Σχεδιασμός και ανάπτυξη αντιδραστήρα αεριοποίησης για την ενεργειακή αξιοποίηση βιομάζας

Abstract

Biomass comprises an attractive source of renewable energy and could contribute to en-ergy production in countries like Greece. Country makes important steps towards the sustain-ability and security of energy production by taking advantage of all kinds of RES. Additionally, it follows the E.U. commitments for environmental protection and reduction of CO2 and GHG emissions concentration in atmosphere. The Community focuses in alternative energy produc-tion from biomass via thermochemical processes giving much attention to gasification, during the latest decades. Amongst other kinds of biomass, agricultural residues could contribute to the country’s in-creasing energy needs by exploiting their attractive energy content by developing small decen-tralized energy production units for covering local energy demands. Only a small proportion of the available agricultural biomass is exploited in Greece nowadays by conventional combus-tion. Agricultural residues could be treated by thermochemical exploitation and converted to use-ful products of commercial interest (solid and liquid biofuels, chemicals, active carbons). The benefits of such products are not only environmental (CO2, SOx emissions reduction, uncon-trolled fires prevention), they concern also ‘green’ energy production (safety in power produc-tion from RES and viability of alternative fuels production) and socioeconomic aspects (en-hancement of agricultural production and creation of new job positions). Economic viability of power production from biomass lies in the conjunction of gasification in integrated combined cycles aiming at increased efficiencies. The study of biomass gasification took place in laboratory scale reactors (a pyrolyzer and fixed bed gasifiers) aiming at the selection of information for the design, construction and pre-liminary operation of a small pilot scale fluidized bed gasifier (5kWth) In order to select the proper agricultural residue for performing the gasification experiments either in laboratory or pilot scale, a thorough bibliographic study took place and concerned the availability and physicochemical characteristics of agricultural residues in Greece. Olive kernel seemed to be the proper agroresidue for gasification in pilot scale due to its established logis-tics, absence of competition with food industry and to its suitable physicochemical properties for exploitation through gasification. The experimental study of olive kernel pyrolysis and gasification took place in laboratory scale reactors: A captive sample pyrolysis reactor, installed at the Aristotle University of Thessalo-niki, Chemical Engineering Dep., Division of Analysis, Control and Design of Chemi-cal Processes and Plants, Laboratory of Chemical Plants Technology. A fixed bed, air gasification reactor, installed at the Aristotle University of Thessalo-niki, Chemical Engineering Dep., Division of General Chemical Technology, Labora-tory of Technologies. A fixed bed, steam gasification reactor, installed at the KTH Royal Institute of Swe-den, Mechanical Engineering Dep., Division of Furnace Technology, Stockholm Uni-versity of Sweden. The experimental results of olive kernel pyrolysis indicated that high temperature (T>600oC) and high heating rate (~200 oC/min) had a positive effect in gas quality. Such conditions en-hanced H2 production and maximized gas production with high LHVgas . Reactivity of pyrolysis char increased due to the self catalytic effect of the ash of olive kernel. The experimental results of olive kernel air gasification indicated the suitability of olive ker-nel gasification gas exploitation in Internal Combustion Engines (ICE). A medium LHVgas gas was produced. High temperature (T>750oC), low air factor (λ<0,25), high heating rate (100oC/min) and iron presence led to the production of a high LHVgas. Char reactivity increased due to the presence of iron in olive kernel ash. Pretreatment of biomass by water leaching dete-riorated the gas quality, reduced char reactivity and increased tar yield. The experimental results of olive kernel steam gasification at high temperature indicated the production of a high LHVgas gas. At the same time tar concentration in gasification gas reduced. Additionally iron increased H2 concentration and gas yield. Char of untreated olive kernel was quite reactive due to the increased surface area, while pretreatment with water leaching re-duced significantly its reactivity. Based on the above information a 5kWth, pilot scale fluidized bed reactor was designed and constructed. Silica sand was primarily used as the bed material, but under hot flow conditions serious agglomeration problems occurred. Water leaching was not attempted as it was proved that it would deteriorate the gasification gas quality. On the other hand, the positive effect of iron in gasification reactions and tar reforming lead to the selection of olivine as the new bed material.Olivine acted catalytically and lead to the production of a medium LHVgas gas (LHVgas= 6,54 MJ/Nm3) at low temperature (T=750oC) and mild oxidative conditions (λ=0,2). The present dissertation consists of 11 Chapters: • Chapter 1 presents a broad bibliographic review of EU biomass alternative exploita-tion promotion and the presents status of energy production from biomass in Greece • Chapter 2 presents some basic information of the lignocellulosic nature of biomass, as well as, the alternative methods for energy production from biomass. • Chapter 3 presents the availability and physicochemical characteristics of agricultural biomass in Greece. Olive kernel proposed as the proper agro industrial residue for gasification in pilot scale. • A review of the scientific literature over the thermochemical treatment of biomass and olive kernel is presented in Chapter 4 • In Chapter 5 the raw materials (olive kernel and iron scraps) characterization took place, as well as, the presentation of the laboratory scale reactors and experimental methods. • The experimental results of olive kernel laboratory scale pyrolysis are presented in Chapter 6 • In Chapter 7 the results olive kernel gasification with air, at laboratory scale, in the fixed bed reactor are presented • In Chapter 8 the results of olive kernel gasification with steam, at high temperature and laboratory scale, are presented • Chapter 9 presents the methodology of the gasifier scaling up by selecting the proper design parameters, construction and preliminary operation of a small pilot scale fluid-ized bed gasifier (5kWth). • Chapter 10 presents the experimental results of olive kernel gasification with air at the pilot scale gasifier • And in Chapter 12 the conclusion of dissertation and proposes of future research are presented. Concluding, the results of the present dissertation indicate the viability of alternative energy production of agricultural biomass in fluidized bed gasification. Olive kernel, a characteristic agroresidue in Mediterranean region and other residues, could comprise an attractive renew-able source of energy for covering additional energy demands in agricultural regions. Further optimization of operation and conjunction of small gasification systems in integrated cycles with ICE would lead to increased efficiencies and thus enable the entrance of small gasifiers in the competitive RES energy market.

Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) αποτελούν βασικό στοιχείο της παγκόσμιας ενερ-γειακής πολιτικής, με την βιομάζα να αποτελεί ένα σημαντικό παράγοντα στην κάλυψη μέρους των ενεργειακών αναγκών για μια πιο αυτοδύναμη ανάπτυξη σε παγκόσμια κλίμακα. Η Ελλάδα, ακολουθώντας τις επιταγές της ΕΕ για περιβαλλοντική προστασία και μείωση των εκπομπών CO2 στην ατμόσφαιρα, κάνει σημαντικά βήματα στην προσπάθεια επίτευξης των στόχων αειφορίας και ασφάλειας στην παραγωγής ενέργειας μέσω της αξιοποίησης όλων των μορφών ΑΠΕ. Για τον σκοπό αυτό βελτιώνει και εφαρμόζει ερευνητικές, νομοθετικές, οικο-νομικές και φορολογικές μεταρρυθμίσεις. Τα τελευταία χρόνια δίνει ιδιαίτερη έμφαση στην εναλ-λακτική ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας μέσω της θερμοχημικής οδού και συγκεκριμένα της αεριοποίησης της. Η αγροτικής προέλευσης βιομάζα, ιδιαίτερα για τις Μεσογειακές χώρες όπως είναι η Ελλά-δα, μπορεί να συνεισφέρει στο ενεργειακό ισοζύγιο της χώρας με την εκμετάλλευση του θερμι-δικού περιεχομένου της, μέσω της ανάπτυξης βελτιστοποιημένων και αποκεντρωμένων μονά-δων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Τα υπολείμματα αγροτικής βιομάζας μπορούν να συμ-βάλλουν με τον τρόπο αυτό στην κάλυψη των επιπρόσθετων ενεργειακών αναγκών απομα-κρυσμένων νησιωτικών ή ορεινών περιοχών προσφέροντας παράλληλα το πλεονεκτήματα της τοπικής ανάπτυξης. Τα αγροτικά και αγροβιομηχανικά υπολείμματα μπορούν να αναβαθμιστούν μέσω των θερ-μοχημικών διεργασιών και να μετατραπούν σε ενέργεια και χρήσιμα προϊόντα εμπορικού εν-διαφέροντος (στερεά, υγρά βιοκαύσιμα, χημικά, ενεργούς άνθρακες). Η διάθεση των προϊόντων αυτών συνεπάγεται οφέλη περιβαλλοντικά (μείωση εκπομπών CO2, SOX, μείωση όγκου α-πορριμμάτων, προστασία από ανεξέλεγκτες πυρκαγιές), ενεργειακά (ασφάλεια στην παραγωγή ενέργειας από ΑΠΕ, δυνατότητα παραγωγής εναλλακτικών καύσιμων) και κοινωνικοοικονομικά (ενδυνάμωση της αγροτικής οικονομίας και δημιουργία νέων θέσεων εργασίας). Η οικονομική βιωσιμότητα της παραγωγής ενέργειας από βιομάζα έγκειται στην σύζευξη της αεριοποίησης σε συνδυασμένους κύκλους παραγωγής ενέργειας και επίτευξη με αυτό τον τρόπο υψηλών απο-δόσεων. Στα πλαίσια, λοιπόν, της παρούσας διδακτορικής διατριβής πραγματοποιήθηκε η μελέτη της αεριοποίησης βιομάζας σε εργαστηριακή κλίμακα με στόχο την αξιολόγηση των πειραματικών αποτελεσμάτων και αξιοποίηση τους στο σχεδιασμό, κατασκευή και προκαταρκτική λειτουργία ενός πιλοτικού αεριοποιητή βιομάζας τύπου ρευστοστερεάς κλίνης (5kWth). Προκειμένου να επιλεγεί το κατάλληλο είδος αγροτικής βιομάζας για την αεριοποίηση πραγματοποιήθηκε αρχικά μια ευρεία βιβλιογραφική ανασκόπηση για την διαθεσιμότητα και φυσικοχημικά χαρακτηριστικά της αγροτικής βιομάζας στην Ελλάδα. Το ελαιοπυρηνόξυλο φάνηκε να αποτελεί εκείνο το είδος αγροτικής βιομάζας που θα μπορούσε να αξιοποιηθεί στον τόπο παραγωγής του λόγω της υπάρχουσας τακτική διαχείρισης – αποθήκευσης του, της α-πουσίας ανταγωνισμού με τη βιομηχανία τροφίμων και τις κατάλληλες φυσικοχημικές ιδιότητες του. Ακολούθησε η πειραματική μελέτη της θερμοχημικής μετατροπής του ελαιοπυρηνόξυλου (πυρόλυση και αεριοποίηση) σε εργαστηριακής κλίμακας αντιδραστήρες θερμοχημικής μετα-τροπής, προκειμένου να διερευνηθεί η επίδραση των κυριότερων λειτουργικών παραμέτρων στη σύσταση και απόδοση των προϊόντων αεριοποίησης, με έμφαση στο παραγόμενο αέριο. Τα είδη των εργαστηριακών αντιδραστήρων που χρησιμοποιήθηκαν ήταν: Αντιδραστήρας πυρόλυσης τύπου εγκλεισμού δείγματος (ΠΥΡ), ο οποίος βρίσκεται στο Εργαστήριο Τεχνολογίας Χημικών Εγκαταστάσεων (ΤΧΕ), Τομέα Ανάλυσης, Σχε-διασμού και Ρύθμισης Χημικών Διεργασιών και Εγκαταστάσεων (ΑΣΡΧΔΕ), Τμήμα Χημικών Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστήμιου Θεσσαλονίκης (ΑΠΘ). Αντιδραστήρας αεριοποίησης τύπου σταθεράς κλίνης (ΑΣΚ), ο οποίος βρίσκεται στο Εργαστήριο Τεχνολογιών, Τομέα Γενικής Χημικής Τεχνολογίας, Τμήμα Χημικών Μη-χανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστήμιου Θεσσαλονίκης (ΑΠΘ). Αντιδραστήρας αεριοποίησης σταθεράς κλίνης, υψηλής θερμοκρασίας (ΑΥΘΑ), ο ο-ποίος βρίσκεται στο Laboratory of ΚΤΗ Royal Institute of Sweden, Mechanical Engi-neering Department, Stockholm University της Σουηδίας. Η μελέτη της πυρόλυσης ελαιοπυρηνόξυλου, πραγματοποιήθηκε στον αντιδραστήρα πυρό-λυσης (ΠΥΡ) και οδήγησε σε δύο σημαντικά αποτελέσματα. Υπέδειξε την θετική επίδραση της αύξησης της θερμοκρασίας πυρόλυσης (Τ>600οC) και του υψηλού ρυθμού θέρμανσης (~200oC/min) στην βελτίωση της ποιότητας αερίου πυρόλυσης. Το αέριο εμπλουτίστηκε σε Η2 και καύσιμα συστατικά, υποδεικνύοντας την καταλυτική δράση της τέφρας του ελαιοπυρηνόξυ-λου και είχε υψηλή θερμογόνο δύναμη (LHVgas). Το εξανθράκωμα πυρόλυσης ήταν ενεργό λό-γω της περιεχόμενης τέφρας και της πορώδους δομής του. Η μελέτη της αεριοποίησης του ελαιοπυρηνόξυλου πραγματοποιήθηκε στον αντιδραστήρα σταθερής κλίνης (ΑΣΚ) με μέσο αεριοποίησης τον αέρα. Φάνηκε η δυνατότητα παραγωγής ε-νός αερίου αεριοποίησης μέσης θερμογόνου δύναμης, κατάλληλου -με περαιτέρω καθαρισμό του- για την αξιοποίηση του σε ΜΕΚ. Η αύξηση της θερμοκρασίας αεριοποίησης (Τ>750oC), η μείωση του λόγου αέρα (λ<0,25), η αύξηση ρυθμού θέρμανσης (100 oC/min) και ο εμπλουτι-σμός της κλίνης του ελαιοπυρηνόξυλου με σίδηρο αποτέλεσαν τους παράγοντες εκείνους που βελτίωσαν τη θερμογόνο δύναμη του αερίου και μείωσαν την απόδοση πίσσας. Η ενεργότητα του εξανθρακώματος αεριοποίησης του ελαιοπυρηνόξυλου με αέρα οφείλονταν στην τέφρα και τον περιεχόμενο σίδηρο. Η προκατεργασία έκπλυσης του ελαιοπυρηνόξυλου με νερό (water leaching) υποβάθμισε την ποιότητα του αερίου αεριοποίησης και αύξησε την απόδοση της πίσσας. Η μελέτη της αεριοποίησης του ελαιοπυρηνόξυλου με μέσο αεριοποίησης τον ατμό, πραγ-ματοποιήθηκε στον αντιδραστήρα σταθερής κλίνης και υψηλή θερμοκρασία (ΑΥΘΑ). Με μέσο αεριοποίησης τον ατμό παρήχθη ένα αέριο αεριοποίησης υψηλής θερμογόνου δύναμης. Μειώ-θηκε, παράλληλα, η συγκέντρωση της πίσσας στο αέριο αεριοποίησης ακολουθώντας μια ι-σχυρά πτωτική τάση με την αύξηση της θερμοκρασίας. Ο εμπλουτισμός της κλίνης του ελαιο-πυρηνόξυλου με σίδηρο αύξησε την απόδοση του αερίου και το εμπλούτισε σε Η2. Η έκπλυση, όμως, του ελαιοπυρηνόξυλου με νερό υποβάθμισε την ποιότητα του αερίου, αυξάνοντας τη συγκέντρωση της πίσσας σε αυτό. Η ειδική επιφάνεια του εξανθρακώματος του ελαιοπυρηνό-ξυλου από την αεριοποίηση με ατμό αυξήθηκε με αποτέλεσμα να το κάνει πιο ενεργό. Με βάση τις παρατηρήσεις αυτές σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ένας μικρός πιλοτικός αεριοποιητής τύπου ρευστοστερεάς κλίνης και θερμικής ισχύος 5kWth (ΑΡΚ). Ελέγχθηκε η λει-τουργία του σε ψυχρή ροή με κλίνη αποτελούμενη από χαλαζιακή άμμο, αλλά κατά την θερμή λειτουργία εμφανίστηκαν προβλήματα συσσωματώσεων. Η προκατεργασία της έκπλυσης του ελαιοπυρηνόξυλου με νερό δεν εφαρμόστηκε μια και θα υποβαθμίζονταν η ποιότητα αερίου του αερίου αεριοποίησης. Από την άλλη, η ένδειξη της θετική επίδρασης του σιδήρου στην προώ-θηση των αντιδράσεων αεριοποίησης και διάσπασης της πίσσας, που προήλθε από την πειρα-ματική μελέτη της αεριοποίησης του ελαιοπυρηνόξυλου σε εργαστηριακή κλίμακα, οδήγησε στην χρήση του ολιβίνη σαν το νέο υλικό κλίνης. Ο ολιβίνης οδήγησε στον εμπλουτισμό του αερίου σε Η2 και ελαφρείς υδρογονάνθρακες, σε συνθήκες χαμηλής θερμοκρασίας (Τ=750oC) και λόγου αέρα (λ=0,2), παράγοντας ένα αέριο αεριοποίησης μέσης θερμογόνου δύναμης (LHVgas=6,5 ΜJ/Nm3) το οποίο είναι δυνατό να α-ξιοποιηθεί ενεργειακά σε ΜΕΚ με τον κατάλληλο καθαρισμό του εκτός κλίνης. Η παρούσα διδακτορική διατριβή διαμορφώνεται σε 11 Κεφάλαια: • Στο 1ο Κεφάλαιο πραγματοποιείται η ανασκόπηση της πολιτικής της Ευρωπαϊκής Ένω-σης που αφορά στην σπουδαιότητα της ενεργειακής αξιοποίηση της βιομάζας. • Στο 2ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά της βιομάζας και οι εναλλακτικές μέθοδοι ενεργειακής αξιοποίησής της. • Στο 3ο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η διαθεσιμότητα και η δυναμική αξιοποίησης της αγρο-τικής βιομάζας στην Ελλάδα, βάση των οποίων προτείνεται το ελαιοπυρηνόξυλο ως το καταλληλότερο είδος για την αεριοποίηση του σε πιλοτική κλίμακα. • Στο 4ο Κεφάλαιο πραγματοποιείται η βιβλιογραφική ανασκόπηση της θερμοχημική μετα-τροπής της αγροτικής βιομάζας. • Στο 5ο Κεφάλαιο πραγματοποιείται ο χαρακτηρισμός των πρώτων υλών και η περιγρα-φή των εργαστηριακών πειραματικών μονάδων και διαδικασιών. Στο 6ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα της πυρόλυσης του ελαιοπυρηνόξυλου σε εργαστηριακή κλίμακα και πραγματοποιείται η συζήτηση αυ-τών. • Στο 7ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα της αεριοποίησης του ελαιοπυρηνόξυλου με αέρα σε εργαστηριακή κλίμακα και πραγματοποιείται η συζήτηση αυτών. • Στο 8ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα της αεριοποίησης του ελαιοπυρηνόξυλου με ατμό σε εργαστηριακή κλίμακα και πραγματοποιείται η συζήτηση αυτών. • Στο 9ο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η μεθοδολογία κλιμάκωσης μεγέθους του αεριο-ποιητή ελαιοπυρηνόξυλου με τον σχεδιασμό και την κατασκευή ενός πιλοτικού αε-ριοποιητή τύπου ρευστοστερεάς κλίνης. • Στο 10ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα της αεριοποίησης του ελαιοπυρηνόξυλου με αέρα σε πιλοτική, πλέον, κλίμακα και πραγματοποιείται η συζήτηση των αποτελεσμάτων. • Στο 11ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της διατριβής και οι προτάσεις για μελλοντική έρευνα. Συνοψίζοντας, τα αποτελέσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής αναδεικνύουν τη δυ-νατότητα εναλλακτικής ενεργειακής αξιοποίησης της αγροτικής προέλευσης βιομάζας μέσω της αεριοποίησης της σε ρευστοστερεά κλίνη. Το ελαιοπυρηνόξυλο, που αφθονεί στον Μεσογειακό χώρο, και άλλα αγροτικά υπολείμματα θα μπορούσαν να αποτελέσουν μια ελκυστική ανανεώ-σιμη πρώτη ύλη για την κάλυψη των αυξανόμενων ενεργειακών αναγκών σε αγροτικές περιο-χές. Η περαιτέρω βελτιστοποίηση της λειτουργίας και η σύζευξη τέτοιου είδους ενεργειακών συ-στημάτων σε συνδυασμένους κύκλους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (ΜΕΚ) ή ακόμα και κυψέλες καυσίμου, θα μπορούσε να διασφαλίσει αυξημένες ενεργειακές αποδόσεις και να επι-τρέψει την είσοδο της τεχνολογίας αυτής στην ανταγωνιστική αγορά ενέργειας από ΑΠΕ.