دانلود مقاله تبدیل زباله جامد شهری به سوخت های مایع برای حمل و نقل

چکیده
     چارچوب مدیریت زنجیره تامین مبتنی بر بهینه سازی برای فرایندهای تبدیل زباله جامد شهری (MSW) به سوخت های مایع جهت حمل و نقل (WTL) ارائه شده است. ابتدا، تحلیلی کامل از عملیات دفن زباله، و مقادیر سالیانه MSW در سراسر ایالات متحده انجام شده و با مطالعات مشابه کامل شده است. یک چارچوب کمی زنجیره تامین که به طور همزمان عملیات زنجیره ارزش WTL بالادست و پایین دست را محاسبه می کند پس از آن ارائه شده است. مدل بهینه سازی خطی در مقیاس بزرگ که تعامل میان موجودی مواد اولیه MSW و مکان ها، مکان های پالایش WTL، و مکان های تحویل محصول و ظرفیت های تقاضا را بیان می کند، توصیف شده است. مدل برای زنجیره تامین WTL در سراسر کشور و همچنین سراسر ایالت در مطالعات موردی متعدد حل شده است. نتایج چارچوب دیدگاه های استراتژیکی را در رابطه با قرارگیری استراتژیک پالایشگاه های WTL در ایالات متحده را ارائه کرده و همچنین اطلاعات توپولوژیکی مربوط به جریان مواد اولیه و محصولات را بیان می کند. نتایج نشان می دهند که زنجیزه تامین WTL در مقیاس بزرگ می تواند رقابتی بوده و حتی قیمت های نفت بین 64 تا 77 دلار برای هر بشکه را بشکند.       

1. مقدمه
     توسعه فرایندهای پایدارتر انرژی در دهه های اخیر توجه زیادی را به دست آورده است. این توجه ناشی از نگرانی های مربوط به تاثیرات زیست محیطی استفاده از سوخت های فسیلی است. در ایالات متحده، تمایل اضافی در رابطه با توسعه فرایندهای انرژی با استفاده از منابع انرژی در دسترس داخلی رشد پیدا کرده است. عدم اطمینان در رابطه با قیمت نفت خام در آینده و همچنین فشارهای وارد شده به ایالات متحده برای کاهش واردات نفت خام به این موضوع دامن زده است. این تحولات منجر به تمایل جهت استفاده از ابزارها و اجزای مهندسی سیستم های چند مقیاسی شده اند که مدلسازی، طراحی، سنتز، شبیه سازی و بهینه سازی را به سوی پیشرفت هایی در زمینه فرایندهای انرژی پایدار شامل می شوند [1]. بررسی ها در رابطه با پیشرفت ها در زمینه تولید سوخت های مایع برای حمل و نقل از طریق منابع انرژی ترکیبی و بهینه سازی زنجیره تامین چنین فرایندهایی به ترتیب در منابع [2] و [3] ارائه شده اند، مقاله [4] به مزایای سیستم های زیست توده و سوخت های فسیلی اشاره می کند. اگرچه واردات خالص ایالات متحده طی چند سال گذشته به صورت قابل توجهی کاهش یافته [5]، اما ایالات متحده هنوز هم وارد کننده خالص تقریباً 4.8 میلیون بشکه از فراوردهای نفتی در روز است. زباله های جامد شهری به عنوان یک ماده اولیه بالقوه برای کاهش چالش های فوق الذکر ظاهر شده اند، زیرا به عنوان یک منبع انرژی تا حدودی تجدیدپذیر [6] به مقادیر قابل توجهی در ایالات متحده در دسترس هستند [7و8]، و به دلیل هزینه دریافتی ناشی از رسیدگی به آن دارای هزینه منفی هستند [10 و 9].      
     به منظور دستیابی به مزایای فوق در زمینه استفاده از زباله جامد شهری، فرایندهای انرژی مبتنی بر MSW باید در مقیاس راکتورها، کارخانه ها و شبکه به منظور اطمینان از مدیریت کارآمد کارخانه های عملیاتی WTL بالادست و پایین دست مورد مطالعه قرار گیرند. در سال های اخیر، یک مدل گاززدای MSW استوکیومتری ارزشمند [11] را ارائه کردیم، که به صورت دقیق با استفاده از روش تخمین پارامتر غیرخطی، پساب تبدیل به گاز  را دریافت می کند. مدل تبدیل به گاز عمومی با استفاده از 39 مجموعه داده تجربی با خطای متوسطی به اندازه 8.75 درصد [11] حاصل شد. همچنین به مطالعه سوخت های مایع برای حمل و نقل حاصل از زباله های جامد شهری، با استفاده از یک ساختار سنتز فرایند مبتنی بر بهینه سازی کلی پرداختیم [12] که مدل ریاضی عمومی برای تبدیل به گاز MSW را اتخاذ می کند. اخیراً، ساختاری جامع مبتنی بر روش تولید پایدار سوخت های مایع برای حمل و نقل، الفین ها و مواد معطر از MSW را پیشنهاد کردیم [13]. در این مقاله، نتایج حاصل در مقیاس کارخانه برای سیستم های WTL به منظور محاسبه دقیق برای کل زنجیره ارزش تبدیل زباله به مایعات با استفاده از چارچوب زنجیره تامین مبتنی بر بهینه سازی را اتخاذ کردیم.  

 
14. نتیجه گیری
     یک چارچوب زنجیره تأمین بهینه سازی شده برای مدیریت کارآمد تبدیل زباله به سیستم های مایع در ایالات متحده پیشنهاد و حل شده است. این چارچوب شامل پالایشگاه های WTL بهینه شده و در کل زنجیره ارزش WTL  است که ادغام می شود تا موقعیت استراتژیک پالایشگاه های WTL را با کمترین هزینه به دست آورد. داده های ورودی و خروجی عملیاتی و استاتیک پالایشگاه ها همراه با مکان های دفن زباله های MSW ، مکان های مقصد نهایی برای محصولات ، مکان های پالایشگاه انتخابی و منابع آب در نظر گرفته شده اند. مبادلات اقتصادی و عملیاتی زنجیره های تأمین WTL در سطح و سراسر کشور مورد بررسی قرار گرفته اند. مدل بهینه سازی ریاضی نیز برای تعیین 5 مکان اقتصادی برتر جهت ساخت پالایشگاه WTL  اتخاذ شده است.    
     دو مجموعه مطالعات موردی سراسر کشور مورد بررسی قرار گرفته اند. مجموعه اول که حداقل مقدار دیزل را برای تولید تحمیل می کند ، دارای BEOP هایی است که بین 64 دلار - 77 دلار در هر بشکه است. مجموعه دوم ، که فقط امکان پالایشگاه های WTL بدون محدودیت را به وجود می آورد ، دارای BEOP های بین 63.22 دلار در هر بشکه و 74.48 دلار در هر بشکه است. زنجیره تأمین کالا در ایالت تگزاس دارای حداقل 56/66 دلار در هر بشکه است. برای مطالعات موردی در مورد رتبه بندی موقعیت مکانی در سراسر کشور ، مدیسون کانتی ، IL به طور مداوم مکان برتر برای ساخت پالایشگاه WTL در کارخانه ها با تمامی ظرفیت ها بود. نتایج بهینه نشان می دهند که ساختن یک سیستم در مقیاس بزرگ از پالایشگاه های WTL که kBD500 سوخت های حمل و نقل مایع تولید می کنند، هیچ گونه محدودیت لجستیکی با توجه به در دسترس بودن MSW نداشته و می تواند میزان MSW دفن شده به میزانی بیش از 107 MM تن متریک در سال کاهش دهد.  

Abstract

     An optimization-based supply chain management framework for municipal solid waste (MSW) to liquid transportation fuels (WTL) processes is presented. First, a thorough analysis of landfill operations and annual amounts of MSW that are deposited across the contiguous United States is conducted and compared with similar studies. A quantitative supply chain framework that simultaneously accounts for the upstream and downstream WTL value chain operations is then presented. A large-scale mixed-integer linear optimization model that captures the interactions among MSW feedstock availabilities and locations, WTL refinery locations, and product delivery locations and demand capacities is described. The model is solved for both the nationwide and statewide WTL supply chains across numerous case studies. The results of the framework yield insights into the strategic placement of WTL refineries in the United States as well as topological information on the feedstock and product flows. The results suggest that large-scale WTL supply chains can be competitive, with breakeven oil prices ranging between $64–$77 per barrel.

1 Introduction

     The development of more sustainable energy processes has received significant attention in recent decades. This attention originates from concerns regarding the environmental impacts of fossilfuel use. In the United States, additional interest surrounding the development of energy processes utilizing domestically available energy sources has grown. This interest has been fueled by uncertainty over the future price of crude oil as well as pressure placed on the United States to reduce petroleum imports. These developments have sparked interest in applying multi-scale systems engineering tools and components, which include modeling, design, synthesis, simulation, and optimization,[1] toward the development of sustainable energy processes. Reviews on the progress of liquid transportation fuels production from hybrid energy sources and the supply chain optimization of such processes is given in [2] and [3], respectively; a current opinion article[4] highlights the benefits of biomass and fossil fuel systems. Although U.S. net imports have significantly decreased over the past few years[5], the U.S. is still a net importer of approximately 4.8 million barrels per day of petroleum products. Municipal solid waste has emerged as a potential feedstock to mitigate the aforementioned challenges because it is considered a partially renewable energy resource[6], is available in significant quantities in the United States[7, 8], and has a negative cost due to the tipping fee received from handling it[9, 10].

     To gain the aforementioned benefits of using municipal solid waste, MSW-based energy processes must be studied at the reactor scale, plant scale, and network scale to ensure efficient management of upstream and downstream WTL plant operations. In recent years, we have proposed a novel stoichiometric MSW gasification model[11] that accurately captures gasifier effluents using a nonlinear parameter estimation approach. The generic gasifier model was obtained using 39 experimental data sets with an average error of 8.75% [11]. We have also studied the production of liquid transportation fuels from municipal solid waste using a global optimization-based process synthesis superstructure (see [12]) that incorporated the generic mathematical model for MSW gasification. Most recently, we have proposed a comprehensive superstructure-based approach toward the sustainable production of liquid transportation fuels, olefins, and aromatics from MSW (see [13]). In this paper, we incorporate the results obtained at the plant scale for WTL systems to accurately account for the entire waste-to-liquids value chain using an optimization-based supply chain framework.

14 Conclusions

     An optimization-based supply chain framework is proposed and solved for the efficient management of waste to liquid systems in the United States. The framework incorporates optimized WTL refineries and integrates across the entire WTL value chain to yield the strategic placement of WTL refineries at the lowest cost. The operational and static input and output data of the refineries, together with locations of MSW landfills, locations of end destinations for the products, candidate refinery locations, and water resources are considered. The economic and operational tradeoffs for nationwide and statewide WTL supply chains are investigated. The mathematical optimization model is also adapted to determine the top 5 most economical locations to build WTL refineries.

     Two sets of nationwide case studies are investigated. The first set, which imposes a minimum amount of diesel to be produced, has BEOPs that range between $64 - $77/bbl. The second set, which only allows unrestricted WTL refineries to exist, has BEOPs ranging between $63.22/bbl to $74.48/bbl. The Texas statewide supply chain has a BEOP of $66.26/bbl. For the nationwide location ranking case studies, Madison County, IL was consistently the top location to build a WTL refinery across all plant capacities investigated. The optimal results indicate that building a large-scale system of WTL refineries that produces 500 kBD of liquid transportation fuels poses no logistical constraints with regards to MSW availability and can reduce the amount of MSW landfilled by over 107 MM metric tons per year.

(جهت بزرگ نمایی روی عکس کلیک نمایید)

چکیده
1. مقدمه
2. بررسی سوابق پژوهشی
3. پالایشگاه های WTL
4. میزان دسترسی به مواد اولیه MSW
4.1 تحلیل ارقام MSW در ایالات متحده
5. منابع آب
6. مکان های پالایشگاه WTL انتخابی
7. مکان های تحویل رد شده MSW 
8. محل های تحویل سوخت های مایع
9. هزینه های حمل و نقل
10. مدل بهینه سازی زنجیره تامین انرژی MSW
10.1. روش های بهینه سازی جایگزین 
11. آمارهای مدل بهینه سازی زنجیره تامین انرژی
12. مطالعه موردی بهینه سازی زنجیره تامین WTL در سراسر کشور
12.1 زنجیره تامین WTL محدود شده
12.2 زنجیره تامین WTL محدود نشده
12.3 رتبه بندی موقعیت مکانی WTL در سراسر کشور
13. مطالعات موردی بهینه سازی زنجیره تامین WTL در سراسر کشور
14. نتیجه گیری
منابع

Abstract
1 Introduction
2 Literature Review
3 WTL Refineries
4 MSW Feedstock Availability
4.1 Analysis of MSW Figures in the United States
5 Water Resources
6 Candidate WTL Refinery Locations
7 MSW Rejects Delivery Locations
8 Liquid Fuels Delivery Locations
9 Transportation Costs
10 MSW Energy Supply Chain Optimization Model
10.1 Alternate optimal solutions
11 Energy Supply Chain Optimization Model Statistics
12 Nationwide WTL Supply Chain Optimization Case Studies
12.1 Restricted WTL Supply Chains
12.2 Unrestricted WTL Supply Chains
12.3 Nationwide WTL Location Ranking
13 Statewide WTL Supply Chain Optimization Case Studies
14 Conclusions
References