Διαχείριση αποβλήτων με την τεχνολογία αεριοποίησης πλάσματος Ανδρέας Νικολάου, Επαμεινώνδας Βουτσάς, Κωστής Μαγουλάς, Δημήτριος Τασιός 2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010

2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010 Τι είναι το πλάσμα? Η «τέταρτη κατάσταση» της ύλης Είναι ένα ιονισμένο αέριο το οποίο έχει την ικανότητα να άγει το ηλεκτρικό ρεύμα Δημιουργείται όταν ένα κοινό αέριο, όπως ο αέρας, υποβληθεί σε πολύ υψηλά ενεργειακά πεδία όπως μια ηλεκτρική εκκένωση που προκαλείται μεταξύ δύο ηλεκτροδίων (θερμοκρασίες τόξου πλάσματος >5000 oC) Ο κεραυνός είναι παραδείγματα δημιουργίας πλάσματος στη φύση 2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010

Είναι η τεχνολογία πλάσματος μια καινούργια τεχνολογία; Οι τεχνολογίες πλάσματος -όπως και όλες οι άλλες τεχνολογίες που μελετώνται για τη διαχείριση αποβλήτων (βιολογική επεξεργασία, πυρόλυση, αεριοποίηση, καύση)- δεν είναι καινούργια Οι τεχνολογίες πλάσματος εφαρμόζονται εδώ και πολλά χρόνια με επιτυχώς στη μεταλλουργική, χημική και διαστημική βιομηχανία Η τεχνολογία πλάσματος ως πηγή θερμότητας σε μεταλλουργικούς φούρνους είναι μια αποδεδειγμένη μέθοδος και οι τεχνολογίες που βασίζονται στο πλάσμα είναι από τις πιο διαδεδομένες μεθόδους εφαρμογής λεπτών επιστρώσεων σε μια μεγάλη ποικιλία επιφανειών όπως γυαλιά, κεραμικά, στρατιωτικά υλικά, κ.α. Αυτό που είναι σχετικά καινούργιο είναι η εφαρμογή των τεχνολογιών πλάσματος στη διαχείριση αποβλήτων 2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010

Γιατί μελετώνται οι τεχνολογίες πλάσματος για τη διαχείριση αποβλήτων? Πλεονεκτήματα «κλειδιά» των τεχνολογιών πλάσματος είναι: Οι πολύ υψηλές θερμοκρασίες που επιτυγχάνονται οδηγούν σε αποτελεσματικότερη καταστροφή του αποβλήτου σε σχέση με άλλες θερμικές μεθόδους, κάτι που οδηγεί στην αντίληψη ότι τα συστήματα αυτά επιτυγχάνουν μεγαλύτερη προστασία για το περιβάλλον και την ανθρώπινη υγεία (ευκολότερη αποδοχή από το κοινό) Η ικανότητα διαχείρισης μεγαλύτερου εύρους αποβλήτων από τις άλλες τεχνολογίες Εφαρμόζονται με επιτυχία σε μικρές κλίμακες σε σχέση με άλλες ανταγωνιστικές τεχνολογίες Μπορούν να εφαρμοστούν για την πυρόλυση ή αεριοποίηση του οργανικού μέρους του αποβλήτου και όχι για πλήρη οξείδωση του (καύση) Δεν παράγουν στάχτη, αλλά ένα στερεό υαλώδες υλικό που το κάνει πιο ελκυστικό για επαναχρησιμοποίηση Έχουν πολύ καλή ενεργειακή συμπεριφορά 2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010

2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010 Η τεχνολογία αεριοποίησης πλάσματος εμφανίζεται ως ιδανική λύση για τη διαχείριση αποβλήτων (ιδιαίτερα των επικίνδυνων) Επικίνδυνα και τοξικά οργανικά μόρια διασπώνται λόγω των υψηλών θερμοκρασιών σε βασικά στοιχεία Μετατροπή της οργανικής ύλης σε αέριο σύνθεσης αποτελούμενο κυρίως από CO και H2 Το ανόργανο υλικό τήκεται. Μετά την ψύξη παράγεται ένα υαλώδες υλικό (σκωρία-slag) 2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010

2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010 Απλοποιημένο διάγραμμα ροής της τεχνολογίας αεριοποίησης πλάσματος με παραγωγή ενέργειας 2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010

Εμπορικές εφαρμογές της τεχνολογίας (ΑΣΙΑ) Location Waste Capacity (TPD) Start Date Mihama-Mikata, JP MSW/WWTP Sludge 22 2002 Utashinai, JP MSW/ASR 180 Kinuura, JP MSW Ash 50 1995 Kakogawa, JP 30 2003 Shimonoseki, JP 41 Imizu, JP 12 Maizuru, JP 6 Iizuka, JP Industrial 10 2004 Taipei, TW Medical & Batteries 4 2005 2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010

Εμπορικές εφαρμογές της τεχνολογίας (Ευρώπη και Αμερική) Location Waste Capacity (TPD) Start Date Bordeaux, FR MSW ash 10 1998 Morcenx, FR Asbestos 22 2001 Bergen, NO Tannery 15 Jonquiere, Canada Aluminum dross 50 1991 Ottawa, Canada MSW 85 2007 Honolulu, HI Medical 1 U.S. Navy Shipboard 7 2004 2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010

Αεριοποίηση πλάσματος: Έργα υπό κατασκευή • St. Lucie County, FL: 3000(500) TPD MSW (Geoplasma, LLC) • Tallahassee, FL: 1,000 TPD MSW (Green Power Systems, LLC) • International Falls, MN: 150 TPD MSW (Coronal, LLC) • Madison, PA: Waste-to-Ethanol Facility, 150 m3/year (Coskata. Inc.) • Pune & Nagpur, India: 68 TPD Hazardous WTE (SMS Infra.) Instanbul, Turkey: 144 TPD Hazardous WTE (Kiplasma Ind.) 2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010

Περιβαλλοντική συμπεριφορά – Αέριες εκπομπές ΡΥΠΟΣ ΕΚΠΟΜΠΕΣ1 ΝΟΜΟΘΕΣΙΑ (2000/76/Ε.Ε.) HCl max. 3 mg/m3 9 mg/m3 NOx max. 110 mg/m3 180 mg/m3 SOx max. 14 mg/m3 46 mg/m3 1 Εκπομπές από τη μονάδα αεριοποίησης πλάσματος της Plasco στην Ottawa του Καναδά (δυναμικότητας 85 ton/day MSW) Συνεχείς αναφορές εκπομπών στο διάστημα από 2/2008 – 5/2010 2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010

Περιβαλλοντική συμπεριφορά – Διοξίνες Total dioxins (ng TEQ/m3) (11%O2, 101 kPa, 273 K) Utashinai plant (2003-2007) 0.0022 – 0.01 Mihama-Mikata plant (2006-2007) 0.000044 – 0.0029 European Union limit <0.1 EU=46 2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010

Περιβαλλοντική συμπεριφορά – Στερεό υπόλειμμα Air-cooled slag forms rocks Water-cooled slag forms sand Δεν παράγεται στάχτη. Η παραγόμενη σκωρία δίνει τιμές εκχυλισιμότητας βαρέων μετάλλων κάτω από όρια της ΕΕ. Στην Ιαπωνία, περίπου 75 % της σκωρίας χρησιμοποιείται σαν υλικό οδοποιίας. EU=46 2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010

Μοντελοποίηση της διεργασίας: Ο προσομοιωτής Gasifeq Ο προσομοιωτής Gasifeq (μοντέλο ισορροπίας αντιδράσεων αεριοποίησης) αναπτύχθηκε στο Εργαστήριο θερμοδυναμικής και Φαινομένων Μεταφοράς (Mountouris, Voutsas, Tassios. Energy Conversion and Management 47 (2006) 1723–1737. Το τροποποιημένο μοντέλο: Ανεξάρτητες Αντιδράσεις Methane decomposition: CH4 + H2O ↔ CO + 3H2 Water gas shift: CO + H2O ↔ CO2 + H2 Αντίδραση χλωρίου: 1/2Cl2 + 1/2H2 ↔ HCl Αντίδραση θείου: S + H2 ↔ Η2S 2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010

Το τροποποιημένο μοντέλο Gasifeq Δεδομένα εισόδου: Στοιχειακή ανάλυση του αποβλήτου: CxHyOzSkClm Υγρασία, στάχτη του αποβλήτου Ισοζύγιο ενέργειας 2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010

Το τροποποιημένο μοντέλο Gasifeq Επιλέγονται: θερμοκρασία, υγρασία, οξυγόνο 2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010

Το τροποποιημένο μοντέλο Gasifeq 2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010

2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010 Ενεργειακή απόδοση της τεχνολογίας αεριοποίησης πλάσματος: Το μοντέλο Gasifeq DRYER MSW 1 Ton – 2.78 MWh (10000 MJ) Ξήρανση από 35% σε 11% Gas Heat 0.73 MWh Product Gas 1960 Nm3 HV = 2.45 MWh PLASMA GASIFIER Electricity 0.29 MWHr Heat engine Electricity output = 0.98 MWh Net Electricity output = 0.69 MWh Electrical Recovery = 25% 2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010

Capital Costs: Plasma vs Incineration 2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010

2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010 Conclusions (1) Thermal treatment technologies with energy recovery WTE facilities is a potential solution to municipal waste problems facing populated centers: ☺ Decreases the quantity of the wastes which are driven to landfils ☺ Leads to energy recovery from the wastes • Before waste is thermally treated waste minimization and recycling are always the initial steps in sustainable waste management. • WTE facilities compliments a well-developed waste diversion program by converting the remaining waste into useable energy «EU countries with WTE facilities are likely to have higher recycling rates than the EU average. Far from competing with recycling, WTE is part of an integrated approach to sustainable solid waste management that includes recycling as a core component» 2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010

2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010 Conclusions (2) Plasma gasification Is a technology that can handle with success a great variety of wastes (MSW, industrial, medical, sewage sludge, ash etc). It is ideal for treating wastes in small scale units (industrial, hazardous, medical) It has a very good environmental and energy performance It leads to minimization of the final solid residue (not ash) for lanfilling It has not find wide, at least for the moment, commercial application in the treatment of MSW like mass burning Its cost is for the moment relatively higher than mass burning 2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010

2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010 A pilot unit for the thermal treatment of MSW with Plasma Gasification installed in Mykonos landfill National Technical University of Athens, School of Chemical Engineering Prof. Maria Loizidou Municipality of Mykonos Η μονάδα πλάσματος αγοράστηκε από την εταιρεία Pyrogenesis SA 2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010

Σας ευχαριστώ για την προσοχή σας !!! QUESTIONS ? 2nd Synergia Forum, Athens, Greece, June 10, 2010