ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ

Transcript

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ: Μετατροπή συμβατικού καυστήρα πετρελαίου για χρήση συσσωματωμάτων (pellets) ΣΠΟΥΔΑΣΤΗΣ: ΜΑΡΜΑΡΙΔΗΣ ΧΡΗΣΤΟΣ Α.Μ.:4852 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Δρ. Χρήστος Ι. Κελεμένης ΚΑΒΑΛΑ

2 Ευχαριστίες Πριν από όλα θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή μου για τη συνεχή βοήθειά του, την παρότρυνσή του και τις επισημάνσεις του που με βοήθησαν σε κάθε στάδιο περάτωσης της εργασίας μου. Θα ήθελα να δώσω ευχαριστίες και στους φίλους μου Νίκο Καρασαββίδη και Δήμητρα Τεμερτζίδου για τη βοήθεια που μου προσέφεραν στο πρακτικό κομμάτι της εργασίας και στο θεωρητικό αντίστοιχα ο καθένας. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τους γονείς μου για όλα όσα μου προσφέρουν τόσα χρόνια και για τη συμπαράσταση που μου δείχνουν σε οποιοδήποτε πρόβλημα παρουσιάζεται στη ζωή μου. 2

3 Πίνακας περιεχομένων Κεφάλαιο 1 ο : Εισαγωγή Γενικά περί βιομάζας Χαρακτηριστικά βιομάζας Πλεονεκτήματα Βιομάζας Μειονεκτήματα Βιομάζας Συσσωματώματα Ξύλου-Wοοd Pellets Διαθέσιμες πρώτες ύλες στην Ελλάδα για την παραγωγή pellet Παραγωγή συσσωματωμάτων βιομάζας (pellets) Κεφάλαιο 2 ο : Υφιστάμενη Κατάσταση Καυστήρων Πετρελαίου Λέβητες: Ορισμός Λειτουργικός σκοπός Διάκριση των Λεβήτων Χυτοσιδηροί Λέβητες Χαλύβδινοι Λέβητες Κεφάλαιο 3 ο : Καυστήρες Pellets Κεφάλαιο 4 ο : Κατασκευή καυστήρα πέλλετ τοποθέτηση σε υφιστάμενο λέβητα πετρελαίου Συγκέντρωση υλικών Διαδικασία κατασκευής του καυστήρα Μηχανολογικός εξοπλισμός Ηλεκτρολογικός εξοπλισμός Κεφάλαιο 5 ο : Πειραματική διαδικασία και μετρήσεις Περιγραφή διαδικασίας Ρύθμιση καυστήρα πετρελαίου Ρύθμιση καυστήρα πέλλετ Όργανα μέτρησης Γραφική παρουσίαση πειραματικών αποτελεσμάτων Πίνακες πειραματικών αποτελεσμάτων Διαγράμματα πειραματικών αποτελεσμάτων Κεφάλαιο 6 ο : Συμπεράσματα Κοστολογική ανάλυση Τρόποι βελτίωσης της κατασκευής Συμπεράσματα

4 Εικόνα 1: Καυστήρας πέλλετ Εικόνα 2: Σωλήνας Φ100 Κορμός καυστήρα Εικόνα 3: Κατασκευή φλάντζας Εικόνα 4: Φωλιά των ρουλεμάν Εικόνα 5: Φωλιά των ρουλεμάν Εικόνα 6: Σωλήνας εισαγωγής πέλλετ Εικόνα 7: Σιλό αποθήκευσης Εικόνα 8: Σιλό αποθήκευσης Εικόνα 9: Άξονας και κοχλίας μεταφοράς Εικόνα 10: Σωλήνας εισαγωγής αέρα & Τομή εξαγωγής αέρα Εικόνα 11: Τομή σωλήνα Φ Εικόνα 12: Σύνδεσμος Εικόνα 13: Χώρος καύσης Εικόνα 14: Οπές χώρου καύσης Εικόνα 15: Στεγανοποίηση και αγωγός αέρα του χώρου καύσης Εικόνα 16: Βάσεις σχάρας και υψομετρική διαφορά δυο τοιχωμάτων Εικόνα 17: Σχάρα Εικόνα 18: Γυάλινη επιφάνεια του χώρου καύσης Εικόνα 19: Τρόπος στερέωσης ηλεκτροκινητήρα Εικόνα 20: Ανεμιστήρας παροχής όγκου Εικόνα 21: Αντίσταση αυτόματης έναυσης Εικόνα 22: Φωτοκύτταρο Εικόνα 23: Χαρακτηριστικά καυστήρα πετρελαίου Εικόνα 24: Καυστήρας πέλλετ Εικόνα 25: Όργανα μέτρηση Εικόνα 26: Όργανο μέτρησης αιθάλης Εικόνα 27: Κανόνας μέτρησης αιθάλης Εικόνα 28: Μετρητής CO Εικόνα 29: Θερμόμετρο μέτρησης θερμοκρασίας καυσαερίων

5 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι στην ανάπτυξη της τεχνολογίας έχει συντελέσει σημαντικά η ανάγκη του ανθρώπου για αναβάθμιση του βιοτικού του επιπέδου. Από την άλλη, χάρη στην τεχνολογική ανάπτυξη έχουμε φτάσει στο σημείο να επεξεργαζόμαστε τα διάφορα απορρίμματα με τέτοιον τρόπο ώστε να ρυπαίνουμε το περιβάλλον όσο το δυνατόν λιγότερο. Έτσι λοιπόν, ο άνθρωπος έφτασε στο σημείο να επεξεργάζεται τα διάφορα γεωργικά και κτηνοτροφικά παραπροϊόντα και τα υπολείμματα γεωργικών και κτηνοτροφικών βιομηχανιών προς όφελός του, για την παραγωγή συσσωματωμάτων, τα οποία χρησιμοποιεί σε καυστήρες νέου τύπου για την παραγωγή θερμότητας. Η παρούσα μελέτη εστιάζει στην μετατροπή καυστήρων πετρελαίου σε καυστήρες συσσωματωμάτων (wood pellets), στις δυσκολίες μετατροπής, στην λειτουργία τους και στις αποδόσεις τους. Στη μελέτη επισημαίνονται κάποιες βασικές πληροφορίες σχετικά με τη ορισμό της βιομάζας, τους τύπους της, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της βιομάζας ως καύσιμο υλικό, καθώς επίσης και βασικές πληροφορίες για τα συσσωματώματα ξύλου (wood pellets) όπως τα στάδια και οι διαθέσιμες πρώτες ύλες για την παραγωγής τους. Εν συνεχεία, αναπτύσσεται η υφιστάμενη κατάσταση καυστήρων πετρελαίου και συσσωματωμάτων ξύλου, ενώ γίνεται μια παρουσίαση των καυστήρων pellets, καθώς και ο τρόπος λειτουργίας τους. Περαιτέρω, αναλύεται η διαδικασία μετατροπής ενός καυστήρα πετρελαίου σε καυστήρα pellets και οι δυσκολίες που παρουσιάστηκαν και αντιμετωπίστηκαν. Επιπλέον, γίνεται μια πειραματική σύγκριση που πραγματοποιήθηκε μεταξύ δύο καυστήρων πετρελαίου και pellets. Τέλος, γίνεται μια ανάλυση για το συνολικό κόστος μετατροπής του καυστήρα και το χρόνο απόσβεσης. 5

6 ABSTRACT There is no doubt that the development of technology has contributed significantly to the human need to upgrade their standard of living. On the other hand, thanks to technological development we are capable of processing various wastes in order to pollute the environment as little as possible. So, people went so far as to process various agricultural the man went so far as to process the various agricultural and stockbreeding products and residues of agricultural and stockbreeding industries to their advantage, to produce aggregates, which uses a new type burner for heat. This study focuses on converting a petroleum burner into a pellets burner, on the difficulties that appear, on its function as weel as on its performances. In the study there are highlighted some basic information about the definition of biomass, its types, its advantages and disadvantages as a combustible material, as well as basic information about the wood pellets, such as their stages an available raw materials for their production. Conteniously, the existing situation of petroleum is described, whereas we talk about pellets burner and how it works. Subsequently, the process of converting petroleum burner into pellets burner as well as the encountered difficulties are being analysed. Furethermore, an experimental comparison between two burners, petroleum and pellets, is shown. In conclusion, the most important part of the study is been calculated, which is the total conversion cost of the burner and its payback period. 6

7 Κεφάλαιο 1 ο : Εισαγωγή Είναι αναμφισβήτητο το γεγονός ότι στις μέρες μας το πετρέλαιο αποτελεί το κυρίαρχο καύσιμο στη θέρμανση. Αυτό είναι φυσικό αν σκεφτεί κανείς ότι τα κοιτάσματα του μαύρου χρυσού βρίσκονταν σε αφθονία, από την άλλη η οικολογία και οι κλιματολογικές συνθήκες του πλανήτη βρίσκονταν σε καλά επίπεδα. Έτσι, δεν ήταν δύσκολο το πετρέλαιο να κατακτήσει την πρώτη θέση για στην επιλογή καυσίμου για τη θέρμανση καθώς οι συνθήκες το ευνοούσαν. Ήταν το πλέον εύκολο και αποδοτικό καύσιμο, με απλό στην κατασκευή σύστημα λέβητα- καυστήρα, ο οποίος χρειάζεται ελάχιστη συντήρηση και καθαρισμό και δεν απαιτεί επιπλέον χώρο αποθήκευσης. 1.1 Γενικά περί βιομάζας Με τον όρο βιομάζα ονομάζουμε την ύλη που έχει βιολογική (οργανική) προέλευση, δηλαδή οποιοδήποτε υλικό προέρχεται από ζωντανούς οργανισμούς (όπως είναι το ξύλο και άλλα δασικά προϊόντα, τα υπολείμματα καλλιεργειών, τα κτηνοτροφικά απόβλητα, τα απόβλητα βιομηχανιών τροφίμων κ.λπ.), και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο για την παραγωγή ενέργειας. Η βιομάζα αποτελεί μία δεσμευμένη και αποθηκευμένη μορφή της ηλιακής ενέργειας και είναι αποτέλεσμα της φωτοσυνθετικής δραστηριότητας των φυτικών οργανισμών. Κατ αυτήν, η χλωροφύλλη των φυτών μετασχηματίζει την ηλιακή ενέργεια με μια σειρά διεργασιών, χρησιμοποιώντας ως βασικές πρώτες ύλες διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα, καθώς και νερό και ανόργανα συστατικά από το έδαφος. 7

8 Η διεργασία αυτή μπορεί να παρασταθεί σχηματικά ως εξής: Νερό + Διοξείδιο του άνθρακα + Ηλιακή ενέργεια (φωτόνια) + Ανόργανα στοιχεία => Βιομάζα + Οξυγόνο Χωρίς αμφιβολία, η βιομάζα είναι η μόνη φυσικά ευρισκόμενη πηγή ενέργειας με άνθρακα που τα αποθέματά της είναι ικανά ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως υποκατάστατο των ορυκτών καυσίμων. Σε αντίθεση με αυτά, η βιομάζα είναι ανανεώσιμη καθώς απαιτείται μόνο μια σύντομη χρονική περίοδος για να αναπληρωθεί ό,τι χρησιμοποιείται ως πηγή ενέργειας. Εν γένει, για τις διάφορες τελικές χρήσεις υιοθετούνται διαφορετικοί όροι. Έτσι, ο όρος "βιοισχύς" περιγράφει τα συστήματα που χρησιμοποιούν πρώτες ύλες βιομάζας αντί των συνήθων ορυκτών καυσίμων (φυσικό αέριο, άνθρακα) για ηλεκτροπαραγωγή, ενώ ως "βιοκαύσιμα" αναφέρονται κυρίως τα υγρά καύσιμα μεταφορών που υποκαθιστούν πετρελαϊκά προϊόντα, π.χ. βενζίνη ή ντίζελ. 8

9 Άλλωστε, η βιομάζα είναι η πιο παλιά και διαδεδομένη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Ο πρωτόγονος άνθρωπος, για να ζεσταθεί και να μαγειρέψει, χρησιμοποίησε την ενέργεια (θερμότητα) που προερχόταν από την καύση των ξύλων, που είναι ένα είδος βιομάζας. Αλλά και μέχρι σήμερα, κυρίως οι αγροτικοί πληθυσμοί, τόσο της Αφρικής, της Ινδίας και της Λατινικής Αμερικής, όσο και της Ευρώπης, για να ζεσταθούν και να μαγειρέψουν χρησιμοποιούν ξύλα, φυτικά υπολείμματα (άχυρα, πριονίδια, άχρηστους καρπούς ή κουκούτσια κ.ά.) και ζωικά απόβλητα (κοπριά, λίπος ζώων, άχρηστα αλιεύματα κ.ά.). 1.2 Χαρακτηριστικά βιομάζας Όπως προαναφέραμε, η βιομάζα είναι η μοναδική πηγή ενέργειας με άνθρακα που τα αποθέματά της μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως υποκατάστατο των ορυκτών καυσίμων. Αντίθετα με τα ορυκτά καύσιμα, η βιομάζα είναι ανανεώσιμη καθώς απαιτείται μόνο μια σύντομη χρονική περίοδο για να αναπληρωθεί ό,τι έχει χρησιμοποιηθεί ως πηγή ενέργειας. Βασικό πλεονέκτημά της είναι ότι αποτελεί ανανεώσιμη πηγή ενέργειας και ότι παρέχει ενέργεια αποθηκευμένη με χημική μορφή. Η αξιοποίησή της μπορεί να γίνει με μετατροπή της σε μεγάλη ποικιλία προϊόντων, με διάφορες μεθόδους και τη χρήση σχετικά απλής τεχνολογίας. Πηγές βιομάζας αποτελούν τα γεωργικά, κτηνοτροφικά και δασικά παραπροϊόντα, οι βιομηχανίες τους, καθώς επίσης τα λήμματα και τα αστικά στερεά απόβλητα. Ως πλεονέκτημά της θεωρείται και το ότι κατά την παραγωγή και μετατροπή της δεν δημιουργούνται οικολογικά και περιβαλλοντολογικά προβλήματα. Από την άλλη, σαν μορφή ενέργειας, η βιομάζα χαρακτηρίζεται από πολυμορφία, χαμηλό ενεργειακό περιεχόμενο (σε σύγκριση με τα ορυκτά καύσιμα), εποχικότητα, μεγάλη διασπορά, κ.λπ. 9

10 Στην πράξη υπάρχουν δύο τύποι βιομάζας. Οι υπολειμματικές μορφές (τα κάθε είδους φυτικά υπολείμματα και ζωικά απόβλητα και τα απορρίμματα) και η βιομάζα που παράγεται από ενεργειακές καλλιέργειες. Οι κύριες εφαρμογές με καύσιμο την βιομάζα είναι: Η θέρμανση θερμοκηπίων. Η θέρμανση κτιρίων με καύση βιομάζας σε ατομικούς ή κεντρικούς λέβητες. Η παραγωγή ενέργειας σε γεωργικές βιομηχανίες. Η παραγωγή ενέργειας σε βιομηχανίες ξύλου. Η τηλεθέρμανση. Η Παραγωγή ενέργειας σε μονάδες βιολογικού καθαρισμού και Χώρους Υγειονομικής Ταφής Απορριμμάτων (ΧΥΤΑ). Υγρά βιοκαύσιμα. 1.3 Πλεονεκτήματα Βιομάζας Τα κυριότερα πλεονεκτήματα που προκύπτουν από τη χρησιμοποίηση της βιομάζας για παραγωγή ενέργειας είναι τα ακόλουθα: Αποτελεί μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας που παρέχει ενέργεια αποθηκευμένη με χημική μορφή. 10

11 Αποτρέπεται το φαινόμενο του θερμοκηπίου, το οποίο οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στο διοξείδιο του άνθρακα (CO2) που παράγεται από την καύση ορυκτών καυσίμων. Αυτό συμβαίνει διότι η βιομάζα δεν συνεισφέρει στην αύξηση της συγκέντρωσης του ρύπου αυτού στην ατμόσφαιρα, γιατί ενώ κατά την καύση της παράγεται CO2, κατά την παραγωγή της και μέσω της φωτοσύνθεσης επαναδεσμεύονται σημαντικές ποσότητες αυτού του ρύπου. Αποφεύγεται η επιβάρυνση της ατμόσφαιρας με το διοξείδιο του θείου (SO2) το οποίο παράγεται κατά την καύση των ορυκτών καυσίμων και συντελεί στο φαινόμενο της όξινης βροχής. Πρακτικά, η περιεκτικότητα της βιομάζας σε θείο είναι αμελητέα. Μειώνεται η ενεργειακή εξάρτηση, η οποία είναι αποτέλεσμα της εισαγωγής καυσίμων από τρίτες χώρες, με αντίστοιχη εξοικονόμηση συναλλάγματος. Αυξάνεται η απασχόληση στις αγροτικές περιοχές με την ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας, εφόσον αυξάνεται η χρήση εναλλακτικών καλλιεργειών (διάφορα είδη ελαιοκράμβης, σόργο, καλάμι, κενάφ), η δημιουργία εναλλακτικών αγορών για τις παραδοσιακές καλλιέργειες (ηλίανθος κ.ά.), και συγκρατείται ο πληθυσμός στις εστίες του, συμβάλλοντας έτσι στη κοινωνικό-οικονομική ανάπτυξη της περιοχής. Από μελέτες που έχουν γίνει, προκύπτει ότι η παραγωγή υγρών βιοκαυσίμων έχει θετικά αποτελέσματα στον τομέα της απασχόλησης τόσο στον αγροτικό όσο και στο βιομηχανικό χώρο. 11

12 1.4 Μειονεκτήματα Βιομάζας Τα μειονεκτήματα που συνδέονται με τη χρησιμοποίηση της βιομάζας και αφορούν, ως επί το πλείστον, δυσκολίες στην εκμετάλλευσή της, αναφέρονται αμέσως μετά. Δυσχεραίνεται η ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας, λόγω του αυξημένου όγκου και της μεγάλης περιεκτικότητας σε υγρασία, σε σχέση με τα ορυκτά καύσιμα. Κωλύεται η συνεχής τροφοδοσία με πρώτη ύλη των μονάδων ενεργειακής αξιοποίησης της βιομάζας, λόγω της μεγάλης διασποράς και της εποχιακής παραγωγής της βιομάζας. Υπάρχει δυσκολία στη συλλογή, μεταποίηση, μεταφορά και αποθήκευσή της, έναντι των ορυκτών καυσίμων. Οι εγκαταστάσεις και ο εξοπλισμός που απαιτούνται για την αξιοποίηση της βιομάζας είναι πολύ δαπανηρές, σε σχέση με τις συμβατικές πηγές ενέργειας. 1.5 Συσσωματώματα Ξύλου-Wοοd Pellets Μια μορφή βιοκαυσίμων είναι τα λεγόμενα pellets (συσσωματώματα) τα οποία προκύπτουν από τη μηχανική συμπίεση πριονιδιών σε πρέσες, χωρίς την προσθήκη χημικών ή συγκολλητικών ουσιών. Προέρχονται από τα υπολείμματα των βιομηχανιών ξυλείας και των υλοτομικών δραστηριοτήτων και επεξεργάζονται κατάλληλα με κύριο σκοπό την αφαίρεση της υγρασίας τους και την συμπίεση τους ώσπου να αποκτήσουν κυλινδρικό σχήμα. Η θερμική τους απόδοση ανέρχεται στα kcal/kg. Τα pellets ξύλου συγκρινόμενα με τα υπόλοιπα καύσιμα αποτελούν μια νέα και ελκυστική μορφή καυσίμου. Όταν καίγονται, γίνεται εκμετάλλευση μιας πηγής ενέργειας που θα είχε γίνει απόβλητο και θα είχε εναποτεθεί σε μια χωματερή. Χρησιμοποιούνται σε μεγάλες ποσότητες από συστήματα θέρμανσης στην περιφέρεια. Απαντώνται σε μήκη από 1-3 cm και πάχος περίπου 1 cm. Είναι καθαρά, 12

13 ευχάριστα στην οσμή, και απαλά (λεία) στην αφή. Έχουν αρκετά χαμηλό περιεχόμενο σε υγρασία (κάτω από 10-12% ανά m 3 ) ιδιότητα που τους προσδίδει υψηλότερη αξία καύσης από τα υπόλοιπα καυσόξυλα. Το γεγονός ότι πιέζονται (πρεσάρονται) σημαίνει ότι καταλαμβάνουν λιγότερο χώρο και έχουν υψηλή πυκνότητα, άρα έχουν περισσότερη ενέργεια ανά μονάδα όγκου (υψηλότερη ογκομετρική ενέργεια). Η μείωση του όγκου συμβάλει και στην ευκολότερη και οικονομικότερη αποθήκευση τους. Η διαδικασία της καύσης τους είναι υψηλής ποιότητας, ενώ κατά την καύση τους δεν μένει μεγάλο υπόλειμμα. Ορισμένες χώρες έχουν απαλλάξει (εξαιρέσει) τις συσκευές που χρησιμοποιούνε pellets από τις απαιτήσεις για εκπομπές αιθάλης. Τα τυπικά χαρακτηριστικά ενός pellet ξύλου είναι τα κάτωθι: Διάμετρος : 6-8 mm Μήκος : max. 30 mm Πυκνότητα : min. 650 kg/m3 Υγρασία : max. 8% του βάρους Ενεργειακό Περιεχόμενο : kwh/kg 2 kg pellets = 1 liter πετρελαίου θέρμανσης Τα πλεονεκτήματα της χρήσης pellets ως καύσιμη ύλη είναι τα εξής: Α. Δεν απαιτείται να κοπούν δέντρα για την δημιουργία των pellets, αφού παρασκευάζονται από τα κατάλοιπα των ξυλουργικών και υλοτομικών διαδικασιών. Β. Μειώνονται σημαντικά τα δασικά απόβλητα, τα απόβλητα από την παραγωγή ξυλείας και τα απόβλητα από την βιομηχανία επίπλων με την χρήση των pellets. 13

14 Γ. Παρασκευάζονται από παρθένα ξυλεία, δεν είναι δηλαδή περιέχουν καυστικές ουσίες, κόλλες ή χρώμα και δεν επιβαρύνουν το περιβάλλον. Δ. Η καύση τους έχει μηδενικό ισοζύγιο διοξειδίου του άνθρακα (CO2) και έτσι δεν συνεισφέρει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου αφού όπως είδαμε οι ποσότητες του διοξειδίου του άνθρακα (CO2) που απελευθερώνονται κατά την καύση της βιομάζας δεσμεύονται πάλι από τα φυτά για τη δημιουργία της βιομάζας. Ε. Περιορίζονται σημαντικά οι εκπομπές του διοξειδίου του θείου (SO2), λόγω της μηδαμινής ύπαρξης του θείου, το οποίο είναι υπεύθυνο για την όξινη βροχή. Στ. Καταλαμβάνουν μικρό χώρο ως καύσιμα και έχουν μεγάλη περιεκτικότητα τα δοχεία αποθήκευσης, συνεπώς δεν απαιτείται μεγάλος χώρος αποθήκευσης. Τα πλεονεκτήματα κατά την καύση των pellets, σε σχέση με την καύση ακατέργαστων απόβλητων ξύλου είναι: Α. Έχουν υψηλή θερμιδική αξία (μέχρι 19 GJ/τόνο). Β. Έχουν μεγαλύτερη ενεργειακή απόδοση. Γ. Λόγω της μείωσης του όγκου έχουμε χαμηλή ζήτηση για αποθηκευτικούς χώρους (περίπου 650 kg/m³). Δ. Έχουν χαμηλή περιεκτικότητα σε υγρασία (περίπου 10%). Ε. Έχουν χαμηλή περιεκτικότητα σε τέφρα (έως 1%). Στ. Αποτελούν ένα πλήρες υποκατάστατο για άλλα είδη καυσίμων. Ζ. Έχουν παραγωγή χαμηλών εκπομπών ρύπων καύσης. Η. Έχουν πλήρως αυτόματη λειτουργία χωρίς επίβλεψη και ρύθμιση. Εμπειρικά αξίζει να επισημάνουμε ότι μια σόμπα pellets καίει κατά μέσο όρο από 0,6 έως 2,5 κιλά καυσίμου την ώρα, ενώ το κόστος των pellets αυτή τη στιγμή είναι περίπου 0,25 Ευρώ ανά κιλό. Δηλαδή είναι σαν να αγοράζουμε πετρέλαιο με 0,50 Ευρώ ανά λίτρο, δεδομένου ότι τα 2 κιλά pellets έχουν την ίδια θερμογόνο δύναμη με 1 λίτρο πετρελαίου. 14

15 Αυτή η τεχνολογία εκτός από τη χρήση της σε σπίτια είναι πολύτιμη και σε μη οικιακά κτίσματα όπως ξενοδοχεία, καταφύγια, εστιατόρια, καταστήματα, γραφεία, νοσοκομεία και σχολεία. Στη Νότιο Αμερική ήδη χρησιμοποιούνται με επιτυχία σε πάνω από σπίτια. Στην Ελλάδα υπάρχει μεγάλη διαθεσιμότητα pellets καθόσον λειτουργούν αρκετά εργοστάσια παραγωγής, με δυναμικό παραγωγής tn/έτος, ενώ κατασκευάζονται ακόμα τρία, το μεγαλύτερο εκ των οποίων θα έχει δυναμικότητα tn/έτος Διαθέσιμες πρώτες ύλες στην Ελλάδα για την παραγωγή pellet 1. Υπολείμματα ξυλείας συσσωματώματα ξύλου (wood pellets) Προς το παρόν, τα συσσωματώματα παράγονται κυρίως από το πριονίδι, θρύμματα και υπολείμματα υλοτομίας. Η αγορά έχει επεκταθεί ουσιαστικά στη Σουηδία, τη Δανία και την Αυστρία, σε σχέση με τη χρήση των φυσικών πόρων και για πολιτικούς λόγους. Σήμερα, ο ανταγωνισμός με τη βιομηχανία μοριοσανίδων και η τρέχουσα αυξανόμενη ζήτηση για τα συσσωματώματα, τόσο στην οικιακή αγορά όσο και για χρήσεις μεγάλης κλίμακας, μπορεί να οδηγήσει σε μια μελλοντική έλλειψη πριονιδιού και υπολειμμάτων υλοτομίας. Παραδείγματος χάριν, στη Σουηδία - ο κύριος ευρωπαίος παραγωγός -, το δυναμικό παραγωγής συσσωματωμάτων ξύλου (1 Μtn) έχει πλησιάσει το εθνικό δυναμικό πριονιδιού, και 15

16 στη Δανία η έλλειψη των εθνικών κατάλληλων πρώτων υλών υποχρεώνει την εισαγωγή υπολειμμάτων ξύλου από τη Βόρεια Αμερική και τα κράτη της Βαλτικής. Αν η ζήτηση - και τιμές - συνεχίζουν να αυξάνονται, θα ερευνηθούν για την παραγωγή συσσωματωμάτων και άλλα παραπροϊόντα βιομάζας εκτός από το πριονίδι, τα θρύμματα και τα υπολείμματα υλοτομίας. 2. Γεωργικά υπολείμματα - Αγρο-συσσωματώματα (agri-pellets) Τα γεωργικά υπολείμματα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν κατά ένα μεγάλο μέρος στο μέλλον για την παραγωγή συσσωματωμάτων, αν λάβουμε υπόψη μας την πιθανή έλλειψη των πρώτων υλών ξύλου για την παραγωγή συσσωματωμάτων σε χώρες όπως η Σουηδία και η Δανία, και θεωρώντας χαμηλό δυναμικό υπολειμμάτων δασοκομίας στις νότιες ευρωπαϊκές χώρες. Είναι επομένως σημαντικό να μελετηθούν τα χαρακτηριστικά αυτής της νέας (και διαφορετικής) κατηγορίας πρώτης ύλης, δίνοντας ιδιαίτερη προσοχή στα προβλήματα που μπορούν να παρουσιαστούν τόσο στη παραγωγή όσο και τη χρησιμοποίηση. 16

17 ΠΥΡΗΝΕΣ ΡΟΔΑΚΙΝΩΝ Η.Κ.: Kcal/Kgr ΑΠΟΡΡΙΜΜΑΤΑ ΕΚΚΟΚΚΙΣΤΗΡΙΩΝ Η.Κ.: 3500 Kcal/Kgr Παραγωγή συσσωματωμάτων βιομάζας (pellets) Η παραγωγή των συσσωματωμάτων βιομάζας χωρίζεται σε 5 βασικά μέρη. Πρώτα απ όλα πρέπει να τονιστεί ότι η ακατέργαστη πρώτη ύλη πρέπει να έχει μικρή περιεκτικότητα σε υγρασία. Πολύ συχνά η ακατέργαστη πρώτη χρειάζεται ύλη να ξηρανθεί με τεχνητά μέσα πριν προχωρήσει στη διαδικασία της συσσωμάτωσης. Δεύτερον, τα κομμάτια της ακατέργαστης πρώτης ύλης δεν πρέπει να ξεπερνούν ένα ορισμένο μέγεθος, οπότε πολύ συχνά χρειάζονται να θρυμματίζονται. Τρίτον, είναι εφικτό να 17

18 γίνει η υπόσταση της πρώτης ύλης πιο ήπια και πιο εύκαμπτη ατμοποιώντας τη (προετοιμασία).τέταρτον, η συσσωμάτωση πραγματοποιείται με την πελλετοποίηση. Τέλος, για τη μείωση της ατμοσφαιρικής πίεσης στα συσσωματώματα βιομάζας (pellets) είναι αναγκαίος εξοπλισμός ψύξης, για να μειώσει τις υψηλές θερμοκρασίες που δημιουργήθηκαν στη διαδικασία της συσσωμάτωσης. Μετά από τα 5 αυτά βασικά μέρη ακολουθούν ακόμα η διαχώριση των συσσωματωμάτων βιομάζας,η συσκευασία τους, η αποθήκευση τους και η διανομή τους. Στη συνέχεια αναλύονται τα βασικά μέρη πιο λεπτομερώς. 1. Ξήρανση Πολύ συχνά η ακατέργαστη πρώτη ύλη χρειάζεται να ξηρανθεί με τεχνητά μέσα πριν προχωρήσει στην διαδικασία της συσσωμάτωσης. Οι απευθείας θερμαινόμενοι περιστροφικοί κυλινδρικοί ξηραντήρες αποτελούν τον πιο κοινός εξοπλισμός ξήρανσης. Τα αέρια από το σωλήνα που δημιουργούνται από την ανάφλεξη του ξηραντικού καυσίμου οδηγούνται μέσω του ξηραντήρα και έχουν σαν αποτέλεσμα την άμεση θέρμανση της πρώτης ύλης. Για την παραγωγή της θερμότητας στους ξηραντήρες χρησιμοποιούνται είτε φυσικό αέριο είτε ξύλο. 2. Θρυμματισμός Για να παραχθεί ομοιόμορφο υλικό για την διοχέτευσή του στον εξοπλισμό για την πολτοποίηση, η πρώτη ύλη χρειάζεται να θρυμματιστεί. Για αυτό το σκοπό 18

19 χρησιμοποιούνται οι σφυρόμυλοι που τροφοδοτούνται από ηλεκτρικές μηχανές. Η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμική, η οποία συμβάλει σε αυτό το στάδιο στην περαιτέρω εξαγωγή της υγρασίας από την πρώτη ύλη. Το καινούριο μέγεθος της θρυμματισμένης πρώτης ύλης εξαρτάται από την διάμετρο σε mm που θα έχουν τα συσσωματώματα βιομάζας. 3. Προετοιμασία /Βελτιστοποίηση Στην προετοιμασία της πρώτης ύλης για την συσσωμάτωση εφαρμόζεται πολύ θερμός ατμός στην πρώτη ύλη ώστε να αλλάξει η υπόσταση της πρώτης ύλης και να μαλακώσουν οι ξύλινες ίνες. 4. Συσσωμάτωση / Πελετοποίηση Για την πελετοποίηση / συσσωμάτωση της πρώτης ύλης χρησιμοποιούνται κανονικοί μύλοι πελετοποίησης ή αλλιώς πελετέζες. Η ακατέργαστη πρώτη ύλη εισάγετε στο θάλαμο της πελετέζας. Η περιστροφική κίνηση της μήτρας και η πίεση των κυλίνδρων εξαναγκάζουν την πρώτη ύλη μέσω των εσοχών της μήτρας στη συμπίεσή της και στην δημιουργία των συσσωματωμάτων βιομάζας (pellets).ρυθμιζόμενα κοπτικά εργαλεία κόβουν τα συσσωματώματα βιομάζας στο επιθυμητό μήκος. Υπάρχουν δύο τύποι μύλων πελετοποίησης, οι επίπεδης μήτρας και οι κυκλικής μήτρας. Πιο συχνά χρησιμοποιούνται οι κυκλικής μήτρας μύλοι πελετοποίησης στους οποίους η μήτρα του μύλου έχει κυλινδρικό σχήμα και περιστρέφεται και τα συσσωματώματα βιομάζας πρεσάρονται μέσω των κυλίνδρων. Καθώς η πρώτη ύλη μπαίνει στο άνοιγμα μεταξύ της μήτρας και του κυλίνδρου ο κύλινδρος αρχίζει να περιστρέφεται και πιέζει το υλικό στις εσοχές της μήτρας. Στους μύλους επίπεδης μήτρας, η μήτρα παραμένει σταθερή και περιστρέφονται οι τροφοδοτούμενοι κύλινδροι. Όπως και στους «σφυρόμυλους», έτσι και στην διαδικασία αυτή επιτυγχάνεται εξαγωγή υγρασίας από την πρώτη ύλη. 5. Ψύξη 19

20 Η ψύξη της εξευγενισμένης μορφής βιομάζας πλέον δηλαδή των συσσωματωμάτων βιομάζας είναι ένα από τα σημαντικότερα στάδια στην παραγωγή τους. Κατά την διάρκεια της πελετοποίησης παράγεται θερμότητα λόγω της τριβής κατά την συμπίεση της πρώτης ύλης και έχει σαν αποτέλεσμα τα συσσωματώματα βιομάζας (pellets) όταν εξέρχονται από το μύλο πελετοποίησης να έχουν υψηλά επίπεδα θερμότητας ( συνήθως 90 C με 95ο C). Το σχετικά μικρό ποσοστό νερού που έχει απομείνει στην πρώτη ύλη ασκεί ατμοσφαιρική πίεση κατά την μετατροπή του από την υγρή στην αέρια φάση. Για να αποτραπεί η διάλυση των πρόσφατα διαμορφωμένων συσσωματωμάτων βιομάζας από την άσκηση της ατμοσφαιρικής πίεσης είναι συνήθως αναγκαίο να ψύχονται τα συσσωματώματα βιομάζας pellets αμέσως μετά την συμπίεσής τους. Η διαδικασία πελετοποίησης απελευθερώνει υγρασία που πρέπει να αφαιρεθεί μαζί με την παραγόμενη θερμότητα. Όλοι οι παραγωγοί των συσσωματωμάτων βιομάζας (pellets) χρησιμοποιούν συσκευές ψύξης για να αυξήσουν την ανθεκτικότητα των προϊόντων τους. Η διαδικασία ψύξης βοηθάει στην σταθεροποίηση, σκλήρυνση και στην μορφοποίηση των συσσωματωμάτων βιομάζας. Κατά την διάρκεια της διαδικασίας αυτής τα πρόσφατα διαμορφωμένα συσσωματώματα βιομάζας μεταφέρονται μέσω σήραγγας πάνω σε ταινιόδρομο ενώ ταυτόχρονα μεταφέρεται ψυχρός αέρας προς αυτά. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα μια ήπια ψύξη ενώ τα συσσωματώματα βιομάζας που είναι πιο κοντά στην πρέσα συναντάνε τον αέρα που έχει ήδη απορροφήσει κάποια θερμότητα από τα προπορευόμενα συσσωματώματα βιομάζας. 6. Διαχωρισμός, αποθήκευση, μεταφορά Εφόσον τελειώσει η βασική διαδικασία της παραγωγής των συσσωματωμάτων, υπάρχει ακόμα το στάδιο του διαχωρισμού 20

21 στο οποίο τα υπολείμματα από όλη την διαδικασία της παραγωγής διαχωρίζονται από τα συσσωματώματα βιομάζας pellets και ξαναρίχνονται στην παραγωγή από το πρώτο στάδιο ωσότου επιτευχθεί το επιθυμητό αποτέλεσμα. Επίσης, έχουμε τη διαδικασία της αποθήκευσης. Τα τελικά προϊόντα αποθηκεύονται αυτόματα σε : Μικρούς σάκους (15-25 kg, που πωλούνται και παραδίδονται σε παλέτες των 800 kg ή μεμονωμένα ). Αυτό το είδος συσκευασίας είναι κατάλληλο για ελάχιστη κατανάλωση συσσωματωμάτων βιομάζας, π.χ. όταν οι σόμπες συσσωματωμάτων βιομάζας χρησιμοποιούνται μόνο ως βοηθητική θέρμανση. Οι καταναλωτές αγοράζουν τα συσσωματώματα βιομάζας στα οικογενειακά καταστήματα αγαθών (super markets), βενζινάδικα ή γεωργικά καταστήματα και μεταφέρονται στην οικία τους από τους ιδίους. Το πλεονέκτημα της πώλησης συσσωματωμάτων στους σάκους είναι ότι το κόστος μεταφοράς είναι πολύ χαμηλό υπό τον όρο ότι οι σάκοι αντιμετωπίζονται κατάλληλα και τα συσσωματώματα βιομάζας είναι προστατευμένα από την υγρασία για την τήρηση της ποιότητας τους. Εντούτοις, οι τιμές σβόλων με αυτήν την μορφή συσκευασίας είναι πολύ υψηλότερες σε σχέση με την αγορά συσσωματωμάτων βιομάζας από ασυσκεύαστα συσσωματώματα βιομάζας pellets (χύμα). Μεγάλους σάκους (με περιεχόμενο 1 έως 1,5 m³ ή έως 1000kg). Οι περισσότεροι παραγωγοί προσφέρουν επίσης τα pellets κατ' αυτό τον τρόπο. Οι μεγάλοι σάκοι μπορούν να μεταφερθούν είτε με φορτωτές φορτηγά είτε με τρακτέρ είτε με μικρούς γερανούς, γεγονός το οποίο είναι ιδιαίτερα ενοχλητικό και μη εξυπηρετικό, ειδικά για τη μεταφορά στον τελικό καταναλωτή, για αυτό η μεταφορά αυτή χρησιμοποιείται συνήθως για τη μεταφορά των συσσωματωμάτων βιομάζας στους λιανοπωλητές. Η άνευ συσκευασίας μαζική παράδοση σε ένα βυτιοφόρο και ένα αεριώδες γέμισμα της αποθήκης ή των σιλό αποθήκευσης γίνεται ο κύριος τρόπος διανομής συσσωματωμάτων βιομάζας στην Ευρώπη. Ο χειρισμός είναι 21

22 παρόμοιος με αυτόν που χρησιμοποιείται στην παράδοση του πετρελαίου και καλύπτει τις απαιτήσεις ευκολίας τόσο των πελατών όσο και των λιανοπωλητών. Η ασυσκεύαστη μεταφορά συσσωματωμάτων βιομάζας σε ένα βυτιοφόρο και ένα αεριώδες γέμισμα της αποθήκης ή των σιλό αποθήκευσης γίνεται πιο επαγγελματικά οργανωμένη, αλλά υπάρχουν ακόμα διάφορα προβλήματα διάφορα προβλήματα που πρέπει να αντιμετωπιστούν. Οι αποθήκες των πελατών είναι ένα από τα κρίσιμα σημεία στην αλυσίδα παράδοσης και το γέμισμά τους πρέπει να είναι καθαρό και πρακτικό. Διάφορες τεχνολογίες με τους διαφορετικούς όγκους αέρα και διαφορετικές ατμοσφαιρικές πιέσεις πρέπει να δοκιμαστούν και να εξεταστούν. Πρέπει να ληφθούν προφυλάξεις ενάντια στην παραγωγή σκόνης και τη καταστροφή των συσσωματωμάτων βιομάζας κατά τη διάρκεια της τροφοδοσίας της αποθήκης. 22

23 Κεφάλαιο 2 ο : Υφιστάμενη Κατάσταση Καυστήρων Πετρελαίου Οι καυστήρες πετρελαίου είναι ηλεκτροκίνητες συσκευές που διαθέτουν τον αναγκαίο εξοπλισμό και τους κατάλληλους αυτοματισμούς για την προσαγωγή, τον διασκορπισμό, την ανάμειξη με τον αέρα και την καύση του πετρελαίου. Ο διασκορπισμός και η ανάμειξη των σταγονιδίων με τον αέρα γίνονται μέσα στο φλογοθάλαμο του λέβητα. Η σχετική διαδικασία πραγματοποιείται με τρείς τρόπους, με βάση τους οποίους έχουμε διάκριση σε: Καυστήρες εξάτμισης Καυστήρες διασκορπισμού Καυστήρες περιστροφής Εκτός από την παραπάνω βασική διάκριση, υπάρχουν σημαντικές διαφοροποιήσεις μεταξύ των διαφόρων τύπων καυστήρων, στο κύκλωμα τροφοδοσίας του καυσίμου και του αέρα, τη μορφή των ακροφυσίων, τα συστήματα αναμείξεως καυσίμου- αέρα και το σύστημα ελέγχου της φλόγας. Υπάρχουν μερικά κοινά στοιχεία του εξοπλισμού τα οποία συναντώνται σχεδόν στο σύνολο των καυστήρων. Ενδεικτικά μπορούμε να αναφέρουμε μερικά εξ αυτών: Το άνοιγμα προσαγωγής αέρα, Το κέλυφος του καυστήρα (ή περίβλημα), το οποίο περιλαμβάνει όλα τα εξαρτήματα του καυστήρα, Ο ανεμιστήρας, Ο ηλεκτρικός κινητήρας, Ο ηλεκτρικός πίνακας αυτόματης λειτουργίας, Η αντλία καυσίμου, Ο μετασχηματιστής έναυσης, Το ακροφύσιο διασκορπισμού (μπεκ) 23

24 Η κεφαλή καύσεως, Το φωτοκύτταρο εντοπισμού της φλόγας. 2.1 Λέβητες: Ορισμός Λειτουργικός σκοπός Για να επιτευχθεί η επιθυμητή θερμοκρασία στους χώρους ενός κτιρίου, πρέπει να εξασφαλιστεί κατάλληλη πηγή θερμότητας και συστήματος μεταφοράς της στα κατάλληλα σημεία. Ο συνηθέστερος τρόπος παραγωγής θερμότητας είναι η καύση στερεών, υγρών ή αέριων καυσίμων στον λέβητα ( ή τους λέβητες) κάθε εγκατάστασης. Αποτελεί ένα είδος εναλλάκτη θερμότητας, δηλαδή μια συσκευή στην οποία γίνεται συναλλαγή θερμότητας μεταξύ δύο ρευστών. Τα δύο ρευστά είναι τα καυσαέρια της εστίας (θερμαντικό μέσο) και ο φορέας θερμότητας της εγκατάστασης (θερμαινόμενο). Τα ρευστά αυτά κυκλοφορούν, χωρίς να αναμειγνύονται, στο εσωτερικό και εξωτερικό κατάλληλα διαμορφωμένων στοιχείων ( αυλοί, κανάλια) και η μεταξύ τους συναλλαγή θερμότητας γίνεται μέσα από τα τοιχώματα των στοιχείων αυτών. Έχουμε λοιπόν δυο ανεξάρτητα κυκλώματα: το κύκλωμα των καυσαερίων, που είναι «ανοιχτό» και το κύκλωμα του φορέα της θερμότητας (νερό ή ατμός), που είναι κλειστό. 24

25 2.2 Διάκριση των Λεβήτων Υπάρχει μεγάλη ποικιλία λεβήτων ανάλογα με το υλικό κατασκευής τους, τη μορφή του θαλάμου καύσης, το χρησιμοποιούμενο καύσιμο, το μέγεθός τους, τη διαδρομή των καυσαερίων, τη διαμόρφωση του υδροθαλάμου, ειδικά κατασκευαστικά και λειτουργικά στοιχεία, κ.λπ. Ειδικότερα: Ανάλογα με το υλικό κατασκευής τους οι λέβητες διακρίνονται σε χυτοσιδηρούς (ή μαντεμένιους) και χαλύβδινους. Στα εμπορικά έντυπα μάλιστα, το πρώτο στοιχείο που δηλώνουν οι κατασκευαστές είναι ακριβώς το υλικό κατασκευής του φλογοθαλάμου του λέβητα, γιατί αυτό καθορίζει μια σειρά από άλλα σημαντικά χαρακτηριστικά του (π.χ. βάρος). Ανάλογα με το καύσιμο ή τα καύσιμα για τα οποία προορίζονται οι λέβητες, προκύπτει ειδική διαμόρφωση του θαλάμου καύσεως, ενώ τα λειτουργικά του στοιχεία επηρεάζονται σημαντικά από το είδος (στερεό, υγρό, αέριο) και τη θερμική απόδοση (θερμογόνος δύναμη του καυσίμου), αλλά και από τα αναμενόμενα κατάλοιπα της καύσεως, την ποσότητα, το είδος και την θερμοκρασία των καυσαερίων. Ανάλογα με τη θερμική τους ισχύ βρίσκεται σε σχετική αναλογία και με τις γεωμετρικές τους διαστάσεις, οι λέβητες χωρίζονται σε κατηγορίες. Η θερμική ισχύς του λέβητα καθορίζεται (με βάση αυστηρά πρότυπα) σε kw ή kcal/h.με κριτήριο την ισχύ διακρίνονται οι λέβητες σε: Α) μικρούς λέβητες, όταν η θερμική ισχύς τους είναι κατώτερη των 60 kw, Β) μεσαίου μεγέθους λέβητες, όταν η θερμική τους ισχύς κυμαίνεται από kw, Γ) μεγάλου μεγέθους λέβητες, όταν η θερμική ισχύς τους ξεπερνά τα 350 kw. 25