Αλλοθερμική αεριοποίηση στερεών καυσίμων

Abstract

The subject of this Doctoral Thesis is the investigation of the chemical conversion (gasification) for Greek solid fuels, with typical example the lignite, under mild temperature and pressure conditions, by using the inherent moisture content as gasification medium and applying the least possible feed pretreatment. This goal is highly significant, since solid fuels gasification is being widely considered as the process that will play a key role in electric power production via either the operation of Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC) systems or Fuel Cells plants. Both systems guarantee high energy conversion efficiencies and an effective confrontation of the environmental issues that accompany the use of solid fuels. Industrial scale Koppers-Totzek gasifiers were employed successfully for the gasification of Greek lignite aiming at the production of synthesis gas. The latter gasifiers operate under high temperature (1100-1500°C) and demand an extensive and expensive pretreatment (e.g., drying and pulverization) of the solid fuel. It has to be mentioned that the gasification of Greek lignite in Lurgi gasifiers is not considered being a proven process. In the context of the present dissertation, a solid fuel gasification pilot plant of continuous flow was designed, constructed and operated. This plant has the capacity of processing lignite with a nominal mass flow rate of 10 kg raw solids /h. This installation includes the gasifier and the gas product treatment units. The gasifier is a rotary kiln type reactor, indirect heat (electrical) and supplied with lifting flights for the effective mixing of the reactants. This type of gasifier allows the processing of lignite feeds with broad particle distribution (e.g. dp<15mm). The residence time of solids is adjusted through the kiln slope and the rate of revolution. The prospective product is synthesis gas of medium heating value, i.e. 12-14 MJ/Nm3. This gasifier bears three series of thermocouples for the measurement of axial temperature distributions: (i) inside the kiln and along its axis, (ii) near the electric resistances and (iii) at the outer surface of the ceramic insulation. A proper automatic control system (Programmable Logical Controller (PLC) interfaced with a PC) provides for the kiln temperature control, while the real time acquisition and recording in the PC of temperature and pressure data is accomplished with the aid of electronic interface cards. Downstream the kiln is installed a pilot unit for the delivery, cooling, cleaning, storing and combustion of the gas product. This installation includes an automatic control system for gas product pressure and flow rate control, which employs an electronic Proportional-Integral-Differential (PID) Controller, as well as a properly connected pneumatic control valve.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση της χημικής μετατροπής (αεριοποίησης) ελληνικών στερεών καυσίμων, όπως είναι οι λιγνίτες, σε ήπιες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης, με τη χρήση της ιδίας υγρασίας ως μέσο αεριοποίησης και με την ελάχιστη δυνατή προκατεργασία της τροφοδοσίας. Ο στόχος αυτός είναι σημαντικός, καθόσον τις τελευταίες δεκαετίες η αεριοποίηση με τη χρήση στερεών καυσίμων, θεωρείται διεθνώς ως διεργασία κλειδί για την παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος είτε μέσω Ολοκληρωμένων Συστημάτων Αεριοποίησης με Συνδυασμένο Κύκλο (IGCC), είτε μέσω εγκαταστάσεων Στοιχείων Καυσίμου (Fuel Cells), που εξασφαλίζουν υψηλό βαθμό ενεργειακής απόδοσης και αποτελεσματικής αντιμετώπισης των περιβαλλοντικών προβλημάτων που συνοδεύουν τη χρήση των στερεών καυσίμων. Ο ελληνικός λιγνίτης έχει αεριοποιηθεί σε βιομηχανική κλίμακα για την παραγωγή αερίου σύνθεσης σε αεριογόνα τύπου Koppers- Totzek που λειτουργούν σε υψηλή θερμοκρασία (1100-1500°C) και απαιτούν εκτεταμένη και δαπανηρή προκατεργασία ξήρανσης και λειοτρίβησης. Πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι η αεριοποίηση ελληνικού λιγνίτη σε αεριογόνα τύπου Lurgi δεν αποτελεί δόκιμη μέθοδο. Στο πλαίσιο της διδακτορικής διατριβής, σχεδιάστηκε, κατασκευάσθηκε και λειτούργησε πιλοτική εγκατάσταση αεριοποίησης συνεχούς έργου (ροής) για την κατεργασία ελληνικού λιγνίτη με παροχή στερεών της τάξης των 10 kg φυσικού λιγνίτη /h. Η εγκατάσταση περιλαμβάνει τη μονάδα του αεριογόνου και τη μονάδα κατεργασίας του αερίου προϊόντος. Το αεριογόνο είναι αντιδραστήρας τύπου περιστροφικού κλιβάνου, έμμεσα θερμαινόμενου (ηλεκτρικά) και εφοδιασμένου με ανυψωτικά πτερύγια για την αποτελεσματική ανάμειξη των αντιδρώντων. Ο τύπος αυτός αεριογόνου επιτρέπει την κατεργασία τροφοδοσίας λιγνίτη ευρείας κοκκομετρικής κατανομής π.χ. dp<15 mm. Ο χρόνος παραμονής των στερεών ελέγχεται από την κλίση και το ρυθμό περιστροφής του κλιβάνου. Το επιθυμητό προϊόν είναι αέριο σύνθεσης μέσης θερμογόνου δύναμης, δηλ. 12-14 MJ/Nm3. Το αεριογόνο φέρει τρεις σειρές θερμοστοιχείων για τη μέτρηση κατανομών θερμοκρασίας, στον άξονα του περιστρεφόμενου αυλού, στις ηλεκτρικές αντιστάσεις και στην εξωτερική επιφάνια των κεραμικών στοιχείων. Κατάλληλο σύστημα αυτόματου ελέγχου (Προγραμματιζόμενος Λογικός Ρυθμιστής – Programmable Logical Controller (PLC) διασυνδεδεμένος με Η/Υ) επιτρέπει τη ρύθμιση της θερμοκρασίας του κλιβάνου, ενώ η πρόσκτηση και αποθήκευση σε Η/Υ δεδομένων θερμοκρασίας και πίεσης, σε πραγματικό χρόνο, επιτυγχάνεται με τη βοήθεια ηλεκτρονικών καρτών διασύνδεσης (interface cards). Κατωρευματικά του κλιβάνου είναι εγκατεστημένη πιλοτική μονάδα παραλαβής, ψύξης, καθαρισμού, αποθήκευσης και καύσης του αερίου προϊόντος. Η εγκατάσταση αυτή περιλαμβάνει σύστημα αυτόματου ελέγχου της πίεσης και της παροχής του αερίου μέσω ηλεκτρονικού Αναλογικού- Ολοκληρωτικού-Διαφορικού Ρυθμιστή (Proportional-Integral-Differential (PID) Controller) και κατάλληλα συνδεδεμένης πνευματικής ρυθμιστικής βαλβίδας.