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

Inzameling

Transport

Verwerking

AFVAL

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

Inzameling

Transport

Verwerking

AFVAL

Restprodukt

Huishoudelijk Afval in Nederland, 1992-2007

1 [Mton] = 1 miljoen [Ton]Afvalverwerking in Nederland. Gegevens 2011. Agentschap.nl, Augustus 2012

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

Capaciteit (vergund)

Afvalverwerking in Nederland. Gegevens 2011. Agentschap.nl, Augustus 2012

Afvalverbranding

• Systeem:

• Functie?• Systeemgrens?• Inputs & Outputs?

• Systeemelementen?

De verbranding van huisvuil

De grootschalige verbranding van huisvuil (grijze container), AfvalverwerkingZuid-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 ditoverzicht (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 schoonen milieuvriendelijk??

(2) Wat zouden de kosten zijn voorverbranding van huisvuil?

(3) Hoe krijgen we een antwoord op dezetwee vragen?

1. systeemdiagram opstellen2. inputs & outputs uitrekenen3. 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 uitrekenen3. kosten en opbrengsten in beeld brengen

SysteemdiagramVerbranding met energieterugwinning

Aanvoer/Loshal(bunkering)

Rookgasreiniging(NOx, vliegas,

zware metalen, chloor, SO2

dioxines, kwik)

Slakopwerking(verwijdering metalen tbv recycling)

Roosteroven (verbranding)

Stoomketel(energiewinning)

Opslag (open lucht)

Afvoer

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

Aanvoer/Loshal(bunkering)

Rookgasreiniging(NOx, vliegas,

zware metalen, chloor, SO2

dioxines, kwik)

Slakopwerking(verwijdering metalen tbv recycling)

Roosteroven (verbranding)

Stoomketel(energiewinning)

Opslag (open lucht)

Afvoer

De grootschalige verbranding van huisvuil - schoon, milieuvriendelijk?

• AZN Moerdijk verwerkt 700.000 ton afval per jaar• Daarbij ontstaan

• 180.000 ton bodemas• 12.000 ton metalen• Rookgas (CO2)

• 15.000 ton vliegas• 3.000 ton gips• 2.600.000 ton stoom

Stap 1 - keuze systeemgrens & control volume

Control Volume t.b.v. vragen

Aanvoer/Loshal(bunkering)

Rookgasreiniging(NOx, vliegas,

zware metalen, chloor, SO2

dioxines, kwik)

Slakopwerking(verwijdering metalen tbv recycling)

Roosteroven (verbranding)

Stoomketel(energiewinning)

Opslag (open lucht)

Afvoer

Energieterugwinning: water-stoom in gesloten kringloop

Control Volume t.b.v. vragen

Aanvoer/Loshal(bunkering)

Rookgasreiniging(NOx, vliegas,

zware metalen, chloor, SO2

dioxines, kwik)

Slakopwerking(verwijdering metalen tbv recycling)

Roosteroven (verbranding)

Stoomketel(energiewinning)

Opslag (open lucht)

Afvoer

Warmte-wisselaar(energie-afnemer)

Kring-proces

Stap 2: boekhoudeninventarisatie inputs en outputs

Control Volume

Aanvoer/Loshal(bunkering)700.000 ton

Rookgasreiniging(NOx, vliegas,

zware metalen, chloor, SO2

dioxines, kwik)

Slakopwerking(verwijdering metalen tbv recycling)

Roosteroven (verbranding)

Stoomketel(energie-winning)

Warmte-wisselaar(energie-afnemer)

Verbrandings-Lucht??ton

bodemas180.000 ton

metalen12.000 ton

vliegas15.000 ton

gips etc.3.000 ton

rookgas??? ton

Netto circulatie2.600.000 ton

De grootschalige verbranding van huisvuil - schoon, milieuvriendelijk?

• AZN Moerdijk verwerkt 700.000 ton afval per jaar• Daarbij ontstaan

• 180.000 ton bodemas• 12.000 ton metalen• Rookgas (CO2)

(1) Wat is de hoeveelheid rookgas die door de schoorsteen wordt uitgestoten?

(2) Wat is de samenstelling van het rookgas (hoeveelheidCO2, dioxines, NOx, roet etc.)?

(3) Hoeveel aardgas wordt er bespaard?

• 15.000 ton vliegas• 3.000 ton gips• 2.600.000 ton stoom

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 energietransformatiebehoudswetten

• 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: boekhoudeninventarisatie inputs en outputs

Control Volume tbv vraag (1)

Aanvoer/Loshal(bunkering)700.000 ton

Rookgasreiniging(NOx, vliegas,

zware metalen,chloor, SO2

dioxines, kwik)

Slakopwerking(verwijderingmetalen tbvrecycling)

Roosteroven(verbranding)

Stoomketel(energie-winning)

Warmte-wisselaar(energie-afnemer)

Verbrandings-Lucht??ton

bodemas180.000 ton

metalen12.000 ton

vliegas15.000 ton

gips etc.3.000 ton

rookgas??? ton

Netto circulatie2.600.000 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 CO2: 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: • stel netto accumulatie ofvoorraadvorming = 0

• som(inputs) - som(outputs)= 0

•(4) Resultaat • 700.000 + X - 210.000 - Y = 0• hoeveelheid rookgas = Y =

490.000 + X

• X = hoeveelheidverbrandingslucht

• Gevraagd (1): • Y = hoeveelheid rookgas

• Gevraagd (2) : • CO2 in rookgas

Procedure voor berekenen Schatting verbrandingslucht Y

• Stap 1:• maak geschikte aanname:• bijvoorbeeld het brandbaar deelvan huisvuil = gelijk aansteenkool

• Bereken hoeveelheid benodigdezuurstof

• Gegevens:• afval: 700.000 [ton/jaar]• stookwaarde = 10 [MJ/kg]• steenkool: 30 [MJ/kg]; • steenkool: verhouding C/H = 0.5• lucht: N2/O2 = 4• molgewichten

• O=16• C=12• H= 1• N=14

Berekenen schatting van hoeveelheid verbrandingslucht• Stap 2:• Stel de verbrandings reactie is:(CH)n + O2 --> CO2 + H2O

• deze aanname impliceert:• afval = 1 deel steenkool + 2 delen inert

• stel nu n = 0.5, en berekenhoeveel zuurstof nodig is voor 1 ton afval.

• Stap 3• Bereken in hoeveel ton lucht diezuurstof zit

• Stap 4• Bereken de hoeveelheid CO2 die vrijkomt bij de verbranding van 1ton afval

• Stap 5• Bereken de hoeveelheid rookgas

Hoeveel aardgas wordt uitgespaard?

• Gegevens:• De AVI produceertelektriciteit

• Met een rendement van22%

• Eveneens stoom• Rendement 38%

• Hoe bereken je de metafvalverbranding uitgespaardehoeveelheid aardgas

• Welke gegevens heb je nodigom de hoeveelheid bespaardaardgas te berekenen?