Ćwiczenie 2 - przykład obliczeń technologiczny - metoda sucha

Sporządzić bilans procesu dla spalarni odpadów o wydajności B= 15 Mg odpadów/h

1. Obliczenie strumienia spalin = G [
   /h], G₁ = 4 700 
   /Mg odpadów
   G = B · G₁ = 15 Mg/h · 4 700 
   /Mg = 70 500 
   /h= 19,58
   /s

2. Obliczenie strumienia spalin rzeczywistych przed reaktorem
   temperatura spalin po wymienniku ciepła = 150ºC = T₂ ,G₂ =
   (st. Kelvina),
   =30,34m³/s

3. Obliczenie strumienia pyłu niesionego przez spaliny = M_pyłu
   M_pyłu = E_1p · B = 23,5 kg/Mg odpadu · 15 Mg odpadu/h = 352,5 kg/h
   E_1p = 23,5 kg pyłu z 1 Mg odpadu

4. Obliczenie strumienia żużla, E_ż, M_1ż = 250 kg/Mg odpadu
   E_ż = B · M_1ż = 15 Mg/h · 250 kg/Mg = 3 750 kg/h = 3,75 Mg/h

5. Obliczenie strumienia węgla aktywnego wprowadzanego do spalin
   M_C.akt = B · C = 15 Mg/h · 1 kg/Mg = 15 kg/h, C = 1 kg C akt na 1 Mg odpadu

6. Obliczenie dodatkowej ilości węgla w pyle w procentach = M'_C
   
   

7. Obliczenie strumienia SO₂ = E SO₂ [kg/h] E_1SO2 = 2 350 g/Mg odpadu

Eso₂ = B · E₁so₂ = 15 Mg/h · 2350g/Mg = 35,25 kg/h
obliczenie emisji SO₂ ze spalarni odpadów, CSO₂ = 50 mg/
= 0,05 g/


E'SO₂ = 70 500 
/h · 0,05 g/
= 3 525 g = 3,525 kg/h
obliczenie strumienia SO₂ usuwanego ze spalin = MSO₂
MSO₂ = ESO₂ - E'SO₂ = 35,25 kg/h - 3,525 kg/h = 31,725 kg/h
obliczenie ilości Ca(OH)₂ niezbędnego do przereagowania z SO₂


obliczenie strumienia powstałego z SO₂ pyłu CaSO₃

8. Obliczenie strumienia HCl = E_HCl [kg/h] E_1HCl = 3,76 kg/Mg odpadu
   E_HCl = B · E_1HCl = 15 Mg/h · 3,76 kg/Mg odpadu = 56,4 kg/h
   obliczenie emisji HCl ze spalarni odpadów C_HCl = 10 mg/
   
   E'_HCl = 70 500 
   /h · 10 mg/
   = 705 000 mg/h = 0,705 kg/h
   obliczenie strumienia HCl usuwanego ze spalin = M_HCl
   M_HCl = E_HCl - E'_HCl = 56,4 kg/h - 0,705 kg/h = 55,695 kg HCl/h
   obliczenie ilości Ca(OH)₂ niezbędnego do przereagowania z HCl
   
   
   obliczenie strumienia powstałego z HCl pyłu CaCl₂
   
   

9. Obliczenie strumienia HF = E_HF [kg/h], E_1 HF = 0,047 kg/Mg odpadu
   E_HF = B · E_{1 HF} = 15 Mg/h · 0,047 kg/Mg odpadu = 0,705 kg/h
   obliczenie emisji HF ze spalarni odpadów C_HF = 1 mg/
   
   E'_HF = 70 500 
   /h · 1 mg/
   = 70 500 mg/h = 0,0705 kg/h
   
   obliczenie strumienia HF usuwanego ze spalin = M_HF
   M_HF = E_HF - E'_HF = 0,705 kg/h - 0,0705 kg/h = 0,6345 kg/h
   obliczenie ilości Ca(OH)₂ niezbędnego do przereagowania z HF
   
   
   obliczenie strumienia powstałego z HF pyłu CaF₂
   
   

10. Obliczenie strumienia NO = E_NO [kg/h], E_1 NO = 1222 g/Mg odpadu
    E_NO = B · E_NO = 15 Mg/h · 1222 g/Mg = 18,33 kg NO/h
    obliczenie emisji NO ze spalarni odpadów, C_NO = 130 mg/
    
    E`<sub>NO</sub> = 70 500
    /h · 130 mg/
    = 9, 165 kg NO/h
    obliczenie strumienia NO usuwanego ze spalin = M<sub>NO</sub>
    M<sub>NO</sub> = E<sub>NO</sub> - E`_NO = 18,33 kg NO/h - 9,165 kg NO/h = 9,165 kg/h

Obliczenie strumienia utleniacza Ca(OCl)₂ dodawanego do spalin

wapna chlorowanego -handlowego
obliczenie strumienia HNO₃ wytworzonego z NO przez utlenianie

. Obliczenie strumienia Ca(OH)₂ do neutralizacji HNO₃


obliczenie strumienia Ca(NO₃)₂ powstałego z HNO₃ i Ca(OH)₂


Obliczenie strumienia CaCl₂ powstałego z Ca(ClO)₂

11. Obliczenie stechiometrycznej ilości Ca(OH)₂ do sorpcji kwaśnych gazów



36,682 kg/h + 56,535 kg/h + 1,174 kg/h + 11,304 kg/h = 105,7 kg/h
obliczenie niezbędnej ilości Ca(OH)₂ do procesu (nadmiar 30% = 1,3)

Obliczenie ilości nie przereagowanego Ca(OH)₂ w odpadzie

12. Obliczenie ilości odpadu niesionego przez spaliny

M_odp = 352,5 kg/h + 15 kg/h + 59,484 kg/h + 84,727 kg/h + 1,237 kg/h +
25,052 kg/h + 25,41 kg/h + 31,7 kg/h = 595,11 kg/h -0,705kg/h =594,41 kg/h(strumień odpadu usuwany ze spalin)=Mpyłu

13.Obliczenie emisji pyłu z instalacji.

E'pyłu = G x Cdop.=70500m3n/h x10mg/m3n =705 000 mg/m3n =0,705kg/h

Cp=stężenie pyłu w reaktorze = Modpadu : G = 595110g/h :70500 Nm3/h =8,44g/Nm3

Cr = stężenie pyłu po reaktorze =Cp x 0,8 =8,44g/Nm3 x 0,8 =6,752 g/Nm3

14. Obliczenie składu procentowego odpadu

razem = 100 %

15. Obliczenie strumieni zanieczyszczeń niebezpiecznych

15a. Obliczenie strumienia Hg= E_Hg [g/h]

E_Hg = B · E _1Hg = 15 Mg/h · 2,85 g/Mg = 42,3 g/h

Obliczenie emisji Hg ze spalarni = E'_Hg = [g/h]

E'_Hg = G · C _Hg = 70 500
/h · 0,00005 g/
= 3,525 g/h

Obliczenie ilości Hg usuniętego ze spalin - M_Hg [g/h]

M_Hg = E_Hg - E'_Hg = 42,3 g/h - 3,525 g/h = 38,775 g/h

Obliczenie skuteczności usuwania Hg= η_Hg [%]

η_Hg = 

15b. Obliczenie strumienia Cd = E_Cd [g/h]

E_Cd = B · E _1Cd = 15 Mg/h · 37,6 g/Mg = 564 g/h

Obliczenie emisji Cd ze spalarni = E'_Cd = [g/h]

E'_Cd = G · C _Cd = 70 500
/h · 0,00005 g/
= 3,525 g/h

Obliczenie ilości Cd usuniętego ze spalin - M_Cd [g/h]

M_Cd = E_Cd - E'_Cd = 564 g/h - 3,525 g/h = 560,475 g/h

Obliczenie skuteczności usuwania Cd= η_Cd [%]

η _Cd =

15c. Obliczenie strumienia dioksyn i furanów = E_D [mg/h]

E_D = B · E _1D = 15 Mg/h · 14,1 mg/Mg = 211,5 mg/h

Obliczenie emisji dioksyn i furanów ze spalarni = E'_D = [mg/h]

E'_D = G · C _D = 70 500
/h · 0,0001 mg/
= 7,05 mg/h

Obliczenie ilości dioksyn i furanów usuniętych ze spalin - M_D [g/h]

M_D = E_D - E'_D = 211,5 mg/h - 7,05 mg/h = 204,45 mg/h

Obliczenie skuteczności usuwania dioksyn i furanów = η_D [%]

η_D =

16. Obliczenie ilości odpadu ze spalarni = M_C odpadu [Mg/h]

M_C odpadu = E_ż + M_odp = 3 750 kg/h + 594,41 kg/h = 4 344,41 kg/h

M_C odpadu = 4 344,41 kg/h = 4,345 Mg/h

16a. Obliczenie kosztów składowania odpadów = K_odp [zł/h]

K_odp = M_C odpadu · 22 zł/Mg = 4,345 Mg/h · 22 zł/Mg = 95,59 zł/h

17. Obliczenie ilości i ceny sorbentów

Jako sorbenty stosuje się wapno hydratyzowane - Ca(OH)₂
w cenie 350 zł/Mg, oraz wapno chlorowane - Ca(ClO)₂ w cenie 2 160 zł/Mg i węgiel aktywny w cenie 4000 zł/Mg Zużywa się też wodę na schłodzenie spalin.

17a. Wapno hydratyzowane - Ca(OH)₂

= 0,1374 Mg/h · 350 zł/Mg = 48,09 zł/h

17b. Wapno chlorowane - Ca(ClO)₂

32,742 kg/h = 0,032742 Mg/h

· 2 160 zł/Mg = 0,032742 · 2160 = 70,72 zł/h

17c. Węgiel aktywny - cena 4 000 zł/Mg

M_C. akt = 15 kg/h = 0,015 Mg/h

K_C. akt = M_C. akt · 4000 zł/Mg = 0,015 Mg/h · 4000 zł/Mg = 60 zł/h

17d. Woda do schłodzenia spalin z 150 ºC do 65 ºC =

G` = G · 1,257 = 70 500 m³/h · 1,257 kg/m³ = 88 618,5 kg spalin/h

= 1,0825 · G`(T_p - T_k) : 2525,8 = 1,0825 ·88618,5 (150-65) : 2525,8

= 3 228,3 kg/h = 3,23 m³ H₂O/h

=
·2,5 zł/m³ = 3,23 m³/h · 2,5 zł/m³ = 8,08 zł/h

17e. Obliczenie kosztów sorbentów i wody

K_S =
+
+ K_{C. akt +}

K_S = 48,09 zł/h + 70,72 zł/h + 60,0 zł/h + 8,08 zł/h = 186,89 zł/h

18. Obliczenie zapotrzebowania na energię elektryczną = P_in

Energia zasila: przenośniki i podajniki: Ca(OH)₂, Ca(ClO)₂ , węgla, sprężarki
powietrza do iniekcji sorbentów i wody, wentylatory spalin, transportery odpadów. Z analizy zapotrzebowania określono zapotrzebowanie energii w ilości 80 kWh/Mg odpadu.

P_in = B · 80 kWh = 15 Mg/h · 80 kWh = 1200 kWh/hx 7000h = 8 400 MWh/a

K_E = P_in · 0,12 zł/kWh = 8400 MWh/a· 120 zł/MWh =1 008 000 zł/a=144 zł/h

19. Obliczenie kosztów amortyzacji = P_amort.= [zł/a]

Zakładamy że instalacja oczyszczania spalin będzie pracować przez 15 lat.

Pamort.= Kinw.(z tabeli) 5,36mln PLN :15 lat =357 334zł

20. Obliczenie kosztów konserwacji i remontów = P_rem [zł/a]

Przyjmuje się że koszty remontów i konserwacji w ciągu roku, wynoszą 3% kosztów
inwestycyjnych . Kinw z tabeli dla 15 Mg/h =5,36 mln.zł

P_rem. = K_inw. · 0,03 = 5 360 000 x 0,03 = 160800 zł/a

21. Obliczenie kosztów eksploatacyjnych dla instalacji pracującej 7 000 h/a = K_ekspl. [zł/a]

K_ekspl. = (P_amort. + P_rem.) ₊ (K_E +Ks+ K_odp ) · 7000 h

K_ekspl. = 357334 +160800 zł/a + (144 zł/h + 186,89 zł/h + 95,59 zł/h) · 7000 h

K_ekspl. = 357334 zł/a + 160800 zł/a + 2 985360 zł/a = 3503494 zł/a =500,5 zł/h bez amortyzacji =3 503 494 -357 334 =3 146 160

22. Obliczenie godzinowych kosztów (bezpośrednich) eksploatacji = K_H ekspl

K_H ekspl = K_E + K_S + K_odp = 144+ 186,89 + 95,59 = 426,48 zł/h

23. Obliczenie wskaźnika kosztów inwestycyjnych = W_inw [zł/Mg] = Koszt instalacji

Wskaźnik określa wartość inwestycji na unieszkodliwienie 1 Mg odpadu na rok

Winw = =5 360 000 zł : 15 Mg/h x 7000h = 357,3 zł/Mg

24. Obliczenie kosztów spalenia 1 Mg odpadów = W_odp

W`_odp = z amortyzacją

W”_odp = bez amortyzacji

W'odp= 500,5 :15 = 33,4zł/Mg odpadu

= 28,47 zł/Mg

25. Obliczenie strumienia gorącego powietrza niezbędnego do podgrzania spalin z 65 ºC
do 100 ºC = G_p [
/h]

G_p = strumień gorącego powietrza [
/h]

G = strumień spalin po reaktorze [m³/h] (taki sam jak na wlocie)

T_p2 = temperatura mieszaniny spalin i powietrza przed filtrem workowym = 373 K

T_R = temperatura spalin po reaktorze = 338 K

T_p1 = temperatura gorącego powietrza przed wentylatorem = 573 K

25a. Obliczenie rzeczywistego strumienia gorącego powietrza o temp 573 K = G_p1

25b. Obliczenie rzeczywistego strumienia spalin i powietrza przed filtrem workowym G_p2

(100 ºC)

Analiza techniczno - ekonomiczna spalarni odpadów

Dane wyjściowe

1. Koszty inwestycyjne - tabela

2. Koszty eksploatacyjne - bez amortyzacji (wyliczone przez każdego studenta - I część ćwiczeń).

3. Wartość opałowa odpadów = 7 MJ/kg = 7 GJ/Mg = W_op

4. Cena sprzedaży energii elektrycznej = 120 zł/MWhe

5. Cena sprzedaży energii cieplnej = 20 zł/GJ =72 zł/MWhc

6. Koszty inwestycyjne całej spalarni z instalacją oczyszczającą spaliny = koszty inwestycyjne instalacji oczyszczania spalin x 2 (przy założeniu że modyfikuje się 1 kocioł w istniejącej kotłowni)

7. Koszty eksploatacyjne spalarni = koszty eksploatacyjne instalacji oczyszczania spalin bez amortyzacji x 0,5.

8. Stopień przemiany energii chemicznej w energię elektryczną = E_el = B · 7000 h · W _op · 0,3

9. Stopień przemiany energii chemicznej w energię cieplną E_c = B · 7000 h · W _op · 0,55

10. Opłata za spalenie 1 Mg odpadów = 75 zł/Mg

Obliczenia

1. Koszt inwestycyjny obiektu B = 15 Mg/h
   K_inw O = K_inw x 2 = 5 ,36mln zł.x2 =10,72 mln.zł

2. Koszty eksploatacyjne obiektu (bez amortyzacji)
   K _ekspl O = K _ekspl - P _amort + (K _ekspl - P _amort) · 0,5
   K _ekspl O = 3 503 494 - 357 334+ (3 503 494 - 357 334) · 0,5 =
   K _ekspl O = 3 146 160 +3 146 160 · 0,5 = 4 719 240 zł/a

3. Energia chemiczna odpadów = E _chem [GJ/a]

E _chem = B · 7 000 · W_op = 15 Mg/h · 7 000 h · 7 GJ/Mg = 735 000 GJ/a

4. Energia elektryczna uzyskana z odpadów = E_el [MWh]
   przy sprawności 30%, 1 MWh = 3,6 GJ

E_el = E_chem · 0,3 = 735 000 GJ · 0,3 : 3,6 = 61 250 MWh_el (8 400 MWh_el na potrzeby własne)

E'_el = E_el - P_in = 61 250 - 8 400 = 52 850 MWh_{el/a do sprzedania}

5. Energia cieplna uzyskana z odpadów = E_c [MWh]
   przy sprawności 55% (kogeneracja: E_el = 30% + E_c = 55%)

E_c = E_chem · 0,55 = 735 000 GJ · 0,55 : 3,6 = 112 292 MWh_{th do sprzedania}

Bilans

1. Roczne koszty eksploatacyjne = K_ekspl = 3 503 494 zł/a

2. Roczne przychody == D_r = D_O + D_e + D_c

3. Do =15Mg/h · 7000h · 75 zł/Mg =7 ,875mln/a

4. De = 52800 MWh/a x 120zł/h =6 336 000 zł/a (E'el=52800MWh/a)

5. Dc =112 292 MW_hth/a · 72 zł/MW_hth =8 085 024 zł/a (20 PLN/GJ)
   D_r = B · 7 000 h · 75 zł/Mg + E_el · 120 zł/MWh + E_c · 72 zł/MWh

D_r = 7,875 mln/a + 6,336 mln/a + 8,085024 mln/a = 22,296024 mln zł/a

6. Roczny zysk = R_z = D_r - K_ekspl = 22,296024 - 3,503494 = 18,79253 mln zł/a

R_z = 18,79253mln zł/a

7. Koszt inwest. Kocioł + instalacja = (5,36 + 5,36 ) mlnPLN =10,72 mln.zł =K_inwO

8. Czas spłaty kosztów inwestycyjnych = 10,72 : 18,79253 = 0,57 roku

Przeprowadzone obliczenia mają charakter poglądowy gdyż nie uwzględniono kosztów kapitału i podatków.

D_o = dochód z odbioru odpadów przy cenie 75 zł/Mg odpadów

D_e = dochód ze sprzedaży energii elektrycznej przy cenie 120 zł/MWh

D_c = dochód ze sprzedaży energii cieplnej przy cenie 72 zł/MWh.

Tabela 2: Wyniki obliczeń technologicznych dla 15 Mg odpadu/h

L.p.	nazwa	oznaczenie	wynik	jednostka	uwagi
1	Strumień spalin	G	70 500	/h	= 19,58 /s
2	Strumień spalin z 1 Mg odpadów	G1	4 700	/Mg
3	Strumień spalin w temp 150ºC	G2	109 236	m^3/h	= 30,34 m^3/s
4	Strumień pyłu	Mpyłu	352,5	kg/h
5	Strumień żużlu	Eż	3 750	kg/h	= 3,75 Mg/h
6	Strumień węgla aktywnego	MCakt	15	kg/h
7	Strumień SO2 w spalinach	ESO2	35,25	kg/h
7a	Emisja SO2 po instalacji	E'SO2	3,525	kg/h	CSO2=50mg/
7b	Strumień SO2 usuwany ze spalin	MSO2	31,725	kg/h
7c	Stechiometryczny strumień Ca(OH)2	M1Ca(OH)2	36,682	kg/h
7d	Stechiometryczny strumień CaSO3	MCaSO3	59,484	kg/h
8	Strumień HCl w spalinach	EHCl	36,4	kg/h
8a	Emisja HCl po instalacji	E'HCl	0,705	kg/h	CHCl=10mg/
8b	Strumień HCl usuwany ze spalin	MHCl	55,695	kg/h
8c	Stechiometryczny strumień Ca(OH)2	M2Ca(OH)2	56,353	kg/h
8d	Stechiometryczny strumień CaCl2	M1CaCl2	84,727	kg/h
9	Strumień HF w spalinach	EHF	0,705	kg/h
9a	Emisja HF po instalacji	E'HF	0,0705	kg/h	CHF=1mg/
9b	Strumień HF usuwany ze spalin	MHF	0,6345	kg/h
9c	Stechiometryczny strumień Ca(OH)2	M3Ca(OH)2	1,174	kg/h
9d	Stechiometryczny strumień CaF2	MCaF2	1,237	kg/h
10	Strumień NO w spalinach	ENO	18,33	kg/h
10a	Emisja NO po instalacji	E'NO	9,165	kg/h
10b	Strumień NO usuwany ze spalin	MNO	9,165	kg/h
10c	Stechiometryczny strumień Ca(ClO)2	MCa(ClO)2	32,742	kg/h
10d	Stechiometryczny strumień HNO3	MHNO3	19,247	kg/h
10e	Stechiometryczny strumień Ca(OH)2	M4Ca(OH)2	11,304	kg/h
10f	Stechiometryczny strumień Ca(NO3)2	MCa(NO3)2	25,052	kg/h
10g	Stechiometryczny strumień CaCl2	MCaCl2	25,41	kg/h
11	Sumaryczny strumień Ca(OH)2 - stech.	MCa(OH)2	105,7	kg/h
11a	Strumień Ca(OH)2 z nadmiarem	MNCa(OH)2	137,4	kg/h
11b	Strumień nieprzereagowanego Ca(OH)2	MRCa(OH)2	31,7	kg/h
12	Strumień odpadu w spalinach	Modp	595,11	kg/h
12a	Strumień odpadu usuwany ze spalin	Mpyłu	594,41	kg/h
13	Emisja pyłu po instalacji	Epyłu	0,705	kg/h
13a	Stężenie pyłu w reaktorze	Cpy	8,44	g/
13b	Stężenie pyłu po reaktorze	CR	6,752	g/	Cpy1 = 4,2g/m^3
14	Skład procentowy odpadu		99,5-100,5	%
15	Emisja rtęci	E'Hg	3,525	g/h	CHg=50μg/
15a	Emisja kadmu	E'Cd	3,525	g/h	CHg=50μg/
15b	Emisja dioxyn i furanów	E'D	7,05	mg/h
16	Obliczenie całkowitej ilości odpadu	MCodpadu	4,345	Mg/h
16a	Koszt składowania odpadów	Kodp	95,59	zł/h
17	Koszt wapna hydratyzowanego Ca(OH)2	KCa(OH)2	48,09	zł/h
17a	Koszt wapna chlorowanego Ca(ClO)2	KCa(ClO)2	70,72	zł/h
17b	Koszt węgla aktywnego	KCakt	60	zł/h
17c	Koszt wody do chłodzenia spalin	KH2O	8,08	zł/h
17d	Strumień wody	MH2O	3,23	m^3/h
17e	Koszt sorbentów i wody	KS	187,39	zł/h
18	Energia elektryczna na potrzeby własne	Pin	8400	MWh/a
18a	Koszt energii elektrycznej	KE	1 008 000	zł/a	= 144 zł/h
19	Koszty amortyzacji	Pamort	357 334	zł/a
20	Koszty konserwacji i remontów	Prem	160800	zł/a
21	Roczne (7000h) koszty eksploatacyjne	Keks/a	3503494	zł/a	= 500,5zł/h
22	Koszty bezpośrednie (godzinowe)	Keks/h	426,98	zł/h
23	Wskaźnik kosztów inwestycyjnych	Winw	357,3 zł/Mg odpadu/a		instalacji
24	Koszt spalenia 1 Mg odpadu + amortyzacja	W'odp	33,4	zł/Mg
24a	Koszt spalenia 1 Mg odpadu bez amortyzacji	W''odp	28,47	zł/Mg
25	Strumień gorącego (573K) powietrza	Gp	12 337,5	/h	3,427 m^3/s
25a	Strumień gorącego (573K) powietrza rzeczywisty	Gp1	25 895,2	m^3/h	7,193 m^3/s
25b	Strumień spalin + powietrze (373K)	Gp2	113 181	m^3/h	31,44m^3/s
obliczenia
1.	Koszt inwestycyjny spalarni	KinwO	10,72	mln zł
2.	Koszty eksploatacyjne spalarni	KeksplO	3 503 494	zł/a
3.	Energia chemiczna odpadów	Echem	735 000	GJ/a
4.	Energia elektryczna	Eel	61 250	MWhel	Pin = 8 400
4a.	Sprzedana energia elektryczna	E'el	52 850	MWhel	61 250 - 8 400
5.	Uzyskana i sprzedana energia cieplna	EC	112 292	MWhth

1

---