|
Basisdokumentation for biogaspotentialet i organisk dagrenovation 3 BrændværdiMængden af energi i affald opgøres i form af brændværdi, som redegjort for i dette afsnit. 3.1 Definition af brændværdi3.1.1 Øvre og nedre brændværdiAffaldets brændværdi afhænger af sammensætningen, og kan vurderes enten ud fra den kemiske sammensætning eller en fysisk sammensætning. Den fysiske vurdering indebærer en opgørelse af indholdet af plast, papir mm., hvor brændværdien af disse fraktioner er kendt. Men ved organisk dagrenovation, som primært består af organisk madaffald og evt. nogle tørre og våde papirfraktioner, er denne metode ikke relevant. Den nedre brændværdi medtager energitabet til fordampning af vandindholdet i affaldet, hvorimod den øvre brændværdi betragter vandet i kondenseret form. Dette inkluderer ikke kun fordampningsenergien for vandmængden i affaldet, men også vanddamp, som dannes ud fra brintindholdet i affaldet: 2H + ½ O2 ? H2O 3.1.2 Måling af brændværdiDen øvre brændværdi, HHV, af affald kan måles ved en fint neddelt, homogeniseret, tør prøve i et bombekaloriemeter, hvor en lille mængde prøvemateriale indsættes. Bombekaloriemeteret er et lukket system, hvor prøven bliver antændt under tryk. Den øvre brændværdi beregnes ud fra temperaturstigning med hensyntagen til den tilførte energi til antændelse af prøven, forbrænding af ledningstråden og for termiske effekter fra dannelse af bl.a. saltpetersyre. Ved denne metode måles den øvre brændværdi, og det antages derfor at vanddampen, som er dannet af vandindholdet samt af brintindholdet, kondenserer hurtigt igen, da antændelsen sker ved 25°C /ISO 1928:1995/. Ønskes den nedre brændværdi skal der tages højde for den dannede vandmængde, som opstår pga. brint- og vandindholdet i prøven. 3.2 Beregning på basis af kemiske oplysninger3.2.1 Beregning på basis af grundstofsammensætningEn empirisk formel til beregning af brændværdi er opstillet på baggrund af affaldets indhold af kulstof, brint, svovl, kvælstof, ilt og vand. Det ses, at især kulstof- og brintindholdet bidrager positivt til brændværdien, hvor ilt- og vandindholdet trækker fra. Nedre brændværdi ved Schwanecke’s formel [MJ/kg] /Schwanecke, 1976/: LHV = 34,8 · XC + 93,9 · XH + 10,5 · XS + 6,3 · XN
– 10,8 · XO – 2,44 · XH2O Øvre brændværdi, HHV [MJ/kg]: HHV = LHV + 2,44 · (X[H2O] + 8,9 · X[H]) hvor
Hvis den øvre brændværdi, HHV på en tør prøve er målt til 22 MJ/kg TS, og prøven indeholder 7 % H af TS, kan den nedre brændværdi af TS beregnes:
3.3 Beregnede og målte brændværdierTabel 6 viser affaldssammensætning for forbehandlet kildesorteret organisk dagrenovation. Tabellen viser de nødvendige parametre i affaldet til teoretisk beregning af brændværdi. Der er dog ikke i målt ilt i affaldet, så til den teoretiske brændværdi er antaget et iltindhold på forskellen mellem indholdet af VS og indholdet af C, H, S og N. Tabellen viser ikke altid overensstemmelse mellem den målte og den teoretiske brændværdi med udsving på op til 11 %. Det betyder, at Schwanecke’s formel til beregning af nedre brændværdier ikke ukritisk kan anvendes, såfremt brændværdien ikke måles eksperimentelt ved et bombekaloriemeter. Tabel 6:
* : under antagelse at iltindholdet er VS – (C+H+N+S)Eksempel 7 Affald indsamlet i Hovedstadsområdet, fælles skraldespande, forbehandlet med skrueseparator i Aalborg den 21/5-2001. Beregning af den nedre brændværdi, LHV, af TS vha. Schwaneckes formel: LHV = 34,8 · 0,52 + 93,9 ·0,08 + 10,5 · 0,0023 + 6,3 · 0,031 – 10,8 · 0,277 – 2,44 · 0 = 22,1 MJ/kg TS Hvis prøven er våd og har et TS indhold på 29 % fås: LHV = 0,29 · (34,8 · 0,52 + 93,9 ·0,08 + 10,5 · 0,0023 + 6,3 · 0,031 – 10,8 · 0,277) – 2,44 · 0,71 = 4,9 MJ/kg affald 3.4 Brændværdi i forhold til affaldDen producerede biogas kan brændes af i en gasmotor med kedelanlæg med kombineret el og varmeproduktion eller i en gasmotor med elproduktion alene. Energieffektiviteten i et kedelanlæg med kombineret el og fjernvarmeproduktion er som på et forbrændingsanlæg på mellem 80 og 90 % af indfyret, dog er elvirkningsgraden typisk højere end i et forbrændingsanlæg. Antages, at biogassen indeholder 65 % metan med nedre brændværdi på 35,9 MJ/Nm3 og en virkningsgrad på 85 % i gasmotoren, opnås en samlet energiproduktion på 19,8 MJ pr. Nm3 biogas. Produceres kun el på gasmotoren falder energivirkningsgraden væsentlig og vil ligge på mellem 30 og 40 % alt afhængig af type af gasmotor. Som alternativ kan biogassen renses for CO2 og kan derefter anvendes som naturgas i evt. busser, men dette kræver tilført energi og et dyrt anlæg til fjernelse af CO2. Ud fra en energimæssig betragtning kan det ikke svare sig, da der ikke vil opnås højere energivirkningsgrader, og den energi, der anvendes til oprensning af biogassen, ikke opvejes. Ved forbrænding af affald i et forbrændingsanlæg svarer den afsatte energimængde stort set til den nedre brændværdi af affaldet, der som nævnt tager hensyn til, at vandindholdet fordampes under forbrændingsprocessen. Vandindholdet har således betydning for energiproduktionen, da fordampningsvarmen af vand normalt mistes. Dette har dog kun mindre betydning ved forbrænding af "normalt" affald med et vandindhold på omkring 20% og nedre brændværdi på 10-12 MJ/kg. Derimod kan effekten være betydelig ved forbrænding af vådt organisk affald, som typisk indeholder omkring 70 % vand. Betydningen af vandindholdet kan illustreres ved forskellen mellem øvre og nedre brændværdi for vådt organisk affald, hvor en øvre brændværdi på 7 MJ/kg, typisk modsvares af en nedre brændværdi på omkring 5 MJ/kg. Den varme røggas fra forbrændingsprocessen udnyttes til at opvarme damp, som driver en turbine og/eller anvendes i en varmeveksler til opvarmning af fjernvarmevand. Ved kombineret el- og varmeproduktion er effektiviteten på 80-90 % af den indfyrede energi hvorimod ved el-produktion alene falder effektiviteten til omkring 30 %. Virkningsgraden forøges på nogle forbrændingsanlæg ved at kondensere vanddamp fra røggassen, idet fordampningsvarmen genvindes ved kondensation og derved kan nyttiggøres. I så fald kan effektiviteten principielt forøges til over 100% af den indfyrede energi, hvilket dog ikke strider mod naturens love, da den indfyrede energi opgøres på grundlag af nedre brændværdi.
|