فناوری ها و سیستمهای استحصال انرژی از زیست توده

[seyed mehdi hoseyni 27,119]

فناوری ها و سیستمهای استحصال انرژی از زیست توده : امروزه برای منابع مختلف زیست­توده و کاربردهای گوناگون آن، تکنولوژی­های زیادی توسعه یافته و یا در حال توسعه می­باشند. تکنولوژی های مختلف زیست توده در مراحل مختلف توسعه و معرفی به بازار قرار دارند و طیف وسیعی از توسعه آزمایشگاهی و نمونه سازی تا کاملاٌ تجاری شده را در بر می گیرند. در جدول زیر وضعیت فعلی و آتی برخی از تکنولوژی ها نمایش داده شده است.

 

 

تکنولوژی های مختلف زیست توده در مراحل مختلف توسعه و معرفی به بازار قرار دارند و طیف وسیعی از توسعه آزمایشگاهی و نمونه سازی تا کاملاٌ تجاری شده را در بر می گیرند. در جدول زیر وضعیت فعلی و آتی برخی از تکنولوژی ها نمایش داده شده است.

 

 

فن آوریهای گرما شیمیایی:

این فن آوریها با گرما دادن به زائدات زیستی در حضور یا عدم حضور عوامل کمکی، انرژی تولید می کنند. انرژی تولید شده می تواند به صورت انرژی گرمایی یا انرژی ثانویه باشد که از فرآورده های انرژی زا بدست می آید مانند سوختهای جامد، مایع و گاز که می توانند به انرژی جنبشی یا الکتریسیته تبدیل شوند. عوامل کمکی در این فن آوریها می تواند بخار، هوا، اکسیژن، هیدروژن و مواد جامد باشند. مهمترین فن آوری های گرما- شیمیایی عبارتند از :

 

• احتراق مستقیم Direct Combustion شامل : کاربری خانگی و صنعتی
  
• آتشکافت Pyrolysis - آتشکافت با روش معمولی و آتشکافت با بخار
  
• گازی کردن Gasification- گازی سازی ساده در دمای معمولی و گازی سازی پلاسما در دمای بالا
  

 

 

 

احتراق مستقیم : در این فناوری، منابع جامد زیست توده نظیر زائدات جنگلی- کشاورزی، زائدات صنایع غذائی و زباله های شهری مستقیماٌ در بویلرهای خاصی سوزانده شده و از حرارت حاصل برای تولید برق، حرارت و یا برق و حرارت استفاده می شود. مهمترین تکنولوژی تولید برق در این گروه زباله سوزها و چوب سوزها می باشند.

از دیدگاه فنی و کاربردی، فن‌آوری احتراق مستقیم را می‌توان به دوکاربری زیر تقسیم بندی نمود:

 

1. کاربری خانگی
   
2. کاربری صنعتی
   

 

 

شماتیکی از بویلر چوب سوز

 

کاربری خانگی:

این کاربری در مقیاس محدود مطرح بوده و کاربرد آن در تأمین نیازهای واحدهای مسکونی و واحدهای تجاری کوچک که اغلب در جوامع روستایی واقع هستند، رواج دارد نیازهای عمده این مصرف کننده‌ها پخت و پز، گرمای لازم برای گرمایش فضای مسکونی و آب گرم مصرفی و برخی کاربردهای دیگر به‌صورت محدود می‌باشد مانند کوره‌های متداول در صنایع کوچک (سفالگری، آهنگری، رنگرزی).

 

کاربری صنعتی:

در این زمینه، احتراق زیست توده در مقیاس بزرگتری مطرح می‌گردد. منابع زیست توده‌ مناسب در این کاربری شامل چوب و پسماندهای چوبی، بقایای کشاورزی و باغی (کاه، سبوس، برگ خشک سرشاخه‌ها، ترکه‌ها، نی، پوست ساقه درختان) و زباله‌های شهری هستند.

احتراق این سوختها به تولید انرژی گرمایی منجر می‌شود و انرژی آزاد شده می‌تواند در مصارف زیر مورد استفاده قرارگیرد:

 

• صنایع غذایی (تولید بخار و تولید گرمای مورد نیاز فرآیندهای پخت)
  
• صنایع آجر و سفال و سرامیک - صنایع چوب و کاغذ (تولید بخار و تولید گرمای موردنیاز فرآیندها)
  
• صنایع ذوب فلزات (مانند کشور برزیل که از ذغال چوب بهره‌گیری می‌کنند)
  
• بویلر نیروگاهها
  

 

بحث احتراق مستقیم در کاربری صنعتی را می‌توان از دو دیدگاه زیر مورد توجه قرار داد:

 

1. احتراق در کوره‌های مخصوص چوب و ذغال‌سنگ و سوختهای با رطوبت پائین
   
2. احتراق در کوره‌های زباله‌سوز و سوختهای پردازش نشده
   

 

زباله سوزها : زباله سوزی فرآیندی است که توسط آن زباله ها در مجاورت حرارت مشتعل شده و موادی مثل خاکستر و گازهای دودکشی را به عنوان محصولات احتراق تولید می کند . طی این فرایند بیشتر فلزات و ترکیبات فلزی موجود در زباله بدون تغییر باقی مانده و از خاکستر حاصل قابل استخراج می باشند. مهم ترین مزایای روش زباله سوزی کاهش زیاد در حجم و وزن زباله ها بدون نیاز به مدت زمان طولانی و یا مساحت زیاد عملیات، از بین رفتن اکثر زائدات خطرناک و به تبع کاهش اثرات مخرب زیست محیطی، امکان بازیافت انرژی به صورت برق و یا حرارت از گرمای آزاد شده در حین فرآیند احتراق زباله ها و همچنین امکان بازیافت فلزات – اعم از فلزات آهنی و غیر آهنی- از محصولات احتراق می باشد. تکنولوژی های مختلف زباله سوزی نیاز به پیش فرآوری های کمابیش یکسانی دارند. در مرحله اول می باید مواد خطرناک، اجسام بزرگ و مواد غیر قابل سوختن حجیم از جریان ورودی جدا شوند. احجام حجیم قابل سوختن باید ابتدا خرد شده و به جریان پسماند وارد شوند. مواد قابل بازیافت می تواند طی فرآیند جداسازی از پسماند جدا شود. سپس جریانهای متفاوت پسماند جهت حصول ورودی یکنواخت به لحاظ فیزیکی، شیمیایی و ارزش حرارتی با یکدیگر مخلوط می شوند. این یکنواختی به عملکرد زباله سوز و تاسیسات ثانویه تولید انرژی و کنترل آلودگی کمک می کند. خرد سازی پسماند ممکن است مورد نیاز باشد. کوره های دوار و سیستم های سوخت انداز نیازی به خرد سازی کل پسماند ندارد اما در زباله سوزی به روش بستر شناور لازم است که پسماند ورودی خرد و مخلوط شود. همین طور ارزش حرارتی و ترکیب پسماند ممکن است انجام برخی فرآوری را قبل از ورود به سیستم های سوخت انداز یا کوره دوار اجباری کند. حداقل ارزش حراراتی مناسب برای تولید انرژی از پسماند به روش زباله سوزی 6000 کیلوژول بر کیلوگرم تخمین زده شده است.

انواع زباله سوز ها شامل توده سوز، مدولار و RDF می باشند .

 

نمایی از یک واحد زباله سوزی

 

امروزه ظرفیت جهانی زباله سوزی به منظور انهدام زباله و در کنار آن تولید انرژی و بازیافت فلزات (از زباله های جامد شهری) حدود 130 میلیون تن در سال است که در حدود 600 نیروگاه بزرگ زباله سوز انجام می شود. سوزاندن مواد زاید جامد شهری یک فرآیند مهار شده است که در آن مواد زاید جامد سوخته و به خاکستر مبدل شده و باقیمانده به گازهای بی خطر و یا کم خطر تبدیل میگردند. در این روش حجم زباله ها تا 90 درصد کاهش پیدا میکند. زباله سوزی یکی از روشهای دفع مواد زاید جامد شهری است. این روش در شهرهایی که با مشکل کمبود زمین مواجه هستند کاربرد دارد. علاوه بر کاهش حجم، از این دستگاهها نیز می توان برای کاهش و یا رفع ویژگی سمی مواد استفاده نمود.

به طورکلی میتوان مواد زیر را در انواع مختلف زباله سوزها سوزاند:

 

• زباله های شهری
  
• مواد شیمیایی آلی
  
• مواد پرتوشناسی
  
• مواد بیولوژیکی
  
• مواد آتش گرفتنی
  
• مواد منفجرشدنی
  
• لجن حاصل از تصفیه خانه های فاضلاب
  

 

زباله‌سوزی مزایای متعددی دارند که برخی از آنها عبارتند از:

 

• کاهش حجم نیروگاه
  
• کاهش حجم زباله
  
• کاهش سریع حجم زباله
  
• دفع زباله‌های خطرناک
  
• کاهش هزینه‌ها
  
• از بین رفتن خطر آلودگی آبهای سطحی
  
• از میان رفتن بو
  
• کاهش میزان گازهای گلخانه‌ای
  
• کاهش میزان آلاینده‌های هوا
  
• از بین رفتن زیستگاه جانوران موذی
  

 

 

زباله­ سوز با سوخت RDF: سوخت­های RDF از باقیماندة زباله‌های جامد شهری پس از جداسازی موادی از آن مانند شیشه‌ها و سایر ترکیباتی که نمی­سوزند،‌ تشکیل می‌شود. این سوخت می‌تواند به صورت یک سوخت جامد در بویلرهای RDF سوز استفاده شده و یا به همراه زغال سنگ و یا نفت در بویلرهای چندسوخته سوزانده شود. همچنین در حال حاضر RDF در کوره سیمان بعنوان جانشین سوخت­های فسیلی تزریق می­شود.

 

نمایی از یک نیروگاه زباله سوز

[seyed mehdi hoseyni 27,119]

انواع تکنولوژی های زباله سوزی که در تولید انرژی استفاده می شوند:

• احتراق با کمبود اکسیژن ( احتراق چند مرحله ای)
  
• احتراق توده ای (تک مرحله ای)
  
• احتراق به روش بستر شناور
  
• احتراق به روش کوره دوار انواع زباله‌سوزها
  
• سیستم باز ( Open Burning)
  
• زباله‌سوزهای تک محفظه‌ای ( Single Chamber Incinerators)
  
• زباله‌سوزهای روباز ( Open-pit Incinerator )
  
• زباله‌سوزهای چند محفظه‌ای (Multiple-Chamber Incinerator )
  
• زباله‌سوز با کوره‌های هوای کنترل‌شده ( Air Controlled Incinerator)
  
• واحدهای زباله‌سوزی لجن ( Sludge Incinerator )
  
• زباله‌سوز با تکنولوژی کوره دوار
  

 

کربنیزه کردن: این تکنولوژی جزو قدیمی ترین تکنولوژی ها میباشد و محصول نهائی آن ذغال چوب، برق و حرارت می باشد. اخیراٌ نمونه های موفقی از آن در کانادا جهت تولید برق یا ذغال (قابل استفاده در صنایعی نظیر سیمان) راه اندازی شده و مورد بهره برداری قرار گرفته است.

 

 

فن‌آوری آتشکافت (پیرولیز) :

آتشکافت فرآیندی است که در آن مواد آلی بوسیله گرما در غیاب اکسیژن تخریب می‌شوند و بخار آب، گازهای جدید، مواد فرار، قطران و ذغال بوجود می‌آید، از اینرو به این فرآیند، تقطیر تخریبی نیز می‌گویند.

واکنش آتشکافت برای زیست توده در دمای 300 تا 375 درجه سلسیوس آغاز می‌شوند. ذغال، مایعات آلی، گاز و آب با نسبت های متفاوتی از این فرآیند بدست می‌آیند و نسبت و مقدار آنها بستگی به دمای عملیاتی، نرخ گرمادهی، زمان ماند، نوع مواد خام و درصد رطوبت آنها دارد. در دماهای بالا و زمان ماند طولانی، گاز بیشتری پدید می‌آید در حالی که ذغال و مایعات بیشتر، در دمای پایینتر و زمان ماند کوتاه تولید می‌گردند.

مواد جامد پدید آمده در این فرآیند ذغال (از نوع کربن فعال) و خاکستر می باشد. مایعات بدست آمده، مواد آلی با وزن مولی سبکتر از ماده خام اولیه را شامل می شود . از جمله این ترکیبات می‌توان اسیدها، الکلها، آلدئیدها، ستن‌ها، استرها، ترکیبات فنلی را نام برد. در گاز بوجود آمده نیز ترکیبات زیر بیشتر به چشم می‌خورند: منوکسید کربن، هیدروژن، دی‌اکسید کربن، متان، اتان، اتیلن، بخار آب و دیگر هیدروکربنها به مقدار ناچیز. رآکتورهای گوناگونی برای فرآیند آتشکافت ساخته شده‌اند که انواع زیر را می‌توان نام برد:

 

• راکتورهای بستر ثابت( fixed bed reactors)
  
• راکتورهای بستر متحرک( moving bed reactors)
  
• راکتورهای بستر معلق(suspended bed reactors)
  
• راکتورهای بستر سیال( fluidized bed reactors)
  
• راکتور ایستا با بستر ساکن ( stationary vertical shift)
  
• کوره دوار شیبدار( Inclined Rotating Klin)
  
• کوره افقی( Horizontal Klin)
  

 

انواع تکنولوژی آتشکافت : آتشکافت به روش معمول آتشکافت- گازسازی آتشکافت با بخار آتشکافت معمولی : پسماند شهری به عنوان یک ماده بسیار ناهمگن باید برای ورود به این سیستم پیش فرآوری شود. این روش مشتمل بر حرارت دادن یک ظرف، مخزن ، ... در غیاب اکسیژن است.

 

 

آتشکافت با بخار :

از آنجائیکه مواد حاصل از آتشکافت شامل قطران، روغن های آلی و گازها هستند می توان واکنش های دیگری را برای تجزیه هرچه بیشتر این مواد در سیستم در نظر گرفت. یکی از روش های معمول در این زمینه اضافه کردن بخار به راکتور آتشکافت برای افزایش تولید گاز مصنوعی است.

در این مرحله قطران موجود در راکتور با بخار آب واکنش داده و تولید گاز مصنوعی متشکل از هیدروژن و متان می کند.

 

 

 

گازی کردن (Gasification) :

اساس این فرآیند مشابه فرآیند آتشکافت است اما اولویت به تولید گاز داده شده و عمل گرمادهی تا تخریب و تجزیه حداکثر مواد خام ادامه می یابد. در این فرآیند یک ماده اضافی به نام عامل گازساز نیز وارد راکتور میشود. عامل گازی ساز باعث سوختن بیشتر یا شناورسازی مواد اولیه ورودی می باشد این عامل میتواند اکسیژن، هوا، بخار، هیدورژن، متان یا هلیم باشد.

 

تکنولوژی های گازی سازی:

• گازسازی ساده
  
• گازسازی پلاسما
  

 

 

یک واحد گاز ساز

 

فرایند کلی گازی سازی

[Mohammad Aref 120,438]

گازسازی ساده :

این روش بر پایه اکسیداسیون جزئی مواد ورودی با پایه کربنی و تبدیل آنها به گاز مصنوعی عمل می کند.

 

 

در روش گازسازی ابتدا ۱۰% تا ۳۰% ارزش حرارتی مواد موجود در پسماند برای تولید انرژی اولیه اکسید می شود. این انرژی اولیه باعث تولید گاز مصنوعی متشکل از متان، هیدروژن و دی اکسید کربن می گردد. به راکتور گازسازی با توجه به نوع استفاده از گاز خروجی هوا، اکسیژن یا بخار آب تزریق می گردد.

 

 

راکتورهای گازسازی معمولاً به دو صورت افقی و عمودی وجود دارند و سه نوع طراحی دارند:

- بستر ثابت

- بستر سیال

- بستر کشیده

 

پلاسما :

پلاسما حالت چهارم ماده محیط یونیزه شده ای است که در دمای بالا ایجاد می شود. با عبور یک جریان مستقیم بین کاتد و آند مشعل قوسی پلاسما و عبور همزمان هوا در فضای حلقوی شکل، محیطی با گرمای بسیار زیاد بین ۵۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ درجه سلسیوس ایجاد می شود

 

 

در واکنش گاههای پلاسمایی معمولاً در اثر تخلیه الکترونی یک جریان مستقیم بین آند و کاتد، دمای بالای مورد نیاز برای تشکیل پلاسما ایجاد میشود در محدوده دمای بین ۵۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰۰ درجهت سیلسیوس در راکتور پلاسما کلیه ترکیبات معدنی موجود در پسماند ذوب شده پس از خروج از راکتور در قالب های مناسب شکل دهی می شود.

 

 

 

مزایای سیستم پلاسما:

 

• توانایی عملکرد بر روی طیف وسیعی از مواد جامد و مایع با حداقل فرآیند پیش فرآوری و در بسیاری موارد بدون نیاز به فرآیندهای پیش فرآوری
  
• توانایی عملکرد بر روی طیف وسیعی از ضایعات که قابلیت استفاده از آنها در زباله سوزها موجود نمی باشد.
  
• ایجاد محصولات جانبی قابل فروش.
  
• جلوگیری از توسعه لندفیل ها، عدم پخش خاکستر و ذرات معلق در هوا
  
• عدم گزارش اثرات سوء زیست محیطی تا بحال نسبت به سایرسیستم های گرما شیمی
  

معایب پلاسما نیز شامل قیمت بالا،انحصاری بودن فناوری، عدم تجاری شدن وسیع آن و مشکلات کار با دمای بالا می باشد.

 

فن آوریهای بیو شیمیایی :

در این فن آوریها، تولید کننده انرژی، فرآورده هایی هستند که بوسیله عمل سوخت و ساز موجودات زنده پدید آمده و به خاطر داشتن ارزش گرمایی بالا به عنوان سوخت به کار میروند. گاز متان و الکل اتیلیک (اتانول) از مهمترین فرآورده های اینچنینی میباشند.گاز متان بوسیله فرآیند هضم بیهوازی و اتانول بوسیله فرآیند تخمیز الکلی تولید میشود.

 

 

هضم بیهوازی:

فرآیند تجزیه منابع زیست توده توسط باکتریها در عدم حضور هوا بوده و در آن متان و محصولات جنبی با ارزش حرارتی متوسط(بیوگاز) تولید میشود. بارزترین نمونه این فرآیند در لندفیل هاست. اخیراٌ نیز هاضم های مخزنی بشدت مورد توجه قرار گرفته اند. عمل هضم بیهوازی در محدوده دمایی نسبتاً وسیع ۶۰-۱۰ سلسیوس صورت می گیرد. مناسبترین درجه حرارت برای تولید بیوگاز از نظر فنی و اقتصادی حدود ۳۷ درجه سلسیوس می باشد.

 

همه موادی که برای تولید بیوگاز در فرآیند هضم بیهوازی مورد استفاده قرار میگیرند باید از دسته مواد آلی باشند که اساسا این مواد شامل پروتئینها چربیها و کربوهیدراتها هستند. این مواد آلی توسط گروهی از باکتریها در عدم حضور اکسیژن تجزیه میشوند که بازدهی فرایند هضم نیز متاثر از درجه حرارت هاضم ، PH ، نسبت کربن به نیتروژن، زمان ماند و وجود مواد سمی برای باکتریها می باشد.

 

 

منابع اولیه برای تولید بیوگاز بدین شرح هستند:

۱- فضولات دامی

۲- بقایای گیاهی

۳- پسماند‌های غذایی و مواد آلی فسادپذیر

۴- مواد آلی فاضلابها

۵- پسماندها و پسابهای فرآورده‌های کشاورزی

 

شماتیکی از هاضم بیهوازی زباله های شهری

 

بیوگاز چیست:

منابع زیست توده حاوی ترکیبات آلی با مولکول های درشت زنجیر می باشد که در طی فرآیندهای هضم (مدفون در زمین، داخل مخازن مخصوص و یا رها شده در طبیعت)، مولکولهای مذکور شکسته شده و به مولکولهای ساده تر تبدیل می گردند. حاصل نهایی این فرآیند گازی است قابل اشتعال، که بیوگاز نام دارد. به بیوگاز، گاز مرداب نیز گفته می شود. این گاز شامل دو جزء عمده متان( و اندکی سایر هیدروکربورها) و دی اکسیدکربن به همراه مقادیر جزئی ناخالصی نظیر H۲S , ،بخارآب , N۲ و ... می باشد. این مخلوط گازی با ارزش حرارتی ۲۵-۱۵ مگاژول به ازاء هر مترمکعب بوده(۴۰ تا ۷۰ درصد ارزش حرارتی گاز طبیعی) و در صورت تبدیل به برق با استفاده از موتورهای بیوگازسوز موجود میتوان ۲/۲–۵/۱ کیلووات ساعت برق از هر متر مکعب آن به دست آورد(از هر متر مکعب گاز طبیعی ۳ کیلووات ساعت برق حاصل می شود). این گاز بوی ‏قابل تشخیص مانند تخم مرغ گندیده دارد و از هوا سبک تر می باشد.

 

مکانیسم تولید بیوگاز:

مکانیسم تولید بیوگاز در فرآیند هضم بیهوازی نسبتاً پیچیده و تحت تأثیر عوامل شیمیایی و بیوشیمیایی متنوعی می باشد، این مکانیسم به طور کلی به ۳ مرحله (در برخی مراجع ۴ مرحله) تقسیم می گردد:

 

 

مرحله اوّل: هیدرولیز مواد آلی پیچیده و نامحلول و تبدیل این مواد به ترکیبات محلول

 

 

مرحله دوّم: ترکیبات آلی حاصل از مرحله اول به وسیله باکتریهای اسیدساز شکسته شده و اسیدهای آلی تولید می شود. معمولاً هیدروکربن های پنج و شش کربنی در آب حل شده و توسط باکتریهای اسیدساز مصرف گردیده و به ترکیباتی از قبیل هیدروژن، فورمات، استات، پروپیونات و گاز کربنیک تبدیل می گردند.

 

 

مرحله سوّم: تمام ترکیبات آلی و اسیدهای تولید شده در مرحله اسیدسازی توسط باکتریهای متان ساز به بیوگاز تبدیل می گردند .

 

 

اجزای تشکیل دهنده محل دفن زباله برای مهار شیرابه و گاز

برای اینکه بتوان در محل دفن زباله شیرابه و گاز را کنترل نمود لازم است در ابتدا میزان زباله شهری ورودی به محل دفن تعیین گردد. بر اساس برای محل‌های دفن زباله تا حجم ۴۰ هزار متر مکعب زباله شهری نیاز به ایجاد سیستم های کنترل شیرابه و گاز نبوده و مکانیسم‌های طبیعی قادر به خودپالایی این آلاینده ها هستند. اما برای ظرفیتهای بیش از این مقدار لازم است از محلهای دفن مخزنی استفاده شود. این محلها باید دارای اجزایی برای کنترل شیرابه و گاز باشند که اجزای نامبرده به شرح زیر است:

 

• پی
  
• لایه نفوذ ناپذیر
  
• سیستم جمع آوری شیرابه
  
• سیستم جمع‌آوری گاز
  
• پوشش نهایی
  
• تصفیه شیرابه
  

 

 

فلودیاگرام نیروگاه بیوگازی

 

روند تولید گاز در دفنگاه

تولید بیوگاز در دفنگاه بین ۲ تا ۶ ماه پس از دفن زباله آغاز می‌شود و این تأخیر بستگی به درصد مواد آلی تجزیه‌پذیر در زباله، رطوبت زباله، نحوه توزیع مواد درون زباله، میزان نفوذ آب به دفنگاه و دمای محیط دارد. درصد متان در گاز دفنگاه اغلب پس از ۶ ماه تا یکسال به حالت پایدار و یکنواخت میرسد. تولید گاز پس از مدتی در حدود ۱ تا ۲ سال پس از آغاز به حداکثر خود می‌رسد و سپس روند کاهشی بخود می‌گیرد و در طی سالیان متمادی به نزدیک صفر میرسد. این مدت زمان بستگی به سرعت تجزیه مواد آلی و تولید گاز دارد.