دلیل حمایت های دولت آمریکا از طرحهای 4LFG، این نوع طرحها با رشد قابل توجهی توام بوده است. همانطور که در نمودار نیز مشخص می باشد تعداد واحدهای استحصال گاز مرکز دفن از ابتدای 1970 تا سال 2001 از رشد چشمگیری داشته است. در سال 2005 تعداد مراکز دفن فعال در آمریکا از مرز 550 واحد فراتر رفته است. به نحوی که این کشور در زمره کشورهایی است که بیشترین میزان تولید انرژی از LFG را به خود اختصاص داده است. [2]

در طی سه سال گذشته ظرفیت نصب شده سیستم های جمع آوری و استفاده از گاز مرکز دفن در اروپا دو برابر شده است. پس از جمع آوری گاز، اولین گزینه در رابطه با استفاده از گاز جمع آوری شده، سوزاندن آن است که در نتیجه با استفاده از انرژی حاصل از این فرآیند می توان برق تولید نمود. استفاده از LFG در بین کشورهای عضو اتحادیه اروپایی که در آنها مدیریت دفع زباله قانونمند بوده و جمع آوری و کنترل آن تابع قوانین و مقررات می باشد به تجربه ای موفق و در حال گسترش تبدیل شده است، به نحوی که تعداد این نوع سیستمهای جمع آوری LFG از 298 در سال 1995 به 423 سیستم در سال 1997 افزایش یافت.
در جدول 3 ظرفیت نصب شده تجهیزات جمع آوری و استفاده از LFG برق تولیدی در کشورهای عضو اتحادیه اروپایی در سال 1996 و پیش بینی آن تا سال 2010 نشان داده شده است.

-2 بررسی و شناخت فن آوری های مختلف استحصال انرژی از پسماندهای شهری
-1-2 هاضم های بزرگ بی هوازی (بیوگاز)5
در این روش زباله پس از تفکیک ، خرد شده و با شیرابه، لجن فاضلاب و ... مخلوط شده و در مخازنی در دمای بالاتر از محیط بصورت بیهوازی (هیچ هوائی وارد سیستم نمی شود)، هضم شده و گاز تولیدی پس از پالایش به سیستم ژنراتور منتقل شده و به تولید برق می پردازد. هزینه این سیستم ها کمتر از زباله سوزی باشد.

* بیوگاز چیست؟
در فرآیند هضم بی هوازی ترکیبات آلی، مولکولهای درشت زنجیر شکسته شده و به مولکولهای ساده تر تبدیل می گردند. حاصل نهایی این فرآیند، گازی است قابل اشتعال که بیوگاز نام دارد. این گاز شامل دو جزء عمده متان و دی اکسید کربن به همراه مقادیر جزئی ناخالصی نظیر سولفید هیدروژن، بخار آب، گاز نیتروژن و ... می باشد. این مخلوط گازی دارای ارزش حرارتی 20 مگاژول به ازاء هر متر مکعب بوده و در صورت تبدیل به برق با استفاده از موتورهای موجود می توان 1/5-2 کیلو وات برق از هر متر مکعب آن استحصال کرد.

* مکانیسم تولید بیوگاز

مکانیسم تولید بیوگاز در فرآیند هضم بی هوازی نسبتا پیچیده و از عوامل شیمیایی و بیولوژیکی متنوعی تاثیر می پذیرد. این مکانیسم به طو کلی به سه مرحله تقسیم می گردد در مرحله اول با هیدرولیز مواد آلی پیچیده و نامحلول ،تبدیل به ترکیبات محلول می شود. در مرحله دوم ترکیبات آلی محلول حاصل از مرحله اول به وسیله باکتریهای اسید ساز شکسته شده و در نتیجه اسیدهای آلی تولید می شود و در مرحله سوم تمام ترکیبات آلی و اسیدهای تولید شده در مرحله اسیدسازی به استات و در نهایت توسط باکتریهای متان ساز به بیوگاز تبدیل می گردند. عمل هضم بیهوازی در محدوده دمایی نسبتا وسیع 10-60 سلسیوس صورت می گیرد. مناسب ترین دما برای تولید بیوگاز از نظر فنی و اقتصادی حدود 37 درجه سلسیوس می باشد.

سابقه نصب هاضم های بی هوازی
این سیستم برای زائدات صنایع و زباله های شهری و فضولات دامی ( و هر ماده آلی دیگر) می باشد؛ به نحوی که صدها مگا وات در اروپا و آمریکا از این سیستم ها جهت تولید برق، حرارت و گاز نصب شده است. در مورد پسماندهای شهری در سالهای اخیر توجه زیادی به آن شده است. تعداد قابل توجهی از این نوع نیروگاه به ویژه در اروپا نصب شده و نصب این سیستم ها برای تولید برق از پسماندها در حال رشد می باشد.

* اثرات زیست محیطی استفاده از هاضم های بی هوازی
بطور کلی اثرات زیست محیطی استفاده از هاضم های بی هوازی را می توان در موارد ذیل خلاصه نمود:
- جلوگیری از افزایش گازهای گلخانه ای
- حفظ جنگل ها و مراتع
- از بین بردن عوامل بیماری زا و تخم علف های هرز
* ویژگی های هاضم های بی هوازی
- دارای قابلیت امحاء پسماندهای آلی شهری و لجن های فاضلاب
- سازگار با محیط زیست
- قابلیت تولید برق و حرارت که از حرارت آن می توان در خشک کردن شیرابه و یا کاربردهای حرارتی و یا خشک کردن پسماند تر ورودی به سیستم استفاده نمود.
- فضای لازم جهت احداث در حد گاز ساز پسماند (بالا) می باشد.
- باقیمانده شامل کود آلی مفید جایگزین کودهای آلی شیمیایی
- تفکیک پسماند و خرد کردن آن ضروری و حساس می باشد.
- ترکیب این سیستم با مراکز دفن قدیمی، برقی پایدار و ثابت را ارائه می دهد.
- هزینه سرمایه گذاری اولیه و تعمیر و نگهداری آن تا حدودی کمتر از زباله سوز می باشد.
-2-2 زباله سوز6
زباله سوزی راه حل دیگری برای دفع پسماندها می باشد که از سالها قبل در کشورهای پیشرفته صنعتی دنیا مرسوم بوده است. زمانی که بحث دفع پسماندهای خطرناک و بیمارستانی مطرح می گردد، نقش زباله سوزها بیشتر نمایان می گردد.
زباله سوزها به عنوان واحدهایی تعریف می گردند که توسط حرارت، مواد زائد را اکسید و مواد کربنی را کاهش می دهند. محصولات خروجی از زباله سوزها، دی اکسید کربن، آب، خاکستر و حرارت حاصل از احتراق می باشد. علاوه بر این، آلاینده های هوا نظیر ترکیبات سولفور و گاز نیتروژن و هالوژنها و فلزات سنگین گوناگون (مانند کادمیم، جیوه و ... ) نیز از محصولات دیگر احتراق می باشند. در برخی موارد، سوزاندن پسماندها یکی از مناسب ترین شیوه های مدیریت پسماند بشمار می رود. زباله سوزها به دو دسته کلی زیر تقسیم می شوند که هر یک شامل سیستم های مختلفی هستند.

* سابقه نصب زباله سوزها
- زباله سوزها از قدیمی ترین و معتبر ترین روشهای امحاء پسماند می باشد. در حال حاضر سالانه بیش از 143 میلیون تن پسماند در سطح جهان در زباله سوزها سوزانده می شوند. از این مقدار بیش از 80 میلیون تن از نوع توده سوز، بیش از 40 میلیون تن RDF سوز می باشند. ظرفیت نیروگاههای زباله سوز بیش از 4000 مگا وات می باشد.
- اروپا ، آمریکا و ژاپن بیشترین میزان نصب را به خود اختصاص داده اند.
- آمریکا از سال 2004 نصب توده سوزها را ممنوع اعلام نموده ولی اخیرا احداث 10.000 مگا وات را برای 13 سال آینده برنامه ریزی کرده است.

- هر چند در گذشته اغلب زباله سوزها برای امحای زباله نصب می شدند ولی از سال های قبل تولید برق و حرارت از آنها بشدت رشد یافته است. بعنوان نمونه ژاپن قصد دارد تا سال 2010 با اضافه نمودن بخش تولید برق به 1900 زباله سوز موجود، ظرفیت نیروگاه های زباله سوزی خود را از 1600 مگا وات به 4860 مگا وات برساند.[2]