Please use this identifier to cite or link to this item: https://apothesis.eap.gr/handle/repo/34597
Title: Συγκριτική αξιολόγηση των διεργασιών αναερόβιας χώνευσης, καύσης και αεριοποίησης, για ανάκτηση ενέργειας από βιοστερεά
Authors: Αθανάσιος Παπανικολάου
Advisor: Πέτρος Γκίκας
Issue Date: 2017
Abstract: Βιοστερεά είναι το υγρό, ημιστερεό, ή υγρό υπόλειμμα που προκύπτει από την πρωτοβάθμια (πρωτοβάθμια ιλύς) και δευτεροβάθμια επεξεργασία (δευτεροβάθμια ιλύς, ή βιολογική ιλύς, ή ενεργός ιλύς) των αστικών λυμάτων, όταν αυτά υφίστανται και δευτεροβάθμια επεξεργασία και είναι γνωστά και ως ιλύς ή αστική ιλύς. Η παραγωγή των βιοστερεών αυξάνεται διαρκώς και το έτος 2020 η παραγωγή της ιλύος αναμένεται να φτάσει στην Ευρωπαϊκή Ένωση τα 13 εκατομμύρια τόνους. Η διαχείριση και η ασφαλής διάθεσή τους απασχολεί πολύ τα τελευταία χρόνια. Στην παρούσα εργασία γίνεται συγκριτική αξιολόγηση των διεργασιών της αναερόβιας χώνευσης, της καύσης και της αεριοποίησης, για ανάκτηση ενέργειας από τα βιοστερεά. Τα βιοστερεά είναι πλούσια σε οργανικό υλικό, και μετά την μηχανική αφυδάτωσή τους έχουν ποσοστό υγρασίας 80%. Η θερμογόνος δύναμη των βιοστερεών σε ξηρή βάση είναι 17,5 MJ/kg. Σε όλες τις διεργασίες επιλέχθηκε ως συντελεστής μετατροπής της θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική ο 0,4. Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται υπολογίστηκε σε kWh/ton βιοστερεών σε υγρή βάση (υγρασία 80%) και αυτή είναι η διαφορά από άλλες εργασίες, στις περισσότερες από τις οποίες τα αποτελέσματα δίνονται σε ξηρή βάση, γεγονός που κάνει δύσκολη την σύγκριση διεργασιών με διαφορετικές απαιτήσεις σε υγρασία της πρώτης ύλης, ενώ γίνεται πιο κατανοητή η ενεργειακή απόδοση της αρχικής μας ύλης. Η αναερόβια χώνευση είναι μία πολύπλοκη βιολογική διεργασία κατά την οποία οργανικό υλικό αποσυντίθεται σε υγρή ατμόσφαιρα κάτω από ανοξικές και αναερόβιες συνθήκες με την παρουσία φυσικών μικροοργανισμών, των βακτηρίων. Κατά την αναερόβια χώνευση των βιοστερεών παράγεται βιοαέριο όγκου 0,036 Nm3/kg βιοστερεών και επιπλέον επιτυγχάνεται μείωση του όγκου των τελικών προς διάθεση στερεών και καταστροφή των περισσότερων παθογόνων που υπάρχουν στην ιλύς. Το βιοαέριο έχει θερμογόνο δύναμη 23 ΜJ/Νm3. Το βιοαέριο επιλέγεται να καεί σε αεριοστρόβιλο με ηλεκτρική απόδοση 40% και θερμική απόδοση 40%. Σε μία μονάδα ΣΗΘ, που είναι και περισσότερο αποδοτική ενεργειακά, μπορούμε να έχουμε καθαρή παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας 82 kWhe/ton βιοστερεών. Η καύση είναι η πλήρης οξείδωση σε υψηλή θερμοκρασία των οργανικών ενώσεων των βιοστερεών, συμπεριλαμβανομένων των τοξικών οργανικών ενώσεων. Λαμβάνει χώρα σε θερμοκρασίες από 800 έως 1450 °C. Η παροχή του οξυγόνου είναι υπερστοιχειομετρική για να επιτευχθεί η πλήρης καύση. Τα καυσαέρια που παράγονται, περιέχουν το μεγαλύτερο μέρος της διαθέσιμης ενέργειας στα βιοστερεά με την μορφή θερμότητας. Με την καύση η συνολική μείωση του όγκου των βιοστερεών είναι το λιγότερο 90%, ενώ η καταστροφή των παθογόνων είναι πλήρης. Μεγάλο μέρος της θερμότητας καταναλώνεται στην εξάτμιση της περιεχόμενης υγρασίας στα βιοστερεά. Επιλέχθηκε η καύση των βιοστερεών να γίνεται σε καυστήρα ρευστοποιημένης κλίνης με απόδοση 90%. Ο ατμός που παράγεται οδηγείται σε έναν ατμοστρόβιλο με απόδοση 35%. Στην περίπτωση της συμπαραγωγής ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας, η ηλεκτρική απόδοση είναι 15%, η θερμική 75% και η συνολική 90%. Επειδή τα βιοστερεά περιέχουν υγρασία σε υψηλό ποσοστό, απαιτείται πολύ μεγάλο ποσό ενέργειας για την εξάτμιση της υγρασίας και έτσι για την διεργασία της καύσης απαιτείται η εισροή ενέργειας στο σύστημα, καθόσον η ενέργεια που απαιτείται είναι μεγαλύτερη από την ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται. Σε μία μονάδα ΣΗΘ απαιτείται να προσφέρουμε ενέργεια 907 kWhe/ton βιοστερεών. Η αεριοποίηση είναι μία διεργασία κατά την οποία τα βιοστερεά θερμαίνονται με ένα οξειδωτικό (παράγοντας αεριοποίησης) και παράγεται το αέριο σύνθεσης. Η αεριοποίηση είναι μία καθαρά χημική αναγωγική διαδικασία και περιλαμβάνει την μερική οξείδωση του καύσιμου υλικού και εν συνεχεία υδρογόνωση (αναγωγή). Δεν υπάρχουν εκπομπές τοξικών αερίων όπως στην καύση και έχουμε επίσης, πολύ μεγάλη μείωση του όγκου των βιοστερεών. Η αεριοποίηση μπορεί να γίνει σε αεριοποιητή ρευστοποιημένης κλίνης στον οποίο το επιθυμητό ποσοστό υγρασίας των βιοστερεών είναι 15%. Ο παράγοντας αεριοποίησης για λόγους οικονομικούς είναι ο αέρας. Η απόδοση της διεργασίας είναι 2,8 Νm3 syngas/kg υλικού τροφοδοσίας. Η θερμογόνος δύναμη του αερίου σύνθεσης είναι 5 MJ/Nm3. Η καύση του αερίου σύνθεσης γίνεται σε μηχανή αερίου με ηλεκτρική απόδοση 40% και θερμική απόδοση 50%. Σε μία μονάδα ΣΗΘ, μπορούμε να έχουμε καθαρή παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας 109,7 kWhe/ton βιοστερεών, περισσότερη από τις δύο άλλες διεργασίες. Από ενεργειακή άποψη το υψηλότερο ποσό της καθαρής ηλεκτρικής ενέργειας το παίρνουμε με την αεριοποίηση των βιοστερεών σε μονάδα ΣΗΘ και ακολουθεί η αναερόβια χώνευση. Στην διεργασία της καύσης απαιτείται να προστεθεί εξωτερική ενέργεια. Η πρόταση είναι να αξιοποιηθούν ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (π.χ. ηλιακή, αιολική κ.ά.) προκειμένου να επιτευχθεί η ξήρανση των βιοστερεών και εν συνεχεία η εφαρμογή μίας θερμικής μεθόδου επεξεργασίας τους, λόγω της μεγαλύτερης μείωσης του αρχικού όγκου τους σε σχέση με την αναερόβια χώνευση. Μεταξύ των δύο θερμικών μεθόδων προτείνεται η χρησιμοποίηση της αεριοποίησης.
Appears in Collections:ΔΙΑ Διπλωματικές Εργασίες

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
PAPANIKOLAOU_DIADE 1.pdf3.83 MBUnknownView/Open


This item is protected by original copyright



Items in Apothesis are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.