بررسی فنی و اقتصادی استفاده ازدورریز پسماندهای شهر تهران به عنوان سوخت کوره‌های سیمان

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی عمران-محیط زیست، دانشگاه خوارزمی، کرج، ایران.

2 استاد مهندسی عمران-محیط زیست، دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه خوارزمی، کرج، ایران.

3 استادیار گروه مهندسی عمران - محیط زیست، دانشکده محیط زیست دانشگاه تهران، تهران، ایران.

چکیده

زمینه و هدف: روزانه 7500 تن پسماند جامد شهری در تهران تولید و پس از پردازش، 4000 تن آن­ها بعنوان دورریز باقی می­ماند. استفاده مجدد از پسماند برای حفظ منابع و کاهش آلودگی­های زیست محیطی ضروری است. هدف این مقاله بررسی امکان فنی و اقتصادی استفاده از دورریز پسماندهای تهران در کوره­های سیمان است.
روش بررسی: مقدار دورریزهای پسماند از سازمان مدیریت پسماند اخذ و ارزش حرارتی آن­ها با فرمول Dulong محاسبه شد. سپس مشخصات فیزیکی و شیمیایی دورریزها به کمک تحلیل­های نهایی به دست آمد. در نهایت، هزینه تولید یک تن کلینکر با مصرف سوخت گاز ، مازوت و پسماند، همچنین هزینه­های صرفه­جویی شده با مصرف پسماند در کوره شماره 8 کارخانه سیمان تهران نیز محاسبه شد.
یافته‌ها: دورریز پسماندهای تهران با فرمول شیمیایی 07/0NS32O107H71C دارای 72/24% رطوبت،21% خاکستر و MJ/kg 6/23-4/21 ارزش حرارتی است. بنابراین می­توان tons/day 54/3613 سوخت پسماند با ارزش حرارتی MJ/kg 63/19 و 20% رطوبت تولید کرد. همچنین جایگزینی 10% از ارزش حرارتی مورد نیاز کوره 8 کارخانه سیمان تهران با سوخت پسماند به جای مازوت سالانه 16/4 میلیارد ریال درآمد و 6/282 میلیون ریال صرفه­جویی در هزینه دفن پسماند دارد.
بحث و نتیجه‌گیری: مقدار ارزش حرارتی و گوگرد دورریزهای پسماند تهران مطابق الزامات یک سوخت جایگزین است؛اما کاهش مقدار خاکستر، رطوبت و اندازه پسماند، همچنین افزایش ارزش حرارتی دورریزهای پسماند ضروری است.

کلیدواژه‌ها


 

 

 

 

 

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دوره نوزدهم،ویژه نامه شماره4، بهار1396

 

بررسی فنی و اقتصادی استفاده ازدورریز پسماندهای شهر تهران به عنوان سوخت کوره­های سیمان

 

آزاده پناهنده[1]

غلامرضا اسدالله فردی[2]*

fardi@khu.ac.ir

محسن میرمحمدی [3]

تاریخ دریافت: 12/09/1294

تاریخ پذیرش:10/09/1394

 

چکیده

زمینه و هدف: روزانه 7500 تن پسماند جامد شهری در تهران تولید و پس از پردازش، 4000 تن آن­ها بعنوان دورریز باقی می­ماند. استفاده مجدد از پسماند برای حفظ منابع و کاهش آلودگی­های زیست محیطی ضروری است. هدف این مقاله بررسی امکان فنی و اقتصادی استفاده از دورریز پسماندهای تهران در کوره­های سیمان است.

روش بررسی: مقدار دورریزهای پسماند از سازمان مدیریت پسماند اخذ و ارزش حرارتی آن­ها با فرمول Dulong محاسبه شد. سپس مشخصات فیزیکی و شیمیایی دورریزها به کمک تحلیل­های نهایی به دست آمد. در نهایت، هزینه تولید یک تن کلینکر با مصرف سوخت گاز ، مازوت و پسماند، همچنین هزینه­های صرفه­جویی شده با مصرف پسماند در کوره شماره 8 کارخانه سیمان تهران نیز محاسبه شد.

یافته‌ها: دورریز پسماندهای تهران با فرمول شیمیایی 07/0NS32O107H71C دارای 72/24% رطوبت،21% خاکستر و MJ/kg 6/23-4/21 ارزش حرارتی است. بنابراین می­توان tons/day 54/3613 سوخت پسماند با ارزش حرارتی MJ/kg 63/19 و 20% رطوبت تولید کرد. همچنین جایگزینی 10% از ارزش حرارتی مورد نیاز کوره 8 کارخانه سیمان تهران با سوخت پسماند به جای مازوت سالانه 16/4 میلیارد ریال درآمد و 6/282 میلیون ریال صرفه­جویی در هزینه دفن پسماند دارد.

بحث و نتیجه‌گیری: مقدار ارزش حرارتی و گوگرد دورریزهای پسماند تهران مطابق الزامات یک سوخت جایگزین است؛اما کاهش مقدار خاکستر، رطوبت و اندازه پسماند، همچنین افزایش ارزش حرارتی دورریزهای پسماند ضروری است.

واژه­های کلیدی: دورریز پسماند، سوخت جایگزین، سیمان.

 

J.Env. Sci. Tech., Vol 19, Special No.4, Spring 2017

 

 

 

 

 


Technical and economic study of using Tehran rejected solid waste as a fuel in cement kilns

 

Azadeh Panahandeh [4]

Gholamreza Asadollahfardi [5]*

fardi@khu.ac.ir

Mohsen Mirmohammadi [6]

 

Abstract

Background and Objective: Daily 7500 tons of municipal solid waste generated in Tehran and after processing, 4000 tons of them remain as rejected waste. Reuse of waste to conserve resources and reduce environmental pollution is necessary. The objective of this study was to investigate the technical and economic possibilities of using Tehran rejected waste in cement kilns.

Method: The amount of rejected waste was askesd from the Waste Management Organization and their heat value was computed using the Dulong Formula. Then, physical and chemical characteristics of the rejected waste were computed using ultimate analysis. Finally, the cost of producing 1 ton of clinker using gas, Mazut and waste fuel, as well as the cost saving by using waste in kiln No. 8 of the Tehran cement factory were calculated.

Findings: Tehran rejected waste contains chemical formulas of C71H107O32NS0.07, 24.72% moisture, 21% ash content and 21.4-23.6 MJ/kg heating value. Therefore, we can produce 3613.54 tons/day of waste fuel with a heat value of 19.63 MJ/kg and 20% moisture content. Also, replacement of 10% of the heating value used in kiln NO. 8 of the Tehran cement factory with waste instead of Mazut will result in a 4.16 billion Rial annual revenue and 282.6 million Rial saving in the cost of waste landfilling.

Conclusion: The heating value and sulfur content of Tehran rejected waste meet the requirements of alternative fuel; however, reduction of ash, moisture content and size of waste, as well as increase of heating value of the rejected waste is necessary.

Keywords: Rejected waste, Alternative fuel, Cement.

 

مقدمه

 

امروزه دفع پسماندهای جامد شهری(MSW[7]) یکی از مشکلات جدی درکشورهایی است که دارای تراکم جمعیتی بالا و فضای محدود برای دفن پسماند هستند(1). دفن پسماند اگرچه باعث آلودگی آب­های زیرزمینی، انتشار بو و آلودگی خاک می­شود، اما روشی متداول برای دفع پسماندهای جامد غیر­قابل بازیافت در جهان و به ویژه در شهر تهران است(1). در حال حاضر روزانه بیش از  7500 تن پسماند شهری در تهران تولید شده که پس از پردازش، نزدیک به 4000 تن آن به عنوان پسماند جامد غیرقابل بازیافت یا دورریز[8] باقی می­ماند(2). دفن این مقدار پسماند می­تواند باعث بروز مشکلات زیست محیطی جدی و اشغال3m 5200 زمین(/tons3m 3/1(3)) شود. یکی از راه­های بهینه دفع پسماندها در جهان تولید سوخت مشتق از پسماند([9]RDF) و بازیابی انرژی حاصل از سوزاندن آن­ها در کوره­های سیمان است که علاوه بر کاهش انتشارات ناشی از دفن پسماند، باعث جلوگیری از اتلاف انرژی موجود در مواد و حفظ منابع انرژی فسیلی نیز می­شود(1).

صنایع سیمان با چالش بزرگ انتشار2CO خود مواجه هستند؛ به طوری که تولید هر تن سیمان 95/0-65/0 تن 2CO آزاد می­کند(4). هر 10% کاهش در شدت انتشار 2CO کارخانه­های سیمان تا سال 2050 می­توانداز انتشار حدود 4/0 گیگا تن 2CO جلوگیری کرده و در نتیجه باعث کند شدن تغییرات اقلیمی شود(4).جایگزینی سوخت پسماند با سوخت­های فسیلی به عنوان یک منبع انرژی تجدید­پذیر، انتشارات کربن را با جبران نیاز انرژی از منابع فسیلی و کاهش دفن پسماند کاهش می­دهد(5).از سوی دیگر براساس تجربیات جهانی، استفاده از RDF در کوره­های سیمان می­تواند باعث ذخیره سرمایه گردد(1). کارا و همکاران(2008) سوزاندنRDF پسماندهای شهر استانبول در کوره سیمان را موفقیت آمیز و دارای منافع اقتصادی بیان کردند(6). گارگ و همکاران(2009) نیز نتیجه سوزاندن RDF به همراه زغال در کوره سیمان را ذخیره سرمایه، سوخت فسیلی و کاهش انتشار گاز گلخانه­ای دانستند(7). محمدی و همکاران(2012) با نمونه­گیری از پسماندهای شهر ارومیه ارزش حرارتی این پسماندها را با رطوبت 54% و خاکستر 4/10 % به وسیله فرمول Dulong، MJ/kg 22 محاسبه کرده و بازیابی انرژی این پسماندها را پیشنهاد کردند(8). اصغری و همکاران(1392) با بررسی پسماندها و تایرهای فرسوده شهر تبریز به این نتیجه رسیدند که جایگزینی آن­ها با سوخت کارخانه سیمان خوی(آذربایجان غربی) باعث کاهش هزینه حامل­های انرژی و کاهش انتشار آلودگی کارخانه سیمان می­شود(9).

صنایع سیمان تهران با میانگین تولید بیش از 3.700.000 تن انواع سیمان در سال، نیازمند بیش از 3 میلیون تن بشکه نفت خام می­باشد(10). چنانچه تنها 10% از این سوخت باRDF جایگزین گردد، سالانه در مصرف 300 هزار بشکه نفت خام صرفه جویی می­شود.

از آنجایی که کشور ایران در سال 2010 نهمین تولید کننده گاز گلخانه­ای در جهان بوده(11) و صنایع سیمان مسئول 40% انتشار 2CO و مراکز دفع پسماند تولید کننده بیش از 50% گاز متان در ایران هستند لذا کاهش انتشار گازهای گلخانه­ای از این دو منبع ضروری است(12). از این رو به هدف بهره مندی شهر تهران از مزایای استفاده از سوخت های جایگزین،دراین مقاله مقدار دورریز پسماندهای شهر تهران از سازمان مدیریت پسماند اخذ و به کمک فرمول ارزش حرارتی Dulong و تحلیل نهایی،مشخصات فیزیکی و شیمیایی آن­ها بررسی و با استانداردهای یک سوخت جایگزین مقایسه شد. سپس مقایسه­ای ساده بین هزینه مصرف سوخت RDF، گاز طبیعی و مازوت برای تولید یک تن کلینکر سیمان انجام شد و هزینه صرفه­جویی شده در اثر استفاده از سوخت RDF در کوره شماره 8 کارخانه سیمان تهران محاسبه شد.

روش بررسی

مهمترین ویژگی یک سوخت جایگزین مقدار ارزش حرارتی، رطوبت، خاکستر، ترکیب شیمیایی و مقدار در دسترس آن است. از این رو در گام اول مقدار دورریز پسماندهای خطوط پردازش و پالایش شهر تهران (مطابق جدول 1) از سازمان مدیریت پسماند شهرداری تهران اخذ شد(2). مقدار کل این دورریز­ها بین 3000 تا 4000 تن در روز متغییر بوده که با توجه به روند افزایشی تولید پسماند در شهر تهران، در این مقاله مقدار آن­ها، 4000 تن در روز در نظر گرفته شد. همچنین به منظور ساده­سازی محاسبات، پسماندهای مشمع، پت، گونی­های پلاستیکی و فوم جز انواع پلاستیک­ها دسته­بندی گردید.

 

جدول 1-درصد دورریز­های پسماند شهر تهران(2)

Table 1- Percentage of Tehran rejected waste

مقدار دورریزها(%)1

مواد تشکیل­دهنده دورریز پسماند

56/29

انواع پلاستیک

7/15

کاغذ و مقوا

4/2

فلزات

77/6

پارچه

65/6

شیشه

73/2

چوب

0

لاستیک

23/1

چرم

55/4

خاک و نخاله

5/30

پسماند تر

100

مجموع

 

سپس مقدار ارزش حرارتی، رطوبت، خاکستر و ترکیب شیمیایی دوریزها به روش­های زیر محاسبه و با استانداردهای یک سوخت جایگزین مقایسه شد.

1) ارزش حرارتی: ارزش حرارتی پسماند را می­توان با استفاده از بمب کالوریمتر، جداول ارزش حرارتی و یاروابط ریاضی محاسبه کرد(13). مزیت اینگونه روابط پرهیز از تکیه بیش از اندازه بر تکنیک­های آزمایشگاهی و محاسبه ارزش حرارتی هر پسماند براساس ترکیب شیمیایی آن است(14، 15). یکی از رایج­ترین روابط ریاضی برای محاسبه ارزش حرارتی، فرمول اصلاح شده Dulong و به صورت رابطه 1 است(3، 8، 13، 14، 15):

(1)

 

که در آنC، H، O، S و N به ترتیب درصد وزن(خشک) کربن، هیدروژن، اکسیژن، گوگرد و نیتروژن است(14).

در صنایع مختلف دو نوع ارزش حرارتی استفاده می­شود که بالاترین ارزش حرارتی(HHV[10]) و پایین­ترین ارزش حرارتی(LHV[11]) نام دارد(14). HHV گرمای نهان تبخیر آب را در فراورده­های احتراق به حساب می­آورد ولی LHV فرض می­کند که گرمای نهان تبخیر آب در سوخت و فراورده­های واکنش بازیابی نمی­شود.ارزش حرارتی RDF براساس LHV محاسبه می­گردد، زیرا بعد از سوختن پسماند، گرمای نهان تبخیر آب آن بازیابی نمی­شود (14). LHV به صورت رابطه 2 محاسبه می­شود:

 

 

در رابطه 2، W درصد وزنی آب و Hدرصد وزنی هیدروژن است(14).

2)  رطوبت: مقدار رطوبت پسماند «بر پایه وزن مرطوب» یا «بر پایه وزن خشک»آن محاسبه می­گردد(13). در روش وزن مرطوب، رطوبت پسماند به عنوان درصدی از وزن مرطوب یا اولیه مواد و در روش دوم رطوبت به عنوان درصدی از وزن خشک مواد بیان می­شود. روش وزن مرطوب در بخش مدیریت پسماند رایج­تر است(13). رابطه 3 نحوه محاسبه مقدار رطوبت بر پایه وزن مرطوب را نشان می­دهد(13).

(3)

 

M مقدار رطوبت (%) ،W وزن اولیه پسماند (tons) و d وزن خشک پسماند (tons) است (13).

3)  ترکیب شیمیایی پسماند: تجزیه و تحلیل گروهی(Proximate) و نهایی(Ultimate) دو روش برای شناسایی ترکیب شیمیایی پسماند هستند(13). در تحلیل گروهی مقدار رطوبت، ترکیبات فرار، مقدار کربن ثابت و خاکستر و در تحلیل نهایی مقدار کربن، هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن، گوگرد و خاکستر محاسبه می­گردد. در این مقاله براساس روش تچوبنگلوس و همکاران (1993) از نتایج تحلیل نهایی رایج پسماندهای جامد(جدول 2) برای به دست آوردن ترکیب شیمیایی دورریز­های پسماند شهر تهران استفاده شد(13). به این ترتیب که وزن خشک هر یک از مواد تشکیل­دهنده دورریز­های پسماند در درصد وزنی کربن، هیدروژن، اکسیژن و گوگرد همان ماده(که در جدول 2 آمده) ضرب شد و ترکیب شیمیایی هر ماده و در نهایت کل دورریزهای پسماند به دست آمد. همچنین وزن مولی عناصر برای به دست آوردن فرمول شیمیایی دورریز­های پسماند محاسبه شد.


 

جدول 2-داده­های رایج تحلیل نهایی پسماندهای جامد(13)

Table 2- Common data for Ultimate analysis of solid waste(13)

کربن%

هیدروژن%

اکسیژن%

نیتروژن%

گوگرد%

خاکستر%

نوع پسماند

60

2/7

8/22

_

_

10

پلاستیک

2/43

8/5

5/44

3/0

2/0

5/5

کاغذو مقوا

5/4

6/0

3/4

1/0

_

5/90

فلز

48

4/6

40

2/2

2/0

2/3

منسوجات

5/0

1/0

4/0

1/0

_

9/98

شیشه

5/49

6

7/42

2/0

1/0

5/1

چوب

7/69

7/8

_

_

6/1

20

لاستیک

60

8

6/11

10

4/0

10

چرم

3/26

3

2

5/0

2/0

68

خاک

48

4/6

6/37

6/2

4/0

5

زائدات غذایی


 


یافته­ها


ملاحظات فنی

نتایج این بررسی(که در جداول 3، 4، 5 و6 آمده) نشان داد که دورریز­های پسماند شهر تهران با 72/24% رطوبت و 21% خاکستر در حالت خشک، دارای فرمول شیمیایی 07/0NS32O107H71C هستند. همچنین پایین­ترین ارزش حرارتی دورریز­های پسماند MJ/kg 4/21 و بالاترین ارزش حرارتی آن­ها MJ/kg 6/23 است. براساس داده­های سازمان مدیریت پسماند، دورریز­های پسماند شهر تهران به طور متوسط رطوبتی در حدود 30% دارد(2)که نزدیکی خوبی با نتیجه رطوبت به دست آمده در این مطالعه نشان می­دهد.

از آنجایی که آب موجود در پسماند برای محاسبه ارزش حرارتی آن لحاظ نمی­گردد(3، 13)، در اولین گام محاسبات، وزن خشک دورریزهای پسماند محاسبه شد.


 

 

 

جدول 3-وزن کل و وزن خشک دورریز­های پسماند شهر تهران

Table 3- Total weight and dry weight of Tehran rejected waste

وزن خشک دورریزها(tons)

مقدار رطوبت(%)**

وزن اولیه دورریزها(tons)

مقداردورریزها(%)*

مواد تشکیل­دهنده دورریزهای پسماند

75/1158

2

4/1182

56/29

انواع پلاستیک

46/593

5/5

628

7/15

کاغذ و مقوا

12/93

3

96

4/2

فلزات

72/243

10

8/270

77/6

پارچه

15/257

2

4/262

56/6

شیشه

36/87

20

2/109

73/2

چوب

0

2

0

0

لاستیک

28/44

10

2/49

23/1

چرم

44/167

8

182

55/4

خاک و نخاله

366

70

1220

5/30

پسماند تر

28/3011

 

4000

100

مجموع

* از جدول 1

** مقدار رطوبت متداول اجزای پسماند(13)

 

 

در گام بعدی، وزن خشک هر یک از اجزای پسماند(از جدول 3) در درصد وزنی عناصر تشکیل­دهنده همان جز(از جدول 2) ضرب شد تا ترکیب شیمیایی دورریز­های پسماند مطابق جدول 4 به دست آید. برای مثال 60% از 75/1158 تن پلاستیک (یعنی 25/695 تن) کربن است.


 

جدول 4-ترکیب شیمیایی دورریزهای پسماند شهر تهران

Table 4- Chemical composition of Tehran rejected waste


کربن(tons)

هیدروژن(tons)

اکسیژن(tons)

نیتروژن(tons)

گوگرد(tons)

خاکستر(tons)

اجزای تشکیل دهنده دورریز پسماند

25/695

43/83

2/264

0

0

88/115

پلاستیک

37/256

42/34

09/264

78/1

19/1

64/32

کاغذ و مقوا

19/4

56/0

4

09/0

0

27/84

فلزات

99/116

6/15

49/97

36/5

49/0

8/7

پارچه

29/1

26/0

03/1

26/0

0

32/254

شیشه

24/43

24/5

3/37

17/0

09/0

31/1

چوب

0

0

0

0

0

0

لاستیک

57/26

54/3

14/5

43/4

18/0

43/4

چرم

04/44

02/5

35/3

84/0

33/0

86/113

خاک و نخاله

68/175

42/23

62/137

52/9

46/1

3/18

پسماند تر

62/1363

5/171

21/814

45/22

74/3

81/632

مجموع

 

 

 

 

 

به منظور مدیریت و کاهش مقدار خاکستر سوخت پسماند، شناسایی موادی که خاکستر بیشتری تولید می­کنند، ضروری است. از این رو در جدول 5 سهم هر یک از مواد تشکیل­دهنده دورریز پسماند در تولید خاکستر محاسبه شد.


 

جدول 5-مقدار و درصد وزنی خاکستر دورریز­های پسماند تهران

Table 5- The amount and weight percent of Tehran rejected waste ash

مقدار خاکستر هر ماده (%)***

مقدار خاکستر دورریز­ها (%)**

وزن خاکستر دورریز­ها*(tons)

مواد تشکیل دهنده دورریز پسماند

31/18

10

88/115

انواع پلاستیک

16/5

5/5

64/32

کاغذ و مقوا

32/13

5/90

27/84

فلزات

23/1

2/3

8/7

پارچه

19/40

9/98

32/254

شیشه

21/0

5/1

31/1

چوب

0

_

0

لاستیک

7/0

10

43/4

چرم

99/17

68

86/113

خاک و نخاله

89/2

5

3/18

پسماند تر

100

0146/21

81/632

مجموع

 

* مقدار به دست آمده در جدول 4

** حاصل تقسیم «وزن خاکستر دورریزها» به «وزن خشک همان دورریز»(در جدول 3)

*** حاصل تقسیم «وزن خاکستر هر دورریز» به 81/632

 

 

در گام سوم، وزن مولی اجزای تشکیل­دهنده دورریز پسماند شهر تهران(برای فرمول شیمیایی) محاسبه شد. همچنین به منظور ساده­سازی محاسبات از مقدار خاکستر صرفه­نظر و وزن مولی هر عنصر بر وزن مولی نیتروژن تقسیم شد. مقدار هر یک از عناصر تشکیل­دهنده پسماند نیز(برای فرمولDulong) در جدول 6 محاسبه شد.


 

جدول 6-وزن مولی و سهم اجزای تشکیل­دهنده پسماند برای فرمول شیمیایی و فرمول Dulong

Table 6- Molar weight and share of waste components for chemical and Dulong furmula

عناصر

وزن مولکولی(kg/mole)

وزن کل*(tons)

مقدار هر عنصر(%)**

وزن مولی***(103mole)

وزن مولی با فرض 1 =N(mole)

کربن

12

62/1363

40/57

63/113

71

هیدروژن

1

5/171

22/7

5/171

107

اکسیژن

16

21/814

28/34

89/50

32

نیتروژن

14

45/22

94/0

6/1

1

گوگرد

32

74/3

16/0

12/0

07/0

مجموع

 

51/2375

100

 

 

 

* مقادیر جدول 4

** حاصل تقسیم وزن کل هر عنصر به 51/2375

*** حاصل تقسیم وزن کل هر عنصر به وزن مولکولی آن

 

براساس مطالعه رضایی و همکاران(1387) حداکثر زمانی که در طول آن تجهیزات تولید RDF بیشترین بازده تولید را دارد، حدود 20 ساعت در روز است(16). در نتیجه اگر ظرفیت کارخانه تولید RDF تهران را 1300 تن در روز با سه خط پردازش(یعنی در مجموع، پردازش 3900 تن دورریز پسماند در روز)، با سه شیفت کاری 7 ساعت(عملیات 21 ساعته تجهیزات) در نظر بگیریم، حداکثر راندمان تولید RDF به دست می­آید.

با توجه به استاندارد سوخت­های جایگزین برای کارخانه سیمان، سوخت RDF می­تواند تا 20% وزن خشک خود رطوبت داشته باشد(3). در این مطالعه وزن خشک دورریزهای پسماند 28/3011 تن در روز محاسبه شد. مطابق رابطه 4 با افزودن 20% وزن خشک پسماند، مقدار دورریز پسماند در دسترس برای تولید RDF، 54/3613 تن در روز خواهد بود. همچنین از آنجایی که مقدار رطوبت پسماند با ارزش حرارتی آن رابطه عکس دارد با افزایش 20% رطوبت پسماند، بالاترین ارزش حرارتی آن(یعنی MJ/kg 6/23) نیز به نسبت 20% کاهش خواهد یافت(3)(رابطه 5).

(4)

28/3011 (1+2/0) =54/3613 tons

(5)

 

به این ترتیب کارخانه تولید RDF شهر تهران می­تواند روزانه 54/3613 تن RDF با ارزش حرارتی MJ/kg
63/19(kcal/kg 57/4691) از 4000 تن دورریز پسماند تولید کند. مقدار ارزش حرارتی RDF شهر تهران(kcal/kg 57/4691) با ارزش حرارتی RDF تولید شده توسط Kara و همکاران(2009) از دورریز پسماندهای شهر استانبول ترکیه(با مقدارkcal/kg 4000)، کارخانه تولید RDF در هند(با مقدارkcal/kg 4000) و کارخانه Chianti ایتالیا( با مقدارkcal/kg 149/4108) قابل مقایسه است(1).

ملاحظات اقتصادی         

هزینه تولید هر کیلوگرم RDF در ابتدای سال 1392 در حدود 600 ریال برآورد گردید(17). براساس اعلام بانک مرکزی نرخ تورم در سال 1393 نسبت به سال 1392، 3/25% بوده(18) لذا می­توان قیمت هر کیلوگرم RDF را 8/751 ریال در سال 1393 در نظر گرفت. از سوی دیگر قیمت هر لیتر سوخت مازوت و هر متر مکعب گاز طبیعی در سال 1393 (برای کارخانه­های سیمان گاز­سوز) به ترتیب به 2000 و 700 ریال است(17).

در جدول 7 مقایسه اقتصادی بین هزینه مصرف سوخت گاز، مازوت و RDF حاصل از دورریزهای پسماند شهر تهران برای تولید 1 تن کلینکر(بدون احتساب هزینه حمل سوخت) با متوسط مصرف kcal 870 انرژی حرارتی به ازای تولید هر کیلوگرم کلینکر در ایران(17) انجام شد.


 

 

جدول 7-مقایسه اقتصادی بین هزینه مصرف سوخت گاز، مازوت و RDF برای تولید 1 تن کلینکر

Table 7- Economic comparison between gas, mazut and RDF fuel consumption for the production of 1 ton clinker

نوع سوخت

واحد

ارزش حرارتی

(kcal بر واحد سوخت)

قیمت

(ریال بر واحد سوخت)

مقدار مصرف سوخت

هزینه سوخت

(هزار ریال)

گاز طبیعی

3m

8400*

700

6/103

5/72

مازوت

litre

9790*

2000

87/88

73/177

RDF

kg

57/4691

8/751

44/185

41/139

 

* براساس مرجع 17

 

 

 

همانطور که در جدول 7 نشان داده شد، استفاده از سوخت RDF در کوره­های سیمان برای تولید یک تن کلینکر، اقتصادی­تر از مصرف سوخت مازوت است. اما در مقایسه با سوخت گاز طبیعی به دلیل ارزش حرارتی پایین RDF نسبت به گاز و در نتیجه مقدار مصرف بیشتر RDF، اقتصادی نیست.

 

در تهران استفاده از سوخت­های جایگزین در کوره شماره 8 کارخانه سیمان تهران به دلیل داشتن پیشرفته­ترین تکنولوژی فیلتراسیون، پریکلساینر و کنار­گذر امکان­پذیر است. این کوره دارای ظرفیت 3400 تن کلینکر در روز و مصرف انرژی حرارتی kcal/kg 763 کلینکر می­باشد(19). سوخت اصلی کارخانه سیمان تهران گاز طبیعی است، اما در صورت کمبود سوخت به خصوص در فصل زمستان از سوخت کمکی مازوت نیز استفاده می­شود. حال اگر تنها 10% از انرژی حرارتی موردنیاز کوره شماره 8 با RDF پسماندهای شهر تهران جایگزین شود، هزینه صرفه­جویی شده حاصل از عدم مصرف سوخت گاز و مازوت به صورت جدول 8 خواهد بود.


 

جدول 8-هزینه صرفه جویی شده حاصل از عدم مصرف سوخت گاز و مازوت برای 10% بار حرارتی در کوره شماره 8

Table 8- The cost savings from the don’t consumption of gas and mazut for 10% of heating value in kiln NO. 8

نوع سوخت

واحد

میزان سوخت صرفه­جویی شده*

هزینه روزانه صرفه­جویی شده(میلیون ریال)

هزینه سالانه صرفه­جویی شده (میلیارد ریال)

گاز طبیعی

3m

33/30883

62/21

9/7

مازوت

litre

47/26498

997/52

344/19

 

* 10% ارزش حرارتی این کوره معادلkcal 259420000 می­باشد.

 

 

همچنین این کوره برای تامین 10% بار حرارتی مورد نیاز خود در روز به 3/55 تن سوخت RDF شهر تهران نیاز دارد که هزینه آن 6/41 میلیون ریال می­شود. بدین­ترتیب کارخانه سیمان تهران در صورت مصرف کمک سوخت RDF به جای مازوت 4/11 میلیون ریال در روز و 16/4 میلیارد ریال در سال درآمد خواهد داشت.

به علاوه از آنجایی که هزینه روزانه دفن هر تن پسماند در مرکز دفن تهران 14 هزار ریال است، در صورت عدم دفن 3/55 تن پسماند، روزانه 2/774 هزار ریال و سالانه 6/282 میلیون ریال(تنها هزینه دفن پسماند بدون در نظر گرفتن ارزش زمین) برای سازمان مدیریت پسماند شهر تهران نیز صرفه­جویی مالی به عمل خواهد آمد.

بحث و نتیجه­گیری

سوخت جایگزین در صنایع سیمان ماده­ای با ارزش حرارتی
حداقل MJ/kg 15 است که از پسماندهای دورریز یا محصولات جانبی صنایع دیگر بدست آمده و با در نظر گرفتن صرفه اقتصادی می­توان آن را جایگزین سوخت­های فسیلی رایج درفرآیند پخت سیمان کرد(7). کوره سیمان به دلیل داشتن درجه حرارت بالا(ºC1450)، زمان ماند طولانی مواد در کوره(بیش از 2 ثانیه)، محیط قلیایی(برای خنثی سازی گازهای اسیدی حاصل از احتراق پسماند)، حداقل پسماند حاصل از سوزاندن مواد(به دلیل ترکیب شدن خاکستر سوخت با کلینکر)، استفاده از امکانات و شرایط موجود در یک منطقه (در نتیجه عدم احداث زباله سوزها) یکی از بهترین روش­های دفع مواد زائداست(20).

در جدول 9 ویژگی­های دورریز پسماند شهر تهران با استانداردهای یک سوخت جایگزین در کوره سیمان مقایسه شد.


 

 

 

 

 

 


جدول 9-مقایسه ویژگی­های دورریز پسماند تهران با استانداردهای یک سوخت جایگزین در کوره سیمان

Table 9- Comparison of Tehran rejected waste with the standards of an alternative fuel in cement kiln

پارامتر

دورریز پسماند شهر تهران

مقدار استاندارد**

LHV(MJ/kg)

4/21

15<

مقدار رطوبت(%)

72/24

25- 20

مقدار خاکستر%(بر پایه وزن خشک)

21

15>

اندازه سوخت(mm)

متغییر(اندازه دورریزهای خطوط پردازش بزرگتر ازmm 70 و خطوط پالایش mm 15 است(2))

30>

مقدار گوگرد(%)

124/0*

5/0>

 

* حاصل تقسیم وزن کل گوگرد(74/3 تن) بر وزن خشک پسماند(28/3011)

** براساس مراجع 3 و 21

 

 

با توجه به جدول 9، دورریز­های پسماند تهران دارای ارزش حرارتی و مقدار گوگرد مناسب جهت استفاده در کوره­های سیمان هستند؛ اما به دلیل بالا بودن مقدار رطوبت، خاکستر و اندازه مواد پسماند(از حدود استاندارد)، نمی­توان آن­ها را به صورت خام و بدون پردازش در کوره­های سیمان مصرف کرد. برای بهبود کیفیت دورریز­ها، می­توان به کمک تجهیزات تولید RDF یعنی سرندها، آهنرباها، خردکن­ها، واحدهای خشک­کن، جداکننده­هاو عدل­بندی پسماندهای شهری با حذف مواد خنثی، کاهش رطوبت و اندازه پسماند، آن­ها را به سوختی استاندارد با ویژگی­های قابل کنترل تبدیل کرد(16).

همچنین مقدار خاکستر دورریز پسماندهای شهر تهران 21% و بیش از حد استاندارد است. برای کاهش این مقدار خاکستر می­توان با کاهش یا حذف مواد خنثی پسماند که قابلیت احتراق بالایی ندارند مانند شیشه، خاک و نخاله و فلزات که بیشترین مقدار خاکستر را به ترتیب با 19/40%، 18% و 32/13% دارا هستند، میزان خاکستر کل را به 6% رساند(حذف پلاستیک­ها با وجود درصد بالای تولید خاکستر به دلیل ارزش حرارتی بالا پیشنهاد نمی­گردد).

کامکار در سال 1388 امکان تولید RDF از پسماندهای شهر شیراز را در سه سناریو 1) استفاده 100% از پسماند مواد غذایی، 2) ترکیب مواد غذایی و پلاستیک­ها و 3) ترکیب مواد غذایی، پلاستیک و کاغذ بررسی کرد. سپس با محاسبه ارزش حرارتی RDF تولیدی در هر سه سناریو، تولید RDF از ترکیب مواد غذایی و پلاستیک­ها را بهترین گزینه بیان کرد. با توجه به این نکته که پلاستیک و کاغذ جزء ارزشمند پسماند بوده و قابلیت بازیافت دارند، در مقاله حاضر تنها استفاده از پسماندهای غیرقابل بازیافت پیشنهاد شد. این کار علاوه بر درآمدزایی(حاصل از فروش مواد بازیافتی) باعث کاهش تخریب منابع طبیعی برای تولید مواد پلاستیکی و کاغذ جدید نیز می­شود. هر چند شرایط اقلیمی، موقعیت جغرافیایی، عادت های مردمی و به تبع آن­ها مقدار و کیفیت پسماندهای شهر تهران و شیراز با یکدیگر متفاوت است، در نتیجه بهترین روش مدیریت پسماند نیز در این دو شهر متفاوت خواهد بود. در پژوهشی دیگر که توسط محمدی و همکاران(2012) بر روی پسماندهای شهر ارومیه انجام شد، ترکیب شیمیایی پسماند با روش ASTM  محاسبه و بازیابی انرژی پسماند به وسیله جمع­آوری گاز محل های دفن پیشنهاد شد. از آنجایی که دفن پسماند روش مناسبی برای مدیریت پسماندهای شهری نیست، در مقاله حاضر تولید سوخت پسماند، تنها از دورریزهای پسماند شهر تهران پیشنهاد گردید. با این روش اجازه بازیافت و تولید کود از پسماندهای تر (به عنوان بهترین روش­های مدیریت پسماند) داده شده و در نهایت برای پسماندهای غیرقابل بازیافت، سوختن در کوره­های سیمان(که بهترین شرایط را برای سوزاندن پسماند و مواد آلی دارد) انجام می­شود.

نتایج بررسی دورریزهای پسماند شهر تهران در این مطالعه نشان داد که این دورریزها قابلیت تبدیل شدن به یک سوخت

 

جایگزین استاندارد برای صنایع سیمان را دارد. کاهش مقدار رطوبت این مواد با جداسازی پسماندهای تر از پسماندهای ورودی به تجهیزات پردازش پسماند، می­تواند نقش به­سزایی در افزایش ارزش حرارتی سوخت RDF تولیدی و در نتیجه اقتصادی شدن استفاده از RDF در صنایع سیمان داشته باشد. همچنین اختلاط تایرهای فرسوده با دورریزهای پسماند نیز راهکاری مناسب برای افزایش ارزش حرارتی سوخت­های پسماند است. از سوی دیگر با ذخیره کربن در صنایع سیمان و بخش مدیریت پسماند می توان از کمک-های مالی جهان به عنوان «طرح اعتبار کربن» برای توسعه تجهیزات تولید RDF و تجهیز کارخانه­های سیمان نیز استفاده کرد. در نهایت هرچند استفاده از سوخت پسماند در کوره­های سیمان مزایای متعددی مانند حفظ منابع انرژی تجدیدناپذیر، کاهش تغییرات اقلیمی، کاهش آلودگی آب­های زیرزمینی ناشی از نشت شیرابه­های محل­های دفن پسماند، عدم اشغال زمین­های با ارزش و ذخیره سرمایه دارد اما عملی سازی این طرح نیاز به بررسی دقیق­تر آلودگی­های احتمالی زیست­محیطی و هزینه تولید و مصرف RDF در کوره­های سیمان دارد.

منابع

1-      Kara, M.,Gunay, E.,Tabak, Y.,Yildiz, S., 2009. Perspectives for pilot scale study of RDF in Istanbul.Turkey, Journal of Waste management, vol.29, pp.2976-2982.

2-      سازمان مدیریت پسماند شهرداری تهران.

3-   کامکار،زهرا، 1388، «بررسی امکانپذیری تولید سوخت جایگزین صنایع سیمان با استفاده از قرص­های سوختی تولید شده از پسماندهای شهری(RDF) شهر شیراز. مطالعه موردی صنایع سیمان مجموعه شرکت سیمان فارس و خوزستان»، پایان­نامه کارشناسی ارشد، دانشکده محیط زیست، دانشگاه تهران.

4-      Kara, M., 2012. Environmental and economic advantages associated with the use of RDF in cement kilns. Journal of Resources Conservation and Recycling, vol. 68, pp. 21-28.

5-      حاجی باقری، هدا، 1392، «مقایسه گزینه های بازیابی انرژی از پسماندهای شهری با استفاده از روش ارزیابی چرخه حیات: مطالعه موردی شهر تهران»، پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشکده محیط زیست، دانشگاه تهران.

6-      Kara, M.,Gunay, E.,Tabak, Y.,Yildiz, S.,Enc, Vo., 2008.“The usage of refuse derived fuel from urban solid waste in cement industry as an alternative fuel”, 6th IASME/WSEAS International Conference on heat transfer, thermal engineering and environment, Rhodes, Greece.

7-      Garg, A., Smith, R., Hill, D., Long, H., P.J, P., S.J.T., S., N.J., 2009. An integrated appraisal of energy recovery options in the United Kingdom using solid recovered fuel derived from municipal solid waste. Journal of Waste Management, vol. 29, pp.2289-2297.

8-      Mohammadi, A.,Ebrahimi, A., Amin, M., 2012. Feasibility energy recovery potential of municipal solid waste in Northwest of Iran.Journal of Environmental health engineering, vol.1, pp. 71-74.

9-   اصغری، علیرضا، هراتی، حبیبه، سربازان، محمد، 1392، «بررسی استفاده از پسماندهای محصولات جانبی کارخانه کود آلی(RDF) و تایرهای فرسوده(TDF) بهعنوان سوخت جایگزین در صنعت سیمان(مطالعه موردی: سیمان خوی )»، شانزدهمین همایش ملی بهداشت محیط ایران، تبریز.

10-  کارگزاری بورس آثل، 1393. تحلیل شرکت سیمان تهران-سهامی عام(ستران)، www.aselbroker.com.

11-  International energy agency, 2014. CO2 emissions from fuel combustion (high lights), see information in: www.iea.org.

12-  National climate change office. Iran’s second National communication to UNFCCC.Tehran: Department of environment of Islamic republic of Iran; 2010,P. 50 and 57.

13-  Tchobanoglous, G., Theisen, H., Vigill, S. Integrated solid waste management (Engineering Principles and Management Issues). Singapore: McGraw-Hill; 1993, Chapter4.

14-  Nithikul, J., 2007,“Potential of refuse derived fuel production from Bangkok municipal solid waste”, degree of master of engineering in environmental engineering and management, Chulalongkorn University, Thailand.

15-  Kathiravale, S.,Yunus, M.,Sopian, K., Samsuddin, A.H.,  Rahman, R.A., 2003.Modeling the heating value of Municipal Solid Waste. Journal of Fuel, vol. 82, pp.1119-1125.

16- رضایی، مهدی، ایزدخواست، پژمان، 1387، «طراحی مسیر زباله و خط تولید RDF برای یک نیروگاه زباله­سوز با ظرفیت 1200 تن در روز از زباله شهر تهران»، چهاردهمین همایش ملی مدیریت پسماند، مشهد.

17- رکنی زاده، جلیل، نجاتی، وحید، 1393، «بررسی فنی و اقتصادی ورود سوخت حاصل از زباله و تایر فرسوده در صنایع سیمان ایران»، نشریه انرژی ایران، دوره 17، شماره 1، صفحه 111 تا 128.

18-  بانک مرکزی جمهوری اسلامی ایران، 1393. نرخ تورم در تیر ماه 1393 اعلام شد، www.cbi.ir.

19-  دفتر فنی و برنامه­ریزی سیمان تهران، 1393، گزارش مقایسه واحدهای 4، 6 و 8 از نظر فنی و تولیدی،www.cementevhnology.ir.

20-  طلاقت، علیرضا، 1393. آشنایی با تکنولوژی مدیریت ضایعات در کوره­های سیمان، www.irancement.com.

21-  Thomanetz, E., 2012. Solid recovered fuels in the cement industry with special respect to hazardous waste. Journal of Waste management & research, vol.4, pp.404-412.

 

 

 

 

 

 

 



1- دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی عمران-محیط زیست، دانشگاه خوارزمی، کرج، ایران.

2*- (مسوول مکاتبات): استاد مهندسی عمران-محیط زیست، دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه خوارزمی، کرج، ایران.

[3]- استادیار گروه مهندسی عمران - محیط زیست، دانشکده محیط زیست دانشگاه تهران، تهران، ایران.

1- MSc Student in Civil and Environmental Engineering, Kharazmi University, Karaj, Iran.

2- Professor of Civil and Environmental Engineering, Faculty of Engineering and Engineering, Kharazmi University, Karaj, Iran.* (Corresponding Author)

3- Assistant Professor of Civil Engineering - Environmental Department, Faculty of Environment, University of Tehran, Tehran, Iran.

[7]-Municipal Solid Waste

[8]-Reject

[9]-Refuse Delivered Fuel

[10]-Higher Heating Value

[11]-Lower Heating Value

1-      Kara, M.,Gunay, E.,Tabak, Y.,Yildiz, S., 2009. Perspectives for pilot scale study of RDF in Istanbul.Turkey, Journal of Waste management, vol.29, pp.2976-2982.

2-      سازمان مدیریت پسماند شهرداری تهران.

3-   کامکار،زهرا، 1388، «بررسی امکانپذیری تولید سوخت جایگزین صنایع سیمان با استفاده از قرص­های سوختی تولید شده از پسماندهای شهری(RDF) شهر شیراز. مطالعه موردی صنایع سیمان مجموعه شرکت سیمان فارس و خوزستان»، پایان­نامه کارشناسی ارشد، دانشکده محیط زیست، دانشگاه تهران.

4-      Kara, M., 2012. Environmental and economic advantages associated with the use of RDF in cement kilns. Journal of Resources Conservation and Recycling, vol. 68, pp. 21-28.

5-      حاجی باقری، هدا، 1392، «مقایسه گزینه های بازیابی انرژی از پسماندهای شهری با استفاده از روش ارزیابی چرخه حیات: مطالعه موردی شهر تهران»، پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشکده محیط زیست، دانشگاه تهران.

6-      Kara, M.,Gunay, E.,Tabak, Y.,Yildiz, S.,Enc, Vo., 2008.“The usage of refuse derived fuel from urban solid waste in cement industry as an alternative fuel”, 6th IASME/WSEAS International Conference on heat transfer, thermal engineering and environment, Rhodes, Greece.

7-      Garg, A., Smith, R., Hill, D., Long, H., P.J, P., S.J.T., S., N.J., 2009. An integrated appraisal of energy recovery options in the United Kingdom using solid recovered fuel derived from municipal solid waste. Journal of Waste Management, vol. 29, pp.2289-2297.

8-      Mohammadi, A.,Ebrahimi, A., Amin, M., 2012. Feasibility energy recovery potential of municipal solid waste in Northwest of Iran.Journal of Environmental health engineering, vol.1, pp. 71-74.

9-   اصغری، علیرضا، هراتی، حبیبه، سربازان، محمد، 1392، «بررسی استفاده از پسماندهای محصولات جانبی کارخانه کود آلی(RDF) و تایرهای فرسوده(TDF) بهعنوان سوخت جایگزین در صنعت سیمان(مطالعه موردی: سیمان خوی )»، شانزدهمین همایش ملی بهداشت محیط ایران، تبریز.

10-  کارگزاری بورس آثل، 1393. تحلیل شرکت سیمان تهران-سهامی عام(ستران)، www.aselbroker.com.

11-  International energy agency, 2014. CO2 emissions from fuel combustion (high lights), see information in: www.iea.org.

12-  National climate change office. Iran’s second National communication to UNFCCC.Tehran: Department of environment of Islamic republic of Iran; 2010,P. 50 and 57.

13-  Tchobanoglous, G., Theisen, H., Vigill, S. Integrated solid waste management (Engineering Principles and Management Issues). Singapore: McGraw-Hill; 1993, Chapter4.

14-  Nithikul, J., 2007,“Potential of refuse derived fuel production from Bangkok municipal solid waste”, degree of master of engineering in environmental engineering and management, Chulalongkorn University, Thailand.

15-  Kathiravale, S.,Yunus, M.,Sopian, K., Samsuddin, A.H.,  Rahman, R.A., 2003.Modeling the heating value of Municipal Solid Waste. Journal of Fuel, vol. 82, pp.1119-1125.

16- رضایی، مهدی، ایزدخواست، پژمان، 1387، «طراحی مسیر زباله و خط تولید RDF برای یک نیروگاه زباله­سوز با ظرفیت 1200 تن در روز از زباله شهر تهران»، چهاردهمین همایش ملی مدیریت پسماند، مشهد.

17- رکنی زاده، جلیل، نجاتی، وحید، 1393، «بررسی فنی و اقتصادی ورود سوخت حاصل از زباله و تایر فرسوده در صنایع سیمان ایران»، نشریه انرژی ایران، دوره 17، شماره 1، صفحه 111 تا 128.

18-  بانک مرکزی جمهوری اسلامی ایران، 1393. نرخ تورم در تیر ماه 1393 اعلام شد، www.cbi.ir.

19-  دفتر فنی و برنامه­ریزی سیمان تهران، 1393، گزارش مقایسه واحدهای 4، 6 و 8 از نظر فنی و تولیدی،www.cementevhnology.ir.

20-  طلاقت، علیرضا، 1393. آشنایی با تکنولوژی مدیریت ضایعات در کوره­های سیمان، www.irancement.com.

21-  Thomanetz, E., 2012. Solid recovered fuels in the cement industry with special respect to hazardous waste. Journal of Waste management & research, vol.4, pp.404-412.