Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα (ΤΕΙ) Καβάλας
Τμήμα Τεχνολογίας Πετρελαίου
& Φυσικού αερίου
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ
ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΟΡΓΑΝΙΚΑ ΑΠΟΡΡΙΜΜΑΤΑ ΚΑΙ ΒΙΟΜΑΖΑ, ΜΕ ΚΑΥΣΗ ΒΙΟΑΕΡΙΟΥ Η’ ΒΙΟΜΑΖΑΣ
ΡΟΜΠΟΛΑΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ ΑΕΜ; 2394
Διδάσκων : Μαρμανης Δημητριος
ΚΑΒΑΛΑ 2008
Τα τελευταία χρόνια, η σημειούμενη διαρκής αύξηση των τιμών των στερεών συμβατικών καυσίμων σε συνδυασμό με την κλιμάκωση των εττιπτώσεων, ττου έχει σε ότι αφορά το περιβάλλον (εικ. 1 & 2), η χρήση τους, οδήγησε την διεθνή επιστημονική, πολιτική και οικονομική κοινότητα στην λήψη αποφάσεων που δηλώνουν με σαφήνεια τις νέες κατευθύνσεις που θα πρέπει να ακολουθηθούν, προκειμένου η βάση της συνέχισης της ανάπτυξης και διατήρησης της ευημερίας της κοινωνίας, να μην κλονιστεί αλλά συγχρόνως να γίνει και περιβαλλοντικά φιλικότερη.
Worldwide Energy Use (Q u a d rillio r B tu)
Year 1970 1990 2010 2030 2050
Εικόνα 1 : Παγκόσμια ενεργειακή ζήτηση
Ένα από τα μέτρα που συμβάλλουν προς αυτή την κατεύθυνση είναι η χρήση Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) στο ενεργειακό δυναμικό των χωρών, η διείσδυση των οποίων κρίνεται επιβεβλημένη από πολλούς παράγοντες. Μια από τις μορφές ΑΠΕ αποτελεί και η ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας, η οποία βρίσκεται σε αφθονία στις σημερινές κοινωνίες και πολλές φορές απορρίπτεται ανεκμετάλλευτη στο περιβάλλον. Η ενεργειακή
αυτονομία και η αποκεντροποίηση της ενεργειακής παραγωγής, είναι επίσης στοιχεία που κάνουν ελκυστική την πρσώθηση της εκμετάλλευσης του ενεργειακού περιεχομένου της βιομάζας σε συνδυασμό με την γεωργοκτηνοτροφική παραγωγή της χώρας μας.
Εικόνα 2: Παραγωγή C 0 2 στην ατμόσφαιρα στην πάροδο τ(
Σκοπός της παρούσας εργασίας αποτελεί η βιβλιογραφική επισκόπηση τεχνολογιών παραγωγής ενέργειας από οργανικά απορρίμματα και βιομάζα, με καύση βιοαερίου ή βιομάζας.
2. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ
Ο όρος βιομάζα, ή βιόμαζα, δεν είναι ακριβής χημικός όρος.
Χρησιμοποιείται συνήθως για να υποδηλώσει τις εξής κατηγορίες υλικών ;
1. Υποπροϊόντα και κατάλοιπα φυτικής, ζωικής, δασικής και αλιευτικής παραγωγής (άχυρα, φύλλα, στελέχη, κοπριά, θάμνοι, καρποί). Μια ακόμη μορφή βιομάζας που μελετάται είναι τα φύκια, τα οποία επειδή δεν υπάρχει η ανάγκη του ποτίσματος εμφανίζουν ένα ενεργειακό δυναμικό μεγαλύτερο από εκείνα των φυτών εδάφους.
2. Παραπροϊόντα της βιομηχανικής επεξεργασίας των προϊόντων αυτών (φλούδες, πυρήνες, πίπες, απόβλητα σφαγείων, απόβλητα χαρτοποιίας, απόβλητα βιομηχανίας επεξεργασίας ξύλου).
3. Αστικά απόβλητα, στερεά (σκουπίδια) και υγρά (λύματα).
Προϊόντα φυσικών δασών και ειδικών φυτειών δασικού ή γεωργικού τύπου με στόχο την παραγωγή ενέργειας (ενεργειακές φυτείες).
Πρόκειται δηλαδή για υλικά φυτικής ή ζωικής προέλευσης που αντιμετωπίζονται σαν ενεργειακοί πόροι. Η βιομάζα σχηματίζεται από τη φωτοσυνθετική μετατροπή της ηλιακής ενέργειας και αφθονεί στον πλανήτη μας. Η βιομάζα που παράγεται κάθε χρόνο υπολογίζεται σε 1,72-10 t ξηρής ύλης με ενεργειακό περιεχόμενο 1,4-10 Τ.Ι.Π. (τόνους ισοδύναμου πετρελαίου). Η ενέργεια αυτή είναι δεκαπλάσια από την ενέργεια που καταναλώνεται σε ολόκληρο τον κόσμο και είναι ίση με τα γνωστά αποθέματα ορυκτών καύσιμων. Το τεράστιο αυτό ενεργειακό δυναμικό παραμένει κατά το μεγαλύτερο μέρος ανεκμετάλλευτο.
Βασικό πλεονέκτημα της βιομάζας είναι ότι είναι ανανεώσιμη πηγή ενέργειας και ότι παρέχει ενέργεια αποθηκευμένη με χημική μορφή. Η αξιοποίηση της μπορεί να γίνει με μετατροπή της σε μεγάλη ποικιλία προϊόντων, με διάφορες μεθόδους και τη χρήση σχετικά απλής τεχνολογίας. Σαν πλεονέκτημά της
καταγράφεται και το ότι κατά την παραγωγή και την μετατροπή της δεν δημιουργούνται οικολογικά και περιβαλλοντικά προβλήματα. Από την άλλη, σαν μορφή ενέργειας η βιομάζα χαρακτηρίζεται από πολυμορφία, χαμηλό
ενεργειακό περιεχόμενο, σε σύγκριση με τα ορυκτά καύσιμα, λόγω χαμηλής πυκνότητας και/ή υψηλής περιεκτικότητας σε νερό, εποχικότητα, μεγάλη διασπορά, κλπ.
Τα χαρακτηριστικά αυτά συνεπάγονται πρόσθετες, σε σχέση με τα ορυκτά καύσιμα, δυσκολίες στη συλλογή, μεταφορά και αποθήκευσή της. Σαν συνέπεια το κόστος μετατροπής της σε πιο εύχρηστες μορφές ενέργειας παραμένει υψηλό.
Π η γές βιοκαυσίμων
Γεωργικά/δοσικα υπολείμματα Υπολείμματα γεωργικών βιομηχανιών
Εικόνα 4: Διάφορες πηγές βιομάζας
Αναλυτικά τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της ενεργειακής αξιοποίησης της βιομάζας έχουν ως εξής:
Πλεονεκτήματα:
1. Η καύση της βιομάζας έχει μηδενικό ισοζύγιο διοξειδίου του άνθρακα (CO2) δεν συνεισφέρει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου -επειδή οι ποσότητες του διοξειδίου του άνθρακα (CO2) που απελευθερώνονται κατά την καύση της βιομάζας δεσμεύονται πάλι από τα φυτά για τη δημιουργία της βιομάζας.
2. Η μηδαμινή ύπαρξη του θείου στη βιομάζα συμβάλλει σημαντικά στον περιορισμό των εκπομπών του διοξειδίου του θείου (SO2) που είναι υπεύθυνο για την όξινη βροχή.
3. Εφόσον η βιομάζα είναι εγχώρια πηγή ενέργειας, η αξιοποίησή της σε ενέργεια συμβάλλει σημαντικά στη μείωση της εξάρτησης από εισαγόμενα καύσιμα και βελτίωση του εμπορικού ισοζυγίου, στην εξασφάλιση του ενεργειακού εφοδιασμού και στην εξοικονόμηση του συναλλάγματος.
4, Η ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας σε μια περιοχή, αυξάνει την απασχόληση στις αγροτικές περιοχές με τη χρήση εναλλακτικών καλλιεργειών (διάφορα είδη ελαιοκράμβης, σόργο, καλάμι, κενάφ) τη δημιουργία εναλλακτικών αγορών για τις παραδοσιακές καλλιέργειες (ηλίανθος κ.ά.), και τη συγκράτηση του πληθυσμού στις εστίες τους, συμβάλλοντας έτσι στη κοινωνικο-οικονομική ανάπτυξη της περιοχής. Μελέτες έχουν δείξει ότι η παραγωγή υγρών βιοκαυσίμων έχει θετικά αποτελέσματα στον τομέα της απασχόλησης τόσο στον αγροτικό όσο και στο βιομηχανικό χώρο.
Μειονεκτήματα:
1. Ο αυξημένος όγκος και η μεγάλη περιεκτικότητα σε υγρασία, σε σχέση με τα ορυκτά καύσιμα δυσχεραίνουν την ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας.
2. Η μεγάλη διασπορά και η εποχιακή παραγωγή της βιομάζας δυσκολεύουν την συνεχή τροφοδοσία με πρώτη ύλη των μονάδων ενεργειακής αξιοποίησης της βιομάζας.
3. Βάση των παραπάνω παρουσιάζονται δυσκολίες κατά τη συλλογή, μεταφορά, και αποθήκευση της βιομάζας που αυξάνουν το κόστος της ενεργειακής αξιοποίησης.
4. Οι σύγχρονες και βελτιωμένες τεχνολογίες μετατροπής της βιομάζας απαιτούν υψηλό κόστος εξοπλισμού, συγκρινόμενες με αυτό των συμβατικών καυσίμων.
3. ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ
Η βιομάζα μπορεί να αξιοποιηθεί για την κάλυψη ενεργειακών αναγκών (παραγωγή θερμότητας, ψύξης, ηλεκτρισμού κ.λ.π.) είτε με απ’ ευθείας καύση, είτε με μετατροπή της σε αέρια, υγρά ή/και στερεά καύσιμα μέσω θερμοχημικών ή βιοχημικών διεργασιών.
. ΑΕΡΙΟΠΟΙΗΣΗ Α^ρος
Προετοιμάσω Βιομάζα Αεροηοητής Αέρια Καθορισμός
καυσίμου ^ αερίου αν
anotrcirat
nfXJCTOipcKjio Βιομάζα χουοίμοα
Καύση
Tc^
Λχβητος
► ίκμηχανή εοωτεριχής χούοης, οερίοστρσβιλο ήχπΛτήρα
τ τ ·
HXtxifsiiui ενεργειο χαΐλί θερμότητα
Ατμός Μη)(σνήι(
ατμοστρόβιλος
θ€ρμοτητο
Προειοιμασίο Βιομάζα Πυρόλυση ξυλτνθροχος καυσίμου — ^ 1*!“ ·:--- ► οναηαιτεΐται |
4 >
Ηλεκτρική ενέργεια και/ή θερμότητα
Πιθανή I Φ αποθήκευση/ I μεταφορά | { Στερεό ίΐηόλαυμο |ξυλήν8ροιης/ιέφρο||^
Καύση
Καυσαέρια εαατερικής καύσης J^KOUOTj^^
Ηλεκτρική ενέργεια καιλί θερμότητα
Εικόνα 5 : Μέθοδοι ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας (θερμοχημικές διεργασίες)
Οι μέθοδοι μετατροπής διακρίνονται σε θερμοχημικές (ξηρές) και βιοχημικές (υγρές). Η επιλογή της μεθόδου μετατροπής προσδιορίζεται από τα βασικά στοιχεία, που είναι η σχέση άνθρακα-αζώτου (C/N) και η περιεχόμενη υγρασία των υπολειμμάτων την ώρα της συλλογής.
Οι θερμοχημικές διεργασίες χρησιμοποιούνται για τα είδη της βιομάζας με σχέση C/N>30 και υγρασία < 50%, δηλαδή για τα προϊόντα και τα υπολείμματα της κυτταρίνης. Στις διεργασίες αυτές περιλαμβάνονται:
α) Η πυρόλυση (ενδόθερμη διαδικασία, κατά την οποία τα σώματα θερμαίνονται, απουσία οξυγόνου, σε ψηλές θερμοκρασίες, που κυμαίνονται από 500-1100°Ο, με αποτέλεσμα τη διάσπασή τους σε διάφορα συστατικά).
Βρίσκεται ακόμη σε ερευνητικό επίπεδο.
β) Η απευθείας καύση. Είναι η πιο ανεπτυγμένη και διαδεδομένη τεχνολογία για ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας τόσο στον Ελληνικό χώρο όσο και διεθνώς. Η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει χρηματοδοτήσει σημαντικό αριθμό προγραμμάτων που έχουν σχέση με τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας λεβήτων καύσης βιομάζας ή με τη μικτή καύση σε μεγάλες ηλεκτροπαραγωγικές μονάδες.
γ) Η αεριοποίηση (θέρμανση παρουσία περιορισμένων ποσοτήτων οξυγόνου ή αέρα με σκοπό την μέγιστη απελευθέρωση CO και Η2). Βρίσκεται κυρίως σε ερευνητικό επίπεδο, με κάποιες παραγωγικές εφαρμογές να κάνουν σταδιακά την εμφάνισή τους. Παράγονται αέρια χαμηλής και μέσης θερμογόνου δύναμης.
δ) Η διεργασία της ανθρακοποίησης στοχεύει στην δημιουργία ξυλάνθρακα μέσω του εμπλουτισμού του προϊόντος σε άνθρακα και την απομάκρυνση των υπόλοιπων υγρών και στερεών συστατικών του. Με τον τρόπο αυτό αυξάνεται η θερμαντική αξία και η καύση γίνεται καθαρότερη. Η απαιτούμενη θερμοκρασία είναι 300-600 C και η διάρκεια εξαρτάται από την υγρασία και το είδος του ξύλου. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι η θερμαντική αξία κυμαίνεται μεταξύ 5500-8000 kcal/kg, για 60-80% περιεκτικότητα σε άνθρακα, ε) Η υδρογονοδιάσπαση (αντίδραση Η2 με τη βιομάζα προς παραγωγή μεθανίου και αιθανίου).
Οι βιοχημικές διεργασίες ονομάζονται έτσι επειδή είναι αποτέλεσμα μικροβιακής δράσης. Χρησιμοποιούνται για είδη της βιομάζας με σχέση
C/N<30 και υγρασία >50%, δηλαδή για προϊόντα και υπολείμματα κυρίως λαχανικών, κτηνοτροφικά απόβλητα, κλπ. Στις βιοχημικές διεργασίες περιλαμβάνονται:
α) Η αερόβια ζύμωση (βιοχημική διεργασία, κατά την οποία αερόβιοι μικροοργανισμοί παρουσία αέρα μετασχηματίζουν το οργανικό φορτίο των απόβλητων κύρια σε νέους μικροοργανισμούς).
β) Η αναερόβια ζύμωση (βιοχημική διεργασία, κατά την οποία αναερόβιοι μικροοργανισμοί σε περιβάλλον ελλειμματικό σε οξυγόνο μετασχηματίζουν το οργανικό φορτίο των απόβλητων σε αέρια προϊόντα, κυρίως μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα)
γ)Η αλκοολική ζύμωση (διάσπαση της γλυκόζης παρουσία ζαχαρομυκήτων και σχηματισμός αιθυλικής αλκοόλης, αιθανόλης). Η ζύμωση αμυλούχων, κυταρρινούχων και σακχαρούχων φυτών παράγει βιοαιθανόλη, η οποία διαχωρίζεται από τα υπόλοιπα συστατικά με απόσταξη.
3.1 ΑΝΑΛΥΤΙΚΗ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΜΕΘΟΔΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΜΕ ΚΑΥΣΗ ΒΙΟΜΑΖΑΣ Η’
ΒΙΟΑΕΡΙΟΥ
I. 0ΕΡΜΟΧΗΜΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ
Α. ΠΥΡΟΛΥΤΙΚΗ ΔΙΑΣΠΑΣΗ
11
Η βιομάζα θερμαίνεται σε υψηλές θερμοκρασίες απουσία αέρα, χωρίς να καεί, για παραγωγή στερεών, υγρών και αερίων καυσίμων (ξυλάνθρακα, βιοαέριο και αέρια χαμηλής και μέσης θερμογόνου δύναμης). Κατά την πυρόλυση η φυτική ύλη αποσυντίθεται λόγω θέρμανσης και παράγει απουσία αέρα, πτωχό αέριο και πυρολιγνικά υγρά όπως είναι η ξυλόπισσα και ο ξυλάνθρακας ως υπόλειμμα. Η ενεργειακή μετατροπή αγγίζει το 90% και για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών της διαδικασίας απαιτούνται 10% του αερίου που παράγεται. Με τη μέθοδο αυτή παράγονται τρία είδη προϊόντων,
ί) Το βιοαέριο σε ποσοστό 60%, το οποίο αποτελείται από αέρια που παρήχθησαν και δεν συμπυκνώνονται και που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας, με θερμαντική αξία 3200- 4500 Btu/lb.
ϋ) Ο βιοάνθρακας σε ποσοστό 20%, ο οποίος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για θέρμανση με θερμαντική αξία 22 - 33 MJ/kg. Οι ενεργειακές απαιτήσεις της διαδικασίας κυμαίνονται στο 5-6% της συνολικά παραγόμενης ενέργειας,
ίϋ) Το βιοέλαιο σε ποσοστό 20%, το οποίο παρουσιάζει θερμογόνο δύναμη 20 -30 MJ/kg.
Τα προϊόντα της πυρόλυσης όπως είναι τα υγρά καύσιμα (αιθανόλη, βιοντίζελ κι άλλα) μπορούν να αντικαθιστούν εν μέρει το πετρέλαιο ή τη βενζίνη. Η τεχνολογία της αστραπιαίας πυρόλυσης αποτελεί μία από τις πολλά υποσχόμενες λύσεις για την ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας. Κατ’
αυτήν, τα ογκώδη δασικά και αγροτικά υπολείμματα, αφού λετποτεμαχισθούν, μετατρέπονται, με τη βοήθεια ειδικού αντιδραστήρα, σε υγρό καύσιμο υψηλής ενεργειακής πυκνότητας, το βιοέλαιο. Το βιοέλαιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί
ως υποκατάστατο του πετρελαίου (έχει λίγο μικρότερη από τη μισή θερμογόνο δύναμη του πετρελαίου) σε εφαρμογές θέρμανσης (λέβητες, φούρνους κ.λ.π.) αλλά και παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (μηχανές εσωτερικής καύσης κ.ά.)·
Η αστραπιαία πυρόλυση της βιομάζας αποτελεί την οικονομικότερη διεργασία ηλεκτροπαραγωγής, ιδίως στην περιοχή μικρής κλίμακας ισχύος (<5MWe). Το ΚΑΠΕ, σε συνεργασία με διεθνώς αναγνωρισμένα Πανεπιστήμια και Εταιρείες Παραγωγής Ηλεκτρικού Ρεύματος, αναπτύσσει από το 1991 μία πρότυπη πιλοτική μονάδα αστραπιαίας πυρόλυσης, δυναμικότητας 10 kg/h. Εκτιμάται ότι, σύντομα, θα καταστεί δυνατή (οικονομικά συμφέρουσα) η μετάβαση από τις πιλοτικές σε επιδεικτικές μονάδες πυρόλυσης βιομάζας μεγαλύτερης δυναμικότητας.
Β. ΑΠ’ ΕΥΘΕΙΑΣ ΚΑΥΣΗ
Από τις διάφορες τεχνολογίες κύριας μετατροπής της βιομάζας ή των αποβλήτων, τα συστήματα καύσης είναι καθιερωμένα και αποτελούν ώριμη τεχνολογία, ειδικότερα η καύση του ξύλου, ενίοτε σε συνδυασμό με άλλους τύπους βιομάζας ή αποβλήτων. Η καύση είναι η πιο απλή από τις θερμοχημικές διεργασίες και σε θερμοκρασίες της τάξης των 1000 -1500 C δίνει θερμότητα η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για κίνηση και παραγωγή
Direct Combustion / Steam Turbine System E xhausll
' NACBSQILER St«em
Condensate
Εικόνα 7 : Διάγραμμα ροής μονάδας απ'ευθείας καύσης βιομάζας για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας
ηλεκτρικής ενέργειας. Πέρα από τη δασική βιομάζα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για καύση γεωργικά υποπροϊόντα όπως άχυρο, καλάμια, κλαδοδέματα και φυσικά υπολείμματα ξύλου που έχει υποστεί βιομηχανική επεξεργασία.
Κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν τη θερμαντική αξία είναι το ποσοστό υγρασίας που περιέχουν και ο τρόπος καύσης. Η απόδοση είναι σχετικά χαμηλή με την χρήση σε τζάκια να αγγίζει το 5-20% και σε βιομηχανικές εστίες το 40%. Όμως, η ανάπτυξη της τεχνολογίας καύσης αλλά και των ίδιων των καυσίμων καθιστούν πλέον την καύση αποδοτική και αξιόπιστη.
Η καύση της βιομάζας μπορεί να διακριθεί σ' ένα φάσμα διαφορετικών τεχνολογιών που μπορούν να ταξινομηθούν κατά βάση ως καύση είτε
"σταθερής κλίνης" είτε "ρευστοποιημένης κλίνης".
ί) Καύση σταθερής κλίνης
Η καύση σταθερής κλίνης, επίσης γνωστή ως τροφοδοτούμενη καύση, χρησιμοποιεί μηχανικές διατάξεις που τροφοδοτούν και αναφλέγουν το καύσιμο σε μια κλίνη στη βάση της καμίνου. Ο αέρας της καύσης διέρχεται μέσα από τη σχάρα επάνω στην οποία κάθεται το καύσιμο. Η παροχή του αέρα περιορίζεται έτσι ώστε το καύσιμο να μην αναδεύεται και να παραμένει σε επαφή με άλλα στερεά. Οι καυστήρες σταθερής κλίνης μπορούν να ταξινομηθούν ανάλογα με τη μέθοδο με την οποία τροφοδοτείται το καύσιμο στη σχάρα :
α) Στους τροφοδότες υπερπλήρωσης (ή τροφοδότες κινούμενων σχαρών) το καύσιμο τροφοδοτείται με τη βαρύτητα στο ένα άκρο της επιφάνειας της σχάρας και το βάθος της επιφάνειάς του ρυθμίζεται από μια θύρα καυσίμου στην είσοδο της καμίνου. Η σχάρα μετακινείται αργά κατά μήκος της καμίνου όπως ένας ανοικτός ταινιόδρομος, ενώ η τέφρα και τα κατάλοιπα αποβάλλονται συνεχώς στο άλλο άκρο της σχάρας. Αυτό το είδος σχάρας έχει σχεδιαστεί για καύση άνθρακα. Εάν καίγεται βιομάζα, τότε μπορεί τα κόστη συντήρησης να είναι υψηλότερα και να μειωθεί η αποδοτικότητα του λέβητα λόγω των χαμηλότερων θερμοκρασιών του αέρα καύσης, β) Οι τροφοδότες διασκορπισμού περιλαμβάνουν μία αερόψυκτη μετακινούμενη σχάρα, αλλά αξιοποιούν το πλεονέκτημα της καύσης εν
αιώρηση. Οι διανομείς του καυσίμου ωθούν το καύσιμο μέσα στην εστία επάνω από μια αναφλέγουσα κλίνη καυσίμου (ανάλογα με το είδος του καυσίμου μπορούν να χρησιμοποιούνται είτε μηχανικοί είτε πνευματικοί ρίπτες). Τα λεπτά σωματίδια καίγονται αιωρούμενα ενώ τα μεγαλύτερα σωματίδια πέφτουν και καίγονται στην κινούμενη σχάρα. Λόγω της αρχής της καύσης εν αιώρηση, τα καύσιμα πρέπει να είναι σχετικά ξηρά (περιεκτικότητα σε υγρασία μικρότερη από 50%) και να έχουν το κατάλληλο μέγεθος.
ϋ) Καύση ρευστοττοιημένης κλίνης
Η καύση ρευστοποιημένης κλίνης χαρακτηρίζεται από την υψηλή ταχύτητα του αέρα μέσα στην κλίνη του καυσίμου που του προσδίδει ιδιότητες ρευστού.
Η κλίνη περιέχει κανονικά αδρόκοκκη άμμο που βοηθά την ανάμιξη του καυσίμου με τον αέρα και αυξάνει τη μεταφορά θερμότητας στο καύσιμο για την ξήρανση και ανάφλεξή του. Ο διαχωρισμός του καυσίμου και των άλλων σωματιδίων της κλίνης γίνεται επάνω από την «ελάχιστη ταχύτητα ρευστοποίησης», η οποία είναι συνάρτηση του μεγέθους των κόκκων, της πυκνότητας και της πτώσης πίεσης μέσω της κλίνης. Καθώς αυξάνεται η ταχύτητα του αέρα, η κλίνη μπορεί να μετατραπεί από κοχλάζουσα σε τυρβώδη και κατόπιν σε περιδινούμενη κλίνη με αυξανόμενους ρυθμούς ανακύκλωσης.
Οι εμπορικές διατάξεις ταξινομούνται είτε ως καύσης κοχλάζουσας ρευστοποιημένης κλίνης - bubbling fluidized bed (BFB) είτε ως καύσης περιδινούμενης ρευστοποιημένης κλίνης - circulating fluidized bed (CFB), μπορεί να βρίσκονται υπό πίεση ή όχι και να χρησιμοποιούν αέρα ή οξυγόνο.
Στο σύστημα BFB η ταχύτητα του αέρα είναι συνήθως 1-3 m/s προκαλώντας διαταραχή στην άμμο της κλίνης και διαχωρισμό των κόκκων.
Το κύριο ρεύμα του αέρα τροφοδοτείται στον πυθμένα της κλίνης μέσω ακροφυσίων από αεριοφυλάκιο, ενώ ο δευτερεύων αέρας ρέει στην εστία επάνω από την κλίνη. Η θερμοκρασία της κλίνης διατηρείται και ελέγχεται τροποποιώντας το λόγο του κύριου και του δευτερεύοντος αέρα, ή με την επανακυκλοφορία μέρους των καυσαερίων.
Σ' ένα σύστημα GFB η ταχύτητα του αέρα επάνω από το αεριοφυλάκιο είναι συνήθως 4-9 m/s. Η άμμος μπορεί να κυκλοφορεί στην εστία βοηθώντας τη μετάδοση της θερμότητας. Τα καυσαέρια και τα παρασυρόμενα στερεά αφήνουν την εστία και περνούν μέσα από κυκλώνες που συλλέγουν τα σωματίδια και τα επιστρέφουν στην περιοχή ακριβώς επάνω από το αεριοφυλάκιο. Όπως και στο λέβητα BFB, υπάρχουν τροφοδοσίες κύριου και δευτερεύοντος αέρα. Δεν υπάρχει διακριτή επιφάνεια κλίνης και η καύση γίνεται σε όλη την εστία.
Τα συστήματα CFB είναι εν γένει πιο ακριβά από τις άλλες επιλογές, αλλά μειώνουν σημαντικά τις εκπομπές ΝΟχ, λόγω των χαμηλότερων θερμοκρασιών λειτουργίας. FI επιλογή μεταξύ των τεχνολογιών συνδέεται με την επιλογή του καυσίμου. Οι καυστήρες ρευστοποιημένης κλίνης είναι τεχνικά πολυπλοκότεροι με αντίστοιχα μεγαλύτερα κόστη σχεδιασμού, κατασκευής και λειτουργίας Γενικά, υπάρχει ένα όριο στην περιοχή των 8 MW επάνω από το οποίο αρχίζουν να πλεονεκτούν οικονομικά έναντι των καυστήρων σταθερής κλίνης. Από την άλλη, η καύση ρευστοποιημένης κλίνης εμφανίζει τα ακόλουθα πλεονεκτήματα έναντι της σταθερής κλίνης:
- Η υψηλή θερμική αδράνεια της κλίνης παρέχει συνθήκες για σταθερή ανάφλεξη, ασχέτως προς τη μεταβλητότητα της ποιότητας του καυσίμου. Επομένως, είναι ανθεκτική σε μεγαλύτερο εύρος χαρακτηριστικών των καύσιμων.
- . Ο έλεγχος της θερμοκρασίας της κλίνης επιτρέπει τη χρήση ποικιλίας καυσίμων με διάφορες ιδιότητες τέφρας, ενώ αποφεύγεται η τήξη της τέφρας στην κλίνη.
- Οι σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες καύσης σημαίνουν και χαμηλές εκπομπές Ν02.
Αν προστεθεί ασβεστόλιθος στο υλικό της κλίνης τότε είναι δυνατή η επιτόπια δέσμευση του SO2, αν και αυτό δεν είναι απαραίτητο για τα καύσιμα βιομάζας αφού έχουν χαμηλή περιεκτικότητα σε θείο.
Στο εμπόριο διατίθενται μονάδες BFB μέχρι 100 MWe και CFB μέχρι 400- 600 MWe, για μονάδες συμπαραγωγής. Οι λέβητες CFB έχουν αποδεδειγμένη δυνατότητα καύσης περίπου 70 διαφορετικών καυσίμων, μόνα ή με
σύγκαυση. Οι λέβητες BFB έχουν αποδείξει την εφικτότητά τους για καύσιμα βιομάζας ή αποβλήτων με όμοια χαρακτηριστικά ειδικά στις μικρότερες ισχείς, αρχίζοντας από τα 5 MWth με καλά επεξεργασμένο καύσιμο.
ίϋ) Καυστήρες αιώρησης
Μια πρόσφατη εξέλιξη που χρησιμοποιείται σε σχετικά λίγες εγκαταστάσεις αποτελεί η εν αιώρηση καύση κονιορτοποιημένου ξύλου σε ειδικούς λέβητες βιομάζας. Η εν αιώρηση καύση έχει επίσης εφαρμοσθεί σε ασβεστοκάμινους και μελετάται από τη βιομηχανία ηλεκτρισμού για εφαρμογές σύγκαυσης. Οι απαιτήσεις για επιτυχημένη εν αιώρηση καύση, δηλ. υγρασία τροφοδοσίας κάτω από 15% και μέγεθος σωματιδίου μικρότερο από 1,5 mm, επιφέρουν υψηλότερες αποδόσεις του λέβητα (έως 80%) σε σχέση με την καύση τσιπ υγρού ξύλου υγρασίας 50-55% σε συστήματα τροφοδότη σχάρας ή ρευστής κλίνης αποδοτικότητας 65%.
Καλύτερη απόδοση επίσης προκύπτει με το μικρότερο μέγεθος εστίας. Η υψηλότερη απόδοση αντισταθμίζεται από το κόστος και την κατανάλωση ενέργειας για ξήρανση και θρυμματισμό. Επιπλέον, πρέπει να χρησιμοποιούνται ειδικοί καυστήρες, π.χ. οι σπειροειδείς κυκλωνικοί και οι κατακόρυφοι κυλινδρικοί.
ίν) Καυστήρες συσσωματωμάτων - θρυμμάτων
Ο συνδυασμός της χρήσης σύγχρονων αυτοματοποιημένων καυστήρων με πιο
«εκλεπτυσμένες» μορφές βιομάζας, όπως είναι τα θρύμματα (\wood chips) και τα συσσωματώματα (wood pellets), ανταποκρίνεται στις πιο υψηλές προδιαγραφές απόδοσης, εκπομπών και άνεσης.
Τα θρύμματα βιομάζας είναι μικρά τεμάχια ξύλου μήκους 5-50mm. Η ποιότητα των θρυμμάτων εξαρτάται από την πρώτη ύλη και την τεχνολογία παραγωγής. Μπορούν να προέρχονται είτε από πριονιστήρια (ή άλλες ξυλουργικές διαδικασίες), είτε από δασικά ή αγροτικά υπολείμματα που έχουν υποστεί θρυμματισμό, κι ενδεχομένως ξήρανση εάν κρίνεται απαραίτητο.
Τα συσσωματώματα (ή πελέτες,) είναι τυποποιημένο κυλινδρικό βιολογικό καύσιμο που παρασκευάζεται με τη συμπίεση ξηρών, πριονιδίων και τεμαχιδίων από καθαρά υπολείμματα ξύλου βιομηχανιών επεξεργασίας ξύλου, στην παραγωγική διαδικασία δεν χρησιμοποιούνται κόλλες ή χημικά πρόσθετα, παρά μόνο υψηλή πίεση και ατμός. Σε κάποιες χώρες χρησιμοποιούνται σε ποσοστό 3% βιολογικά πρόσθετα όπως πατάτα ή άρωμα καλαμποκιού ή τα υγρά από την χαρτοβιομηχανία.
Είναι ουσιώδες τα συσσωματώματα να μην περιέχουν άλλα συστατικά ή προσμίξεις που αυξάνουν σημαντικά το ποσό της στάχτης και συνεπώς δημιουργούν λειτουργικά προβλήματα στον λέβητα. Επιπλέον είναι σημαντικό τα συσσωματώματα να έχουν συγκεκριμένες μηχανικές ιδιότητες, ώστε να μη θρυμματίζονται εύκολα σε σκόνη, καθώς αυτή έχει διαφορετικές ιδιότητες κατά την καύση. Πρότυπα για την ποιότητα των συσσωματωμάτων υπάρχουν σε Σουηδία, Αυστρία, Γερμανία και ΗΠΑ.
Στα βασικά πλεονεκτήματα των συσσωματωμάτων συγκαταλέγονται:
- Αυξημένη θερμογόνος δύναμη σε σχέση με τα θρύμματα βιομάζας - Μικρότερη περιεχόμενη υγρασία
- Λιγότερη παραγωγή στάχτης
- Τυποποιημένο καύσιμο-Υψηλή αξιοπιστία κατά τη λειτουργία - Απαιτούνται μικρότεροι χώροι για την αποθήκευση
Εικόνα 9 : Φούρνος και λέβητας καύσης pellet
Σαν μειονεκτήματα μπορούν να καταγραφούν το υψηλότερο κόστος προμήθειας και τα λιγότερα οφέλη για την τοπική οικονομία (σε σχέση με την κατανάλωση βιομάζας από υπολείμματα τοπικών παραγωγικών ή γεωργικών διαδικασιών).
Τα βασικά συστατικά ενός συστήματος θέρμανσης με βιομάζα, είναι το σύστημα τροφοδοσίας του καυσίμου, ο καυστήρας (λέβητας) και το σύστημα διανομής της θερμότητας. Επιπλέον μπορεί να περιλαμβάνει και μια αντλία θερμότητας για την ανάκτηση θερμότητας από κάποια θερμική διεργασία ή από μια μονάδα παραγωγής ηλεκτρισμού. Εάν πρόκειται για κεντρικό σύστημα θέρμανσης, μπορούν να συμπεριλαμβάνονται ένα ενισχυτικό σύστημα για το φορτίο αιχμής και/ή ένα εφεδρικό σύστημα για την περίπτωση που για κάποιο λόγο διακοπεί η λειτουργία του βασικού.
ν) Σύγκαυση με άνθρακα
Η σύγκαυση βιομάζας-άνθρακα, δηλαδή η ταυτόχρονη καύση δυο διαφορετικών καυσίμων στον ίδιο λέβητα, μπορεί να αξιοποιηθεί σε υφιστάμενους θερμικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής. Όταν γίνεται
σύγκαυση με βιομάζα, η ποσοστιαία μείωση του C02 για τη μονάδα ηλεκτροπαραγωγής είναι περίπου ίση με το ποσοστό της συνολικής εισαγόμενης θερμότητας στο λέβητα που προέρχεται από τις πρώτες ύλες βιομάζας. Έτσι η σύγκαυση συντελεί στη μείωση των εκπομπών C02 από την καύση των ορυκτών καυσίμων, του σχηματισμού S02 μέσω της ελάττωσης του δέσμιου στο καύσιμο θείου, του σχηματισμού ΝΟχ μέσω της ελάττωσης του δέσμιου στο καύσιμο αζώτου, ενώ παρέχει και έναν τρόπο για την αντιμετώπιση των εκπομπών τοξικών ουσιών στον αέρα.
Στα εν δυνάμει οφέλη της σύγκαυσης με καύσιμα βιομάζας, περιλαμβάνεται η τροφοδοσία με χαμηλού κόστους καύσιμα, η αύξηση της ποικιλίας καυσίμων για τις εταιρείες ηλεκτρισμού και η παροχή διεξόδου για τα υπολείμματα των βιομηχανικών πελατών.
CFB-GASIFIER
Εικόνα 10 : Διάγραμμα ροής μονάδας σύγκαυσης βιομάζας-λιγνίτη για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας
Από την άλλη, δοκιμές και υπολογισμοί πιστοποιούν ότι, όταν γίνεται σύγκαυση με το 7-10% της εισροής θερμότητας να προέρχεται από βιομάζα, η πτώση στη συνολική απόδοση του λέβητα κυμαίνεται από 0,3 έως 1,0 μονάδες της συνήθους στις δοκιμές τιμής του 85% περίπου για τους λέβητες
άνθρακα. Έτσι, υφίσταται ένα αντίτιμο απόδοσης λόγω του ποσοστού βιομάζας που μετατρέπεται λιγότερο αποδοτικά από ότι αυτό του άνθρακα.
Τα πιο κρίσιμα στοιχεία, όσον αφορά το κόστος της λειτουργίας της σύγκαυσης, είναι το κόστος του καυσίμου και το κόστος κεφαλαίου των μετατροπών του σταθμού ισχύος ώστε να καταστεί δυνατή η σύγκαυση του καυσίμου βιομάζας με τον άνθρακα. Η οικονομικότητα της σύγκαυσης βιομάζας καθορίζεται από το κατά πόσο τα οφέλη στις δαπάνες για καύσιμα, μέσω των καυσίμων βιομάζας που αντικαθιστούν τον πιο ακριβό άνθρακα, μπορούν να υπερκαλύψουν το κόστος μετασκευής της μονάδας και οποιαδήποτε προστιθέμενα κόστη εργατικών και συντήρησης προκύπτουν από τη λειτουργία του συστήματος σύγκαυσης.
Γ. ΑΕΡΙΟΠΟΙΗΣΗ
Η αεριοποίηση είναι μία διεργασία που μοιάζει με αυτή της πυρόλυσης και συντελεί στην ενεργειακή μετατροπή της βιομάζας σε αέριο. Κύρια διαφορά τους αποτελεί η πλήρης έλλειψη αέρα στην διεργασία της πυρόλυσης. Κατά την αεριοποίηση το στερεό καύσιμο εσκεμμένα καίγεται με λιγότερο από τον στοιχειομετρικά απαιτούμενο αέρα, για την παραγωγή μίγματος αερίου καυσίμου από CO, Η2, CH4, κτλ.
Οι τεχνολογίες που εφαρμόζονται για να επιτευχθεί η αεριοποίηση στην ουσία ταυτίζονται με αυτές που χρησιμοποιούνται στην καύση, με την διαφορά ότι εδώ δεν παρέχεται πλήρως η στοιχειομετρικά απαιτούμενη ποσότητα αέρα και το αέριο που παράγεται οδηγείται στις περισσότερες περιπτώσεις σε ξεχωριστή μονάδα καύσης τους, όπως λέβητα με καυστήρες για παραγωγή θερμικής ισχύος, ΜΕΚ, κτλ.
Οι τεχνολογίες που αφορούν στην διαδικασία τροφοδοσίας και καύσης της βιομάζας στις συσκευές διεργασίας, για την ολοκλήρωση της αεριοποίησης έχουν ως βάση την τεχνολογία της σταθερής και ρευστοποιημένης κλίνης.
Από τις αρχές του 1980 οι πρώτες πειραματικές μονάδες αεριοποίησης που κατασκευάστηκαν, βασίζονταν σε αυτή την τεχνολογία, η οποία έχει πολλές εφαρμογές σε σχέση με τις ήδη υπάρχουσες μονάδες αφού μπορούν να αναβαθμιστούν οι ήδη υπάρχουσες λιγνιτικές, μπορεί να εφαρμοστεί σε
συνδυασμό με νέους πιο αποδοτικούς ενεργειακούς κύκλους αλλά και για την παραγωγή υγρών βιοκαυσίμων.
Οι τεχνολογίες αεριοποίησης μέσω κλίνης που χρησιμοποιούνται σήμερα μπορούν να διαχωριστούν σε διάφορες κατηγορίες με βάση την αεριοποίηση και τη μέθοδο καθαρισμού - εξευγενισμού του παραγόμενου αερίου. Στην περίτπωση που χρησιμοποιείται αέρας, το μίγμα των αερίων που παράγεται αποτελείται κυρίως από άζωτο Ν (50%), μονοξείδιο του άνθρακα CO (20%) και Η2 (15%) και έχει θερμαντική ισχύ γύρω στα 1700 Kcal/m3.
Στην περίπτωση που χρησιμοποιείται οξυγόνο, δεν παρουσιάζεται άζωτο στο μίγμα των παραγόμενων αερίων και η θερμαντική ισχύς ανέρχεται στις 2950 Kcal/m3.
Αν χρησιμοποιηθεί ατμός σε θερμοκρασία 1000 C αυξάνεται αρκετά η θερμαντική αξία των αερίων αλλά και το ποσοστό υδρογόνου και μονοξειδίου του άνθρακα.
ί) Τεχνολογίες σταθερής κλίνης. Πρόκειται για τεχνολογία που χρησιμοποιείται για μικρής κλίμακας παραγωγή ηλεκτρικής και θερμικής ισχύος. Υπάρχουν 2 βασικοί τύποι κλίνης που υλοποιούν αυτή την τεχνολογία, οι αεριοποιητές ανοδικού ρεύματος αέρα (updraft gasifiers) και οι αεριοποιητές καθοδικού ρεύματος αέρα (downdraft gasifiers). Και οι 2 τύποι αντιδραστήρων βασίζονται στην φυσική ροή του καυσίμου λόγω βαρύτητας, το οποίο παραμένει για μεγάλο διάστημα στον αντιδραστήρα λόγω της χαμηλής ταχύτητας ροής.
α) Αεριοποιητές ανοδικού ρεύματος αέρα (updraft gasifiers).
Σε έναν αντιδραστήρα αυτής της τεχνολογίας το καύσιμο εισέρχεται από το άνω τμήμα του αεριοποιητή, από όπου ρέει αργά και διαδοχικά από τις ζώνες ξήρανσης, πυρόλυσης, αεριοποίησης και ανάφλεξης (καύσης). Η τέφρα (στάχτη) που παράγεται από την διαδικασία απομακρύνεται από την βάση του αντιδραστήρα, από όπου και εισέρχεται ο αέρας και ο ατμός προκειμένου να πραγματοποιηθεί η διεργασία, διαπερνόντας την σχάρα στην οποία επικάθεται το καύσιμο της τελευταίας ζώνης. Καθώς τα προϊόντα της ξήρανσης και της πυρόλυσης έλκονται από το παραγόμενο αέριο, χωρίς να
έχουν ττροηγηθεί δευτερεύουσες αντιδράσεις διάσπασής τους, το αέριο που παράγεται τελικά είναι πλούσιο σε διάφορα έλαια και πίσσα. Επιπλέον η θερμοκρασία του παραγόμενου αερίου είναι χαμηλή (με καύσιμο βιομάζα 80- 300 °C και με καύσιμο κάρβουνο 300-600 °C). Η τέφρα που παράγεται συνήθως είναι πλήρως οξειδωμένη και έτσι δεν περιέχει σοβαρές ποσότητες άκαυστου άνθρακα. Συνήθως η περιεκτικότητα σε σκόνες του αερίου είναι χαμηλή, λόγω της χαμηλής ταχύτητας του αερίου και του ρόλου ως φίλτρα που παρουσιάζουν οι ζώνες ξήρανσης και πυρόλυσης. Η θερμοκρασία της ζώνης ανάφλεξης καθορίζεται ρυθμίζοντας την υγρασία του εισερχόμενου αέρα. Καθώς η διεργασία αεριοποίησης ανοδικού ρεύματος αέρα παράγει αέριο ακατέργαστο καύσιμο με σημαντικό ποσοστό πίσσας, δεν μπορεί αυτό να μεταφερθεί σε μεγάλες αποστάσεις είτε να χρησιμοποιηθεί άμεσα για καύση σε ΜΕΚ.
Εικόνα 11 ; Αεριοποιητής τύπου UPDRAFT
Συνολικά, πρόκειται για μια καλή τεχνολογία και οικονομικά σκόπιμη για παραγωγή θερμικής ισχύος σε μικρές περιφερειακές μονάδες. Οι απαιτήσεις
σε καύσιμα είναι οικονομικά αποδεκτές, παρόλα αυτά μόνο συγκεκριμένοι τύποι καυσίμου μπορούν να χρησιμοποιηθούν, λόγω των απαιτήσεων για συγκεκριμένη ροή του καυσίμου στον αντιδραστήρα. Επίσης, η χρήση της περιορίζεται σε εφαρμογές όπου η κατανάλωση του καυσίμου βρίσκεται σε κοντινές αποστάσεις και απαιτεί συχνό καθαρισμό από τα κατάλοιπα πίσσας που επικάθονται στον αγωγό εξόδου του αερίου.
β) Αεριοποιητές καθοδικού ρεύματος αέρα (downdraft gasifiers).
Στην Φινλανδία η χρήση μικρών αεριοποιητών καθοδικού ρεύματος αέρα, έχει μακρά ιστορία όπου κατά τον 2° Παγκόσμιο Πόλεμο εκατοντάδες αυτοκίνητα, λεωφορεία και πλοία κινούνταν με χρήση ξύλου ως καύσιμο αεριοποίησης.
Το συγκριτικό πλεονέκτημα που παρουσιάζει αυτή η μέθοδος σε σχέση με την προηγούμενη είναι ότι εδώ τα προϊόντα της πυρόλυσης συμπαρασύρονται να ρέουν διαμέσου των θερμών ζωνών ανάφλεξης και αεριοποίησης, όπου το μεγαλύτερο τμήμα της πίσσας αποδομείται και οξειδώνεται. Έτσι το θεωρητικό προϊόν ενός τέτοιου αντιδραστήρα, έπειτα από ένα απλό φιλτράρισμα και ψύξη του αερίου θα μπορούσε να οδηγηθεί άμεσα σε μια ΜΕΚ για παραγωγή ισχύος.
Εικόνα 12 : Αεριοποιητής τύπου DOWNDRAFT
Τις τελευταίες 2 δεκαετίες έχουν γίνει προσπάθειες για την κατασκευή μονάδων που εκμεταλλεύονται αυτή την τεχνολογία, όμως δεν έχουν καταλήξει σε εμπορικές εφαρμογές. Ο κύριος λόγος είναι ότι η ιδανική παραγωγή αερίου με μικρό ποσοστό πίσσας βασίζεται σε ένα περιορισμένο καλής ποιότητας και μεγέθους καύσιμο ξύλο, που πρακτικά είναι αντιοικονομικό να παρασκευαστεί.
Υπάρχει ακόμα, και ο συνδυασμός των 2 παραπάνω τεχνολογιών που εν μέρει εξαλείψει τα αντίστοιχα μειονεκτήματά τους και έχει υλοποιηθεί από μια μονάδα στην Tervola της Φινλανδίας, έχοντας 2 εξόδους παραγωγής αερίου, μια για κάθε τύπο ανοδικού και καθοδικού ρεύματος αέρα.
The (ietiiosntralion gasification and engine plant ofEntimos Oy in Tervola,
Εικόνα 13 : Μονάδα παραγωγής ενέργειας με χρήση αεριοποιητή μικτού τύπου UPDRAFT ι DOWNDRAFT
ii) Τεχνολογίες ρευστοποιημένης κλίνης.
Υπάρχουν 2 βασικοί τύποι κλίνης που υλοποιούν αυτή την τεχνολογία, οι αεριοποιητές χαμηλής πίεσης ρευστοποιημένης κλίνης (low-pressure fluidized-bed gasification) και οι αεριοποιητές πεπιεσμένης ρευστοποιημένης κλίνης (pressurised fluidized-bed g asifica tio n).
α) Χαμηλής πίεσης αεριοποίηση ρευστοποιημένης κλίνης.
Το είδος αυτό τεχνολογίας απαρτίζεται και αυτό από 2 επιμέρους λύσεις για την επίτευξη της αεριοποίησης, η οποία συμβαίνει στην ουσία σε λίγο μεγαλύτερη απ την ατμοσφαιρική πίεση. Αυτές είναι η αεριοποίηση περιδινούμενης ρευστοποιημένης κλίνης - circulating fluidized bed gasification (CFB gasification) και η αεριοποίηση κοχλάζουσας ρευστοποιημένης κλίνης - bubbling fluidized bed gasification (BFB gasification).
Αυτές 01 τεχνολογίες αναφέρθηκαν αναλυτικά και στην περίπτωση της καύσης, συνεπώς δεν απαιτείται περαιτέρω ανάλυσή τους.
β) Αεριοποίηση πεπιεσμένης ρευστοποιημένης κλίνης.
Πρόκειται ουσιαστικά για τις μεθόδους CFB και BFB με την διαφορά ότι εδώ το παραγόμενο αέριο καύσιμο περνάει από κεραμικά φίλτρα για τον εξευγενισμό του, ώστε να χάσει τον αλκαλικό του χαρακτήρα και άλλες διαβρωτικές του ιδιότητες, ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα για καύση σε αεριοστρόβιλο χωρίς να φθείρει τις πτερυγώσεις του. Εφαρμόζεται σε επιδεικτικό στάδιο κυρίως σε μονάδες συμπαραγωγής.
Εικόνα 14 : Τυπική μορφή λέβητα αεριοποίησης τύπου ρευστοποιημένης κλίνης
P r o c e s s c o jic e p t f o r C F B g a s f f c o tf o u o f R E F foU oM 'ed b y ch y g a s clea n in g , F o s te r W heeler.
Εικόνα 15 : Διάγραμμα ροής ε γκατάστασης αεριοποίησης με χρήση CFB αεριοποιητή
V a rk a u s gasification plant
leokg/h 2DkgAl 14 ΚοΛι
Εικόνα 16 : Διάγραμμα ροής εγκατάστασης αεριοποίησης με χρήση BFB αεριοποιητή
Ill) Αεριοποίηση/υαλοποίηση με την τεχνική πλάσματος
Ο όρος πλάσμα (plasma) περιγράφει κάθε αέριο του οποίου τουλάχιστον ένα ποσοστό των ατόμων ή μορίων του είναι μερικά ή ολικά ιονισμένο. Ο ιονισμός αυτός μπορεί να πραγματοποιηθεί με διάφορους τρόπους. Στην περίπτωση της επεξεργασίας αποβλήτων με την τεχνική του πλάσματος, το αέριο μεταπίπτει στην κατάσταση του πλάσματος συνήθως με τη βοήθεια της θερμότητας που δημιουργείται από ηλεκτρική αντίσταση τόξου στήλης πλάσματος. Το τόξο αυτό βρίσκεται μεταξύ δύο ηλεκτροδίων (άνοδος και κάθοδος) και αποτελείται από ένα ηλεκτρικά αγώγιμο αέριο, μετατρέποντας έτσι τον ηλεκτρισμό σε θερμότητα. Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνονται πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες σε σχέση με τις υπόλοιπες τεχνικές θερμικής επεξεργασίας. Πιο συγκεκριμένα, η μέση θερμοκρασία του αερίου μπορεί να υπερβεί τους 6.000°C.
Το αέριο σε κατάσταση πλάσματος, παρουσιάζει πολύ μεγαλύτερη χημική δραστικότητα συγκριτικά με τα περισσότερα αέρια σε μεγάλες θερμοκρασίες και πιέσεις και μπορεί να διαδραματίσει σημαντικό ρόλο σε μια ποικιλία χημικών διαδικασιών. Τα πλεονεκτήματα από τη χρησιμοποίηση της τεχνολογίας αυτής προκύπτουν κατά κύριο λόγο από την υψηλή κινητική ενέργεια που χαρακτηρίζει τα ιόντα και τα ηλεκτρόνια του πλάσματος, αλλά και τα άτομα του ουδετέρου αερίου. Η μερική μεταφορά αυτής της ενέργειας στις χημικές ενώσεις κάνει δυνατές χημικές αντιδράσεις, οι οποίες δεν θα μπορούσαν να ενεργοποιηθούν από τις εξώθερμες αντιδράσεις των συμβατικών διαδικασιών καύσης.
Εφαρμόζοντας την τεχνική του πλάσματος, λαμβάνει χώρα η αεριοποίηση / υαλοποίηση του περιεχομένου των εισερχομένων στερεών αποβλήτων. Πιο συγκεκριμένα, υπό την επίδραση των πολύ υψηλών θερμοκρασιών, το οργανικό κλάσμα των αποβλήτων αεριοποιείται και σχηματίζει το αέριο σύνθεσης (μίγμα μονοξειδίου του άνθρακα και υδρογόνου) και απαέρια. Ο χρόνος που απαιτείται προκειμένου να λάβει χώρα η καταστροφή των οργανικών ενώσεων εξαρτάται από την επίτευξη της επιθυμητής θερμοκρασίας και το χρόνο παραμονής των οργανικών ενώσεων στην ιονισμένη ατμόσφαιρα ή σε υψηλή θερμοκρασία. Παράλληλα, το ανόργανο
30
μέρος των αποβλήτων μετατρέπεται σε τηγμένο υπόλειμμα, το οποίο μετά από ψύξη σχηματίζει ένα σταθερό, αδρανές, υψηλής πυκνότητας υαλώδες υλικό.
Σε διεθνές επίπεδο, η χρήση της τεχνολογίας αυτής βρίσκεται σε πιλοτικό - επιδεικτικό στάδιο και η σχετική εμπειρία είναι περιορισμένη, αφού η συγκεκριμένη τεχνική εμφανίστηκε πρόσφατα σε σχέση με το σύνολο των υπόλοιπων τεχνικών θερμικής επεξεργασίας των αποβλήτων.
Εν τούτοις, η τεχνική αυτή μπορεί να εξελιχθεί και να επεκταθεί σε ευρεία κλίμακα, ειδικά εάν ληφθούν υπόψη τα εξής:
Οι μονάδες πλάσματος χαρακτηρίζονται από συγκριτικά μικρότερες απαιτήσεις χώρου, σε σχέση με τις άλλες θερμικές μεθόδους επεξεργασίας.
Η άνοδος της θερμοκρασίας σε υψηλά επίπεδα επιτρέπει την επεξεργασία των αποβλήτων σε ένα κύριο στάδιο, περιορίζοντας την πολυπλοκότητα της μεθόδου.
Οι υψηλές θερμοκρασίες που αναπτύσσονται οδηγούν σε αύξηση της ταχύτητας των αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα.
Η μέθοδος παρουσιάζει σημαντική ευελιξία αναφορικά με το είδος των προς επεξεργασία αποβλήτων και επιπλέον, οδηγεί στην παραγωγή λιγότερων απαερίων, μειωμένου ρυπαντικού φορτίου σε σχέση με τις συμβατικές μεθόδους καύσης.
Κατά τη λειτουργία της εγκατάστασης αεριοποίησης/υαλοποίησης με την τεχνική πλάσματος, πρέπει να ελέγχονται οι εξής παράμετροι;
- Ρυθμός τροφοδοσίας εισερχόμενων ρευμάτων αποβλήτων - Θερμοκρασία φλόγας πλάσματος - θαλάμου αεριοποίησης - Ρυθμός ροής παραγόμενου αερίου
- Θερμοκρασία στο δευτερογενή θάλαμο καύσης - Ρυθμός ροής απαερίων στο δευτερογενή θάλαμο καύσης
Οι παραπάνω παράμετροι λειτουργίας των μονάδων αυτών βρίσκονται στο στάδιο της διερεύνησης και βελτιστοποίησης και εξαρτώνται άμεσα από τα χαρακτηριστικά των προς επεξεργασία αποβλήτων. Με την τεχνική αυτή και με κατάλληλες τροποποιήσεις θεωρείται πως μπορούν να υποστούν επεξεργασία όλα τα ρεύματα αποβλήτων. Ενδιαφέρον ακόμη δημιουργείται
3
από τη μεγάλη ποικιλία ειδών παραγόμενου πλάσματος (οξυγόνο, άζωτο, μονοξείδιο του άνθρακα, αργό, ατμοσφαιρικός αέρας, ήλιο, κ.λπ.), από το εύρος τιμών πίεσης (κοντά στο κενό έως 20 ατμόσφαιρες) και ισχύος (100 kW έως 10 MW).
Η ανάγκη να ελέγχεται ένας μεγάλος αριθμός παραμέτρων δημιουργεί απαιτήσεις για υψηλού βαθμού αυτοματοποίηση έτσι ώστε να είναι εφικτός και αποτελεσματικός ο έλεγχος της συνολικής διαδικασίας. Βασικές επιδιώξεις κατά τη ρύθμιση των παραμέτρων λειτουργίας τέτοιων μονάδων είναι η πλήρης καταστροφή των εισερχόμενων αποβλήτων, οι χαμηλότερες δυνατές συγκεντρώσεις των επικίνδυνων ουσιών που περιέχονται στα απαέρια (π.χ.
διοξίνες, φουράνια), η καλύτερη ποιότητα του παραγόμενου αέριου σύνθεσης με έμφαση στη θερμογόνο δύναμή του, οι καλύτερες ιδιότητες του στερεού υπολείμματος ως κατασκευαστικό υλικό, το χαμηλό ρυπαντικό φορτίο των παραγόμενων υγρών αποβλήτων από τον καθαρισμό των απαερίων και η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας.
