Μονάδες ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας για παραγωγή ηλεκτρισμού

Μέγεθος: px
Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Μονάδες ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας για παραγωγή ηλεκτρισμού"

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του ΕΥΑΓΓΕΛΟΥ ΦΛΙΤΡΗ με θέμα Μονάδες ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας για παραγωγή ηλεκτρισμού ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ : ΣΑΜΑΡΑΣ ΖΗΣΗΣ ΑΡΜΟΔΙΟΣ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ : ΜΕΡΤΖΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ Θεσσαλονίκη, Μάρτιος 2013

2

3 1. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ 5. Υπεύθυνος: 2. ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ 3. ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΤΟΜΕΑΣ Αρμόδιος Παρακολούθησης: ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ Καθ. Ζήσης Σαμαράς Δημήτριος Μερτζής 7. Τίτλος εργασίας: ΜΟΝΑΔΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ Ονοματεπώνυμο φοιτητή : ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ ΦΛΙΤΡΗΣ 9. Θεματική περιοχή: 10. Ημερομηνία έναρξης: 8. Αριθμός μητρώου: Ημερομηνία παράδοσης: 12. Αριθμός εργασίας: Παραγωγή Ενέργειας 14. Περίληψη: Μάρτιος 2011 Μάρτιος Στοιχεία εργασίας: Η παρούσα διπλωματική εργασία είναι μία έκθεση που αφορά : 1. Tην περιγραφή των θερμοχημικών διεργασιών αξιοποίησης βιομάζας για παραγωγή ηλεκτρισμού: Καύση Αεριοποίηση Πυρόλυση 2. Την περιγραφή των διαθέσιμων τεχνολογιών για κάθε περίπτωση θερμοχημικής αξιοποίησης βιομάζας. Αρ. Σελίδων: 316 Αρ. Εικόνων: 165 Αρ. Πινάκων: 108 Αρ. Παραρτημάτων: 3 Αρ. Παραπομπών: Λέξεις κλειδιά: Βιομάζα Καύση Θερμοχημική αεριοποίηση Πυρόλυση 9. Σχόλια: 3. Την περιγραφή ορισμένων σύγχρονων μονάδων παραγωγής ηλεκτρισμού ή/και θερμότητας για κάθε περίπτωση θερμοχημικής αξιοποίησης βιομάζας. 18. Συμπληρωματικές παρατηρήσεις: 19. Βαθμός: - 0 -

4 - 1 -

5 Περιεχόμενα Περίληψη 6 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1.1 Ιστορική αναδρομή Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στις ημέρες μας Βιομάζα 15 Κεφάλαιο 2 Καύση 2.1 Γενικά Περιγραφή επιμέρους σταδίων καύσης Παράμετροι καύσης Συμπεράσματα για την καύση Είδη αντιδραστήρων καύσης βιομάζας Αντιδραστήρες καύσης σταθερής κλίνης Αντιδραστήρες καύσης τύπου σχάρας μεταφοράς Αντιδραστήρες καύσης τύπου σταθερής σχάρας με κλίση Αντιδραστήρες καύσης τύπου παλινδρομικά κινούμενης σχάρας με κλίση Αντιδραστήρες καύσης τύπου παλινδρομικά κινούμενης οριζόντιας σχάρας Αντιδραστήρες καύσης τύπου δονούμενης σχάρας Αντιδραστήρες καύσης τύπου τσιγάρου Αντιδραστήρες καύσης τύπου περιστρεφόμενης κωνικής σχάρας Αντιδραστήρες καύσης τύπου περιστρεφόμενου κώνου Αντιδραστήρες καύσης τύπου ακίνητης κωνικής σχάρας Αντιδραστήρες καύσης ρευστοποιημένης κλίνης Αντιδραστήρες καύσης τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης Αντιδραστήρες καύσης τύπου κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης

6 2.8 Αντιδραστήρες καύσης εξαναγκασμένης ροής Αντιδραστήρες καύσης τύπου στροβιλισμού Αντιδραστήρες καύσης τύπου κυκλώνα Συγκριτικοί πίνακες αντιδραστήρων καύσης βιομάζας Επιλογή τεχνολογίας καύσης Δυνατότητες αύξησης του βαθμού απόδοσης σε μονάδες καύσης βιομάζας Παραδείγματα σύγχρονων ηλεκτροπαραγωγών μονάδων καύσης βιομάζας Wilton Steven s Croft Western Wood Energy Power Plant Heineken U.K Greenpower 105 Κεφάλαιο 3 Θερμοχημική Αεριοποίηση 3.1 Γενικά Περιγραφή λειτουργίας ενός αντιδραστήρα αεριοποίησης Χαρακτηριστικά καυσίμου κατάλληλου για αντιδραστήρες αεριοποίησης Είδη αντιδραστήρων αεριοποίησης βιομάζας Αντιδραστήρες αεριοποίησης σταθερής κλίνης ή πυκνής μορφής Αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου ανοδικής ροής ή αντιροής Αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου καθοδικής ροής ή ομοροής Αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου διασταυρούμενης ροής Αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου ανοιχτής κορυφής Προβλήματα που ενδέχεται να παρουσιαστούν κατά τη λειτουργία των αντιδραστήρων σταθερής κλίνης Σύγκριση αντιδραστήρων αεριοποίησης σταθερής κλίνης Συμπεράσματα για αντιδραστήρες αεριοποίησης σταθερής κλίνης Αντιδραστήρες αεριοποίησης σταθερής κλίνης δύο σταδίων Αντιδραστήρες αεριοποίησης ρευστοποιημένης κλίνης ή αραιής μορφής

7 Αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης Αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης Αντιδραστήρες αεριοποίησης ρευστοποιημένης κλίνης δύο σταδίων Αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου εξαναγκασμένης ροής Διάταξη αεριοποίησης υψηλής ποιότητας παραγόμενου αερίου Αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου πλάσματος Παραδείγματα σύγχρονων ηλεκτροπαραγωγών μονάδων αεριοποίησης βιομάζας Viking Gussing Skive Volund Meva Innovation Blue Tower 183 Κεφάλαιο 4 Πυρόλυση 4.1 Γενικά Περιγραφή της εξέλιξης του φαινομένου της πυρόλυσης Προϊόντα γρήγορης πυρόλυσης Είδη πυρόλυσης Είδη αντιδραστήρων πυρόλυσης βιομάζας Αντιδραστήρες πυρόλυσης αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης Αντιδραστήρες πυρόλυσης κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης Αντιδραστήρες πυρόλυσης κενού Αντιδραστήρες πυρόλυσης περιστρεφόμενου κώνου Αντιδραστήρες πυρόλυσης με ασκούμενη πίεση επί της βιομάζας Αντιδραστήρες πυρόλυσης τύπου ατέρμονα κοχλία Αντιδραστήρες πυρόλυσης εξαναγκασμένης ροής

8 4.6 Συγκριτικοί πίνακες αντιδραστήρων γρήγορης πυρόλυσης Παραδείγματα σύγχρονων μονάδων πυρόλυσης βιομάζας West Lorne Fortum Kior Renfrew MPS Huber Empyro 264 Κεφάλαιο 5 Επίλογος 5.1 Σύγκριση τεχνολογιών αξιοποίησης βιομάζας Συμπεράσματα Προτάσεις για περαιτέρω έρευνα 292 Κεφάλαιο 6 Παράρτημα 6.1 Συμπαραγωγή ηλεκτρισμού θερμότητας Φαινόμενο ρευστοποιημένης κλίνης Ατμοστρόβιλοι 301 Βιβλιογραφία Πηγές

9 Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία είναι μία έκθεση που αφορά : 3. Tην περιγραφή των θερμοχημικών διεργασιών αξιοποίησης βιομάζας για παραγωγή ηλεκτρισμού: Καύση Αεριοποίηση Πυρόλυση 4. Την περιγραφή των διαθέσιμων τεχνολογιών για κάθε περίπτωση θερμοχημικής αξιοποίησης βιομάζας. 3. Την περιγραφή ορισμένων σύγχρονων μονάδων παραγωγής ηλεκτρισμού ή/και θερμότητας για κάθε περίπτωση θερμοχημικής αξιοποίησης βιομάζας

10 - 7 -

11 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1.1 Ιστορική αναδρομή Εικόνα 1.1: Ο Βόλτα επιδεικνύει τη βολταϊκή στήλη στο Ναπολέοντα Τα τέλη του 18ου αιώνα στο πανεπιστήμιο της Παβία ο Α. Βόλτα (Alessandro Volta) μελετούσε την επίδραση του ηλεκτρισμού στις ανθρώπινες αισθήσεις. Παρακολουθώντας τα πειράματα του συναδέλφου και συμπατριώτη του Λ. Γαλβάνι επέμεινε ιδιαίτερα στη σημασία της ύπαρξης δυο διαφορετικών μετάλλων. Σε ένα από τα πειράματά του έβαλε ένα μεταλλικό κέρμα πάνω στη γλώσσα του και ένα άλλο από διαφορετικό μέταλλο κάτω από τη γλώσσα του. Όταν συνέδεσε τα δυο μέταλλα με συρμάτινο αγωγό αισθάνθηκε μια ιδιαίτερη γεύση. Αρχικά επηρεασμένος από τον Γαλβάνι, υπέθεσε ότι έχει άλλη μια ένδειξη ζωικού ηλεκτρισμού αλλά το 1796 ανακάλυψε ότι μπορούσε να δημιουργήσει ηλεκτρικό ρεύμα αν αντικαθιστούσε τη γλώσσα με χαρτόνι διαποτισμένο με άλμη. Έτσι οδηγήθηκε στο συμπέρασμα ότι ο ηλεκτρισμός παράγεται από την επαφή δυο διαφορετικών μετάλλων με κάποιο υγρό συνδετικό υλικό. Εφαρμόζοντας τις απόψεις του άρχισε να πειραματίζεται φέρνοντας σε επαφή διάφορα μέταλλα και γρήγορα πείσθηκε ότι είχε δίκιο. Το 1800, ο Βόλτα κατασκεύασε τη "βολταϊκή στήλη", μια συσκευή που παρήγε συνεχώς ηλεκτρισμό, εφόσον αυτός απαγόταν από τη συσκευή. Έτσι δημιουργούνταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα, το οποίο αποδείχθηκε πολύ πιο χρήσιμο από το ακίνητο φορτίο του στατικού ηλεκτρισμού

12 Εικόνα 1.2: Η βολταϊκή στήλη Η βολταϊκή στήλη αποτελούταν από μικρές κυκλικές πλάκες από χαλκό και ψευδάργυρο και μικρούς δίσκους χαρτονιού που ήταν διαποτισμένοι με αλατούχο διάλυμα. Τοποθέτησε διαδοχικά δίσκους (από κάτω προς τα πάνω) χαλκού, ψευδαργύρου, χαρτονιού - χαλκού, ψευδαργύρου, χαρτονιού και ούτω καθεξής. Όταν το πάνω και το κάτω μέρος της συστοιχίας ενώνονταν με ένα σύρμα, παραγόταν ηλεκτρικό ρεύμα. Η ανακοίνωση της εφεύρεσης της στήλης του Βόλτα έγινε στις 20/3/1800 με επιστολή προς τον Joseph Banks, πρόεδρο της Βασιλικής Εταιρείας του Λονδίνου. Η νέα συσκευή προκάλεσε μεγάλο ενδιαφέρον στην επιστημονική κοινότητα της εποχής αλλά και στον υπόλοιπο κόσμο. Το Νοέμβριο του 1800 προσκαλεσμένος στο Παρίσι, ο Βόλτα, εκτελεί πειράματα με την "εκπληκτική" στήλη του. Επιδεικνύει την εφεύρεσή του στην Ακαδημία των Επιστημών. Ο Ναπολέων τον τιμά με ειδικό μετάλλιο, τον ονομάζει κόμη και συγκλητικό του βασιλείου της Λομβαρδίας και παραγγέλνει να κατασκευαστεί μια μεγάλη συστοιχία (μπαταρία) από 600 στήλες, την οποία προσφέρει στην Πολυτεχνική σχολή του Παρισιού (Ecole Polytechnique). Μια ακόμα ισχυρότερη συστοιχία κατασκευάζεται στο Λovδίvο από τη Βασιλική Εταιρεία (Rοyal Society). Οι συνέπειες διαδέχονται η μία την άλλη. Καθώς οι επιστήμονες είναι σε θέση να παράγουν συνεχές ρεύμα, μπορούν να μελετήσουν τη ροή του ηλεκτρισμού. Ο αιώνας του ηλεκτρισμού είχε αρχίσει! [1] Αν και ο ηλεκτρισμός ήταν γνωστό ότι μπορούσε να παραχθεί ως αποτέλεσμα χημικών αντιδράσεων από τότε που ο Alessandro Volta εφεύρε τη βολταϊκή στήλη, η παραγωγή του με αυτή τη μέθοδο ήταν και εξακολουθεί να είναι ακριβή. Το 1831, ο Μάικλ Φαραντέι επινόησε ένα μηχάνημα με το οποίο παράγεται ηλεκτρική ενέργεια από την περιστροφική κίνηση, αλλά χρειάστηκαν σχεδόν 50 χρόνια προκειμένου η τεχνολογία να επιτρέψει μία εμπορικά βιώσιμη εφαρμογή. Το 1881 άρχισε να λειτουργεί η πρώτη μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στο Godalming της Αγγλίας, μεταξύ Λονδίνου και Πόρτσμουθ, με ισχύ 746 kw el. Η πόλη αυτή απέκτησε και τον πρώτο δημόσιο ηλεκτρικό φωτισμό, αρχικά με 3 λάμπες βολταϊκού τόξου και 7 λάμπες πυρακτώσεως και αργότερα με 4 και 27 λάμπες αντίστοιχα. Η γεννήτρια ήταν μονοφασική της εταιρίας Siemens που παρείχε 250V/12Α με στροφές ανά λεπτό. Η κίνηση της γεννήτριας προερχόταν από δύο υδρόμυλους και λειτουργούσε μόνο σε εποχή κανονικών βροχοπτώσεων, γιατί δεν ήταν δυνατόν να ελεγχθεί επαρκώς η ροή νερού στο ποτάμι που διέτρεχε την πόλη

13 Στη Γερμανία εγκαταστάθηκε η πρώτη μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στη Στουτγάρδη το έτος 1882 και ήταν σε θέση να τροφοδοτήσει μέχρι 30 λάμπες πυρακτώσεως. Το ίδιο έτος άρχισαν να φωτίζουν δρόμους του Βερολίνου ηλεκτρικές λάμπες χαμηλής ισχύος, οι οποίες τροφοδοτούνταν από γειτονικές μονάδες παραγωγής. Το έτος 1885 εγκαταστάθηκε στο Βερολίνο ο πρώτος σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, ο οποίος είχε από την πόλη την άδεια να τροφοδοτεί καταναλωτές ιδιώτες σε μία ακτίνα 800 μέτρων. Μέσα στην περιοχή που καθοριζόταν από τα όρια αυτής της ακτίνας η εταιρία παραγωγής ηλεκτρισμού είχε το δικαίωμα να τοποθετεί αγωγούς για την παροχή ρεύματος. Το έτος 1885 ο William Stanley, υπάλληλος της εταιρίας Westinghouse, κατασκεύασε ένα επαγωγικό πηνίο ή όπως λέμε σήμερα, ένα μετασχηματιστή ισχύος, με τον οποίο μετέβαλε κατ' επιθυμία την εναλλασσόμενη τάση. Με την αξιοποίηση του μετασχηματιστή επικράτησε οριστικά το εναλλασσόμενο ρεύμα έναντι του συνεχούς. Το έτος 1886 κατασκευάστηκε στη Γερμανία μια τριφασική γραμμή που τροφοδοτούταν από 3 μονοφασικούς κινητήρες και ένα χρόνο αργότερα ο Friedrich August Haselwander κατασκεύασε την πρώτη τριφασική γεννήτρια (σύγχρονη μηχανή). Αξιοποιώντας τα πειράματα διαφόρων ερευνητών, ο Ρώσο-Γερμανός Michael Dolivo- Dobrowolsky κατασκεύασε το έτος 1889 τον πρώτο επαγωγικό τριφασικό κινητήρα με ικανοποιητική συμπεριφορά. Ο κινητήρας αυτός λειτουργούσε με βραχυκυκλωμένο κλωβό του δρομέα και κατασκευάστηκε στα εργαστήρια της εταιρίας AEG στο Βερολίνο. Μέχρι σήμερα δεν άλλαξε ουσιαστικά η βασική κατασκευαστική αρχή αυτών των κινητήρων, οι οποίοι είναι οι περισσότερο διαδεδομένοι σε όλες τις εφαρμογές. Στα επόμενα χρόνια εξελίχθηκε το γερμανικό τριφασικό σύστημα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας σε τέτοιο βαθμό, ώστε το έτος 1891 τροφοδοτήθηκε η Φραγκφούρτη, σε απόσταση 175 χλμ από το εργοστάσιο παραγωγής. Το έτος 1893 η εταιρία Westinghouse τροφοδοτούσε περί τις λαμπτήρες στην παγκόσμια έκθεση εμπορίου του Σικάγου. Ο Χάζελβάντερ που προαναφέρθηκε είχε δηλώσει την κατασκευή του για απονομή διπλώματος ευρεσιτεχνίας, αλλά κάποιες διαπλοκές των αρμόδιων υπαλλήλων με εταιρίες οδήγησαν στην εξαπάτησή του. Τελικά το έτος 1932, μετά το θάνατο του εφευρέτη, οι εταιρίες Siemens και AEG αναγνώρισαν ότι η ευρεσιτεχνία των μηχανών που κατασκεύαζαν προερχόταν από την αίτηση και τα τεχνικά σχέδια του Χάζελβάντερ. Η αυξανόμενη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας οδήγησε την παραγωγή σε αδιέξοδο, διότι η μοναδική κινητήρια μηχανή, η ατμομηχανή, δεν ήταν σε θέση να καλύψει τις τεχνικές απαιτήσεις. Η αναζήτηση για μια νέα κινητήρια μηχανή οδήγησε αρχικά τον Άγγλο C.A. Parsons ( ) και αργότερα τον Σουηδό C.G.P. Laval ( ) στην κατασκευή των ατμοστροβίλων. Η αρχή λειτουργίας του ατμοστρόβιλου ήταν βέβαια γνωστή ήδη από την εποχή του Ήρωνα και αργότερα από τον 17ο αιώνα. Οι πρώτες μονάδες σταθερής απόδοσης κατασκευάστηκαν όμως το 1884 από τον Parsons και το 1899 από τον Laval, του οποίου ο ατμοστρόβιλος ήταν μια παραλλαγή εκείνου του Parsons. Το έτος 1903 κατασκευάστηκε ο πρώτος υδροηλεκτρικός σταθμός στην πόλη Nexaca του Μεξικού, με παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ 6,25 MW el, ο οποίος λειτουργεί ακόμα 100 χρόνια μετά. Το 1905 άρχισε η λειτουργία της γραμμής υψηλής τάσης 50kV στην περιοχή του Μονάχου και το 1909 της γραμμής 100kV με μήκος 290 χλμ στο Sohshona- Boulder των ΗΠΑ. Με την εξάπλωση των δικτύων μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας επήλθε η δεύτερη μεγάλη αλλαγή, μετά το σιδηρόδρομο, στο τοπίο των βιομηχανικά αναπτυγμένων χωρών, τόσο λόγω των εναέριων γραμμών μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, όσο και λόγω των υπαίθριων μετασχηματιστών και κέντρων μετασχηματισμού της υψηλής τάσης

14 Το έτος 1889 έφτασε ο «ηλεκτρισμός» στην Ελλάδα. Σύμφωνα με τα ιστορικά στοιχεία της ΔΕΗ, η «Γενική Εταιρεία Εργοληψιών» κατασκεύασε στην Αθήνα, στην οδό Αριστείδου, την πρώτη μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Το πρώτο κτίριο που φωτίζεται είναι τα Ανάκτορα και πολύ σύντομα ο ηλεκτροφωτισμός επεκτείνεται στο σημερινό ιστορικό κέντρο της πόλης. Τον ίδιο χρόνο ηλεκτροδοτείται επίσης η Θεσσαλονίκη, η οποία ανήκει ακόμα στην Οθωμανική Αυτοκρατορία. Η «Βελγική Εταιρία» αναλαμβάνει απ' τις τουρκικές αρχές το φωτισμό και την τροχιοδρόμηση της πόλης με την κατασκευή εργοστασίου παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Δέκα χρόνια αργότερα εμφανίζονται στην Ελλάδα οι πολυεθνικές εταιρίες ηλεκτρισμού. Η αμερικανική εταιρία Thomson-Houston με τη συμμετοχή της Εθνικής Τράπεζας ιδρύουν την «Ελληνική Ηλεκτρική Εταιρία» που αναλαμβάνει την ηλεκτροδότηση μεγάλων ελληνικών πόλεων. Μέχρι το 1929 θα έχουν ηλεκτροδοτηθεί 250 πόλεις με πληθυσμό πάνω από κατοίκους. Στις πιο απόμακρες περιοχές, που ήταν ασύμφορο για τις μεγάλες εταιρίες να κατασκευάσουν μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, αναλαμβάνουν την ηλεκτροδότηση ιδιώτες ή δημοτικές και κοινοτικές αρχές κατασκευάζοντας μικρά εργοστάσια. Το έτος 1950 υπήρχαν στη Ελλάδα περίπου 400 εταιρίες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Ως πρωτογενή ενέργεια χρησιμοποιούσαν το πετρέλαιο και το γαιάνθρακα, αμφότερα φυσικά εισαγόμενα από το εξωτερικό. Η κατάτμηση αυτή της παραγωγής σε πολλές μονάδες, σε συνδυασμό με τα εισαγόμενα καύσιμα, εξωθούσε την τιμή της ηλεκτρικής ενέργειας στα ύψη, φτάνοντας στο τριπλάσιο μέχρι και πενταπλάσιο των τιμών που ίσχυαν σε ευρωπαϊκές χώρες. Η ηλεκτρική ενέργεια ήταν λοιπόν ένα αγαθό πολυτελείας, αν και τις περισσότερες φορές παρεχόταν με ωράριο και οι ξαφνικές διακοπές ήταν σύνηθες φαινόμενο. Μετά το έτος 1950 ιδρύθηκε η ΔΕΗ και οι δραστηριότητες παραγωγής, μεταφοράς και διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας συγκεντρώθηκαν σε ένα δημόσιο φορέα, με όλα τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα που έχει μια τέτοια επιλογή. [2]

15 1.2 Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στη σύγχρονη εποχή Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας παγκοσμίως μέχρι και τα τέλη της δεκαετίας του εξήντα γινόταν αποκλειστικά από συμβατικούς σταθμούς που ως πρώτη ύλη χρησιμοποιούν λιγνίτη ή πετρέλαιο, χωρίς να έχει γίνει κάποια σημαντική προσπάθεια, τουλάχιστον σε επίπεδο μαζικής παραγωγής, για την εύρεση εναλλακτικών μορφών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Μοναδική εναλλακτική τεχνολογία που είχε εφαρμοστεί μέχρι τότε και που ήταν ικανή για μαζική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, είναι οι πυρηνικοί σταθμοί. Μετά το 1973 και την πρώτη παγκόσμια πετρελαϊκή κρίση αναθερμάνθηκε το ενδιαφέρον για τη χρήση Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (Α.Π.Ε.). Το ενδιαφέρον άρχισε να γίνεται εντονότερο τα τελευταία χρόνια εξαιτίας των δυσμενών προβλέψεων για τα αποθέματα πρώτων υλών για τις συμβατικές μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά και μετά τη διάσκεψη του Ρίο και τη διακήρυξη του Κιότο. Πλέον αποτελεί παγκόσμιο περιβαλλοντολογικό στόχο η μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων ούτως ώστε να αντιμετωπιστούν οι δυσμενείς συνέπειες από τη φωτοχημική ρύπανση στο περιβάλλον και να περιοριστούν οι αρνητικές επιπτώσεις του φαινομένου του θερμοκηπίου. Η κοινή γνώμη έχει επικεντρώσει τη προσοχή της στην αποφυγή του φαινομένου του θερμοκηπίου και αποστρέφεται οτιδήποτε οδηγεί την ανθρωπότητα πιο κοντά σε αυτό. Τις περισσότερες επικρίσεις συγκεντρώνουν οι κλάδοι της ενέργειας και των μεταφορών, οι οποίοι κατά γενική διαπίστωση συμβάλουν περισσότερο στη συσσώρευση της ατμόσφαιρας με αέρια του θερμοκηπίου. H έντονη αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας σε παγκόσμια κλίμακα προβληματίζει τους ειδικούς αλλά δε φαίνεται προς το παρόν τουλάχιστον να απασχολεί τους καταναλωτές, με αποτέλεσμα οι συνολικές εκλύσεις διοξειδίου του άνθρακα να εκτιμώνται ότι είναι της τάξεως των 6 δισεκατομμυρίων τόνων ετησίως και αυξάνονται με ευθέως ανάλογο ρυθμό προς τη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας. Από την άλλη, η φυσική ικανότητα απορρόφησης της γης για το συγκεκριμένο αέριο, δεν υπερβαίνει τα 3 δισεκατομμύρια τόνους ετησίως. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να αυξάνεται η μέση θερμοκρασία του πλανήτη. Έχει αποδειχθεί από περιβαλλοντολογικές μελέτες, πως η μέση θερμοκρασία του πλανήτη έχει αυξηθεί κατά 0,6 ο C έως 0,9 ο C το διάστημα μεταξύ 1906 και 2005 με το ρυθμό αύξησης της θερμοκρασίας να αυξάνεται με την πάροδο των χρόνων. Είναι σίγουρο ότι η μέση θερμοκρασία του πλανήτη θα αυξηθεί ακόμη περισσότερο στο μέλλον.[3] Η Ελλάδα όπως και όλες οι ανεπτυγμένες χώρες του κόσμου έχουν δεσμευτεί από τη συνθήκη του Κιότο για τη μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων και ιδίως για τη μείωση των συγκεντρώσεων σε αυτούς των CO 2, SO x, NO x. Στην Ελλάδα, μία από τις κύριες πηγές αυτών των ρύπων είναι τα εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος που χρησιμοποιούν συμβατικά καύσιμα (λιγνίτη, μαζούτ και ντίζελ). Η Ελλάδα είναι συγκριτικά με άλλες ευρωπαϊκές χώρες φτωχή σε φυσικές πρώτες ύλες (λιγνίτη και πετρέλαιο), ενώ υπάρχει μόνο λιγνίτης χαμηλής θερμογόνου δύναμης ο οποίος παρόλα αυτά συνεισφέρει κατά το μεγαλύτερο ποσοστό στην ενεργειακή ζήτηση της χώρας. Κατά συνέπεια, η ενεργειακή ζήτηση της Ελλάδας καλύπτεται σε σημαντικό βαθμό από εισαγόμενες πρώτες ύλες, όπως το πετρέλαιο και τα τελευταία χρόνια το φυσικό αέριο (από το 1998), των οποίων οι τιμές παρουσιάζουν σημαντικές διακυμάνσεις ανάλογα με τις παγκόσμιες συγκυρίες

16 Ηλεκτρισμός μπορεί να παραχθεί αξιοποιώντας κάποια από τις παρακάτω πηγές ενέργειας : Συμβατικές Πηγές Ενέργειας (ΣΠΕ) Γαιάνθρακες ( ανθρακίτης, λιθάνθρακας, λιγνίτης, τύρφη) Πετρέλαιο Φυσικό Αέριο Πυρηνικά καύσιμα Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) Ενέργεια από υδατοπτώσεις Ηλιακή ενέργεια Αιολική ενέργεια Γεωθερμία Βιομάζα Ενέργεια από παλίρροια κύματα Στην εικόνα 1.3 στην 3 η στήλη καταγράφεται η ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και το ισοζύγιο εισαγωγών εξαγωγών (MWh) για το διασυνδεδεμένο δίκτυο στην Ελλάδα το έτος Παρατηρείται ότι η ελληνική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας βασίζεται στην καύση λιγνίτη και φυσικού αερίου ενώ η εκμετάλλευση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας μπορεί να είναι ακόμη περιορισμένη όμως παρουσιάζει αυξητικές τάσεις (4 η στήλη). [4] Εικόνα 1.3: Δελτίο ισοζυγίου ηλεκτρικής ενέργειας στο διασυνδεδεμένο σύστημα της Ελλάδας για το έτος

17 Εικόνα 1.4: Προέλευση παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας στην Ελλάδα και την Ε.Ε. κατά το έτος 2009 Στην εικόνα 1.4 παρουσιάζεται η προέλευση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας στην Ελλάδα ( μαζί με τα νησιά ) και στην Ευρωπαϊκή Ένωση για το έτος Παρατηρούμε ότι το ποσοστό της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας προερχόμενης από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας στην Ελλάδα ( 13 % ) είναι κάτω από το μέσο όρο των χωρών - μελών της Ευρωπαϊκής Ένωσης ( 18 % ). Στην εικόνα 1.5 παρουσιάζεται η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια που προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ως ποσοστό της συνολικής κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας για κάθε κράτος της Ευρωπαϊκής Ένωσης κατά το έτος [5] Εικόνα 1.5: Παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια που προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ως ποσοστό της συνολικά παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας για τα κράτη της Ε.Ε

18 1.3 Βιομάζα Η βιομάζα με την ευρύτερη έννοια του όρου περιλαμβάνει οποιοδήποτε υλικό προέρχεται από ζωντανούς οργανισμούς. Ειδικότερα, η βιομάζα για ενεργειακούς σκοπούς περιλαμβάνει κάθε τύπο οργανικής ύλης που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή στερεών, υγρών ή αέριων καυσίμων. Σύμφωνα με τον Ν.3468/2006, αρ. 2 παρ. 8, ως βιομάζα ορίζεται, το «βιοαποικοδομήσιμο κλάσμα προϊόντων, αποβλήτων και καταλοίπων που προέρχονται από τις γεωργικές, συμπεριλαμβανομένων φυτικών και ζωικών ουσιών, τις δασοκομικές και τις συναφείς βιομηχανικές δραστηριότητες, καθώς και το βιοαποικοδομήσιμο κλάσμα βιομηχανικών αποβλήτων και αστικών λυμάτων και απορριμμάτων». Η βιομάζα αποτελεί μία δεσμευμένη και αποθηκευμένη μορφή της ηλιακής ενέργειας και είναι αποτέλεσμα της φωτοσυνθετικής δραστηριότητας των φυτικών οργανισμών. Η χλωροφύλλη των φυτών μετασχηματίζει την ηλιακή ενέργεια με μια σειρά διεργασιών, χρησιμοποιώντας ως βασικές πρώτες ύλες διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα καθώς νερό και ανόργανα συστατικά από το έδαφος. Νερό + Διοξείδιο του άνθρακα + Ηλιακή ενέργεια (φωτόνια) + Ανόργανα στοιχεία Βιομάζα + Οξυγόνο Από τη στιγμή που σχηματίζεται η βιομάζα, μπορεί πλέον κάλλιστα να χρησιμοποιηθεί ως πηγή ενέργειας. Η βιομάζα αποτελεί μια σημαντική, ανεξάντλητη και φιλική προς το περιβάλλον πηγή ενέργειας, η οποία είναι δυνατό να συμβάλλει σημαντικά στην ενεργειακή επάρκεια, αντικαθιστώντας τα συνεχώς εξαντλούμενα αποθέματα ορυκτών καυσίμων (πετρέλαιο, άνθρακας, φυσικό αέριο κ.ά.). Σε γενικές γραμμές, το μέλλον της βιομάζας στην Ευρωπαϊκή Ένωση παρουσιάζεται ευοίωνο. Η ετήσια παραγωγή βιομάζας από τα γεωργικά υπολείμματα στη χώρα μας ανέρχεται σε 5 εκατομμύρια τόνους ξηρού βάρους ετησίως. Η ποσότητα αυτή αντιστοιχεί περίπου σε 2 εκατομμύρια τόνους ισοδύναμού πετρελαίου (ΜΤΙΠ). Όσο αναφορά την Ευρωπαϊκή Ένωση η ετήσια παραγωγή βιομάζας από γεωργικά υπολείμματα ανέρχεται σε 55,4 εκατομμύρια τόνους ισοδύναμού πετρελαίου (ΜΤΙΠ). Στην εικόνα 1.6 παρουσιάζεται η συνολική εγκατεστημένη ηλεκτρική ισχύς (MW el ) ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στην Ευρωπαϊκή Ένωση μέχρι το Παρατηρείται ότι οι υδατοπτώσεις συνεισφέρουν περισσότερο στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας όμως η εγκατεστημένη ισχύς παραμένει σταθερή ενώ με το πέρασμα των χρόνων εγκαθίστανται όλο και περισσότερες μονάδες ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας για παραγωγή ηλεκτρισμού. Θα μπορούσε κάποιος να υποθέσει ότι στο μέλλον η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας θα βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στην ενεργειακή εκμετάλλευση της βιομάζας. [6]

19 Εικόνα 1..6 : Παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας στην Ε.Ε. Στην εικόνα 1.7 παρουσιάζεται η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (GWh) από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας για κάθε κράτος της Ευρωπαϊκής Ένωσης το Παρατηρούμε ότι στην Ελλάδα μέχρι το 2008 φαίνεται να μην αξιοποιείται ενεργειακά η βιομάζα. Έτσι λοιπόν θα μπορούσαμε να υποθέσουμε ότι υπάρχουν πολλά περιθώρια εφαρμογής τεχνολογιών ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας στην Ελλάδα. [6] Εικόνα 1.7: Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές για κάθε κράτος της Ε.Ε. το

20 Πλεονεκτήματα από την ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας 1. Η αποτροπή του φαινομένου του θερμοκηπίου, το οποίο οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στο διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) που παράγεται από την καύση ορυκτών καυσίμων. Η βιομάζα δεν συνεισφέρει στην αύξηση της συγκέντρωσης του ρύπου αυτού στην ατμόσφαιρα γιατί, ενώ κατά την καύση της παράγεται CO 2, κατά την παραγωγή της και μέσω της φωτοσύνθεσης επαναδεσμεύονται σημαντικές ποσότητες αυτού του ρύπου. 2. Η αποφυγή της επιβάρυνσης της ατμόσφαιρας με το διοξείδιο του θείου (SO 2 ) που παράγεται κατά την καύση των ορυκτών καυσίμων και συντελεί στο φαινόμενο της όξινης βροχής. Η περιεκτικότητα της βιομάζας σε θείο είναι πρακτικά αμελητέα. 3. Η μείωση της ενεργειακής εξάρτησης μίας χώρας, που είναι αποτέλεσμα της εισαγωγής καυσίμων από τρίτες χώρες, με αντίστοιχη εξοικονόμηση συναλλάγματος. 4. Η διάδοση της χρήσης μονάδων αξιοποίησης βιομάζας για παραγωγή ηλεκτρισμού θα δημιουργήσει μία νέα αγορά και πολλές νέες θέσεις εργασίας στον κατασκευαστικό και αγροτικό τομέα, αλλά και στον τομέα των υπηρεσιών. Αυτές οι νέες θέσεις εργασίας είναι σε θέση να ενισχύσουν την περιφερειακή ανάπτυξη μίας χώρας. 5. Η βιομάζα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για συνεχή παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας που δεν εξαρτάται από τις καιρικές συνθήκες, όπως συμβαίνει με την ηλιακή, αιολική και υδροδυναμική ενέργεια 6. Τα συστήματα αξιοποίησης βιομάζας για συμπαραγωγή (ηλεκτρισμού και θερμότητας) μπορούν να επιτύχουν υψηλούς βαθμούς απόδοσης. 7. Τα τελευταία χρόνια έχει διαπιστωθεί ότι μεγάλες εκτάσεις εύφορης γης σε χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης τίθενται εκτός παραγωγικής δραστηριότητας. Η χρήση και επομένως η ζήτηση βιομάζας για παραγωγή ηλεκτρισμού θα μπορούσε να ενθαρρύνει τις ενεργειακές καλλιέργειες σε αυτές τις αναξιοποίητες εκτάσεις. 8. Εντός Ευρωπαϊκής Ένωσης, υπάρχουν απομακρυσμένες περιοχές οι οποίες καλύπτουν τις ανάγκες τους σε ηλεκτρική ενέργεια τροφοδοτούμενες από αποκεντρωμένα συστήματα παραγωγής ηλεκτρισμού με αυξημένο κόστος παραγόμενης kwh. Σε αυτές τις περιπτώσεις θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν μονάδες μικρής κλίμακας, ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας. 9. Σε διάφορες βιομηχανικές δραστηριότητες παράγονται υπολείμματα βιομάζας η απομάκρυνση των οποίων απαιτεί κάποιο υπολογίσιμο κόστος. Η χρήση αυτών των ροών απόβλητης βιομάζας σε παρακείμενες μονάδες ενεργειακής αξιοποίησης αποτελεί μία οικονομικά βιώσιμη λύση. 10. Η εγκατάσταση μονάδων μικρής κλίμακας ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας για παραγωγή ηλεκτρισμού θα συμβάλει στην εξέλιξη της υπάρχουσας τεχνολογίας και η μαζική παραγωγή τους θα μειώσει το κόστος τους

21 Μειονεκτήματα από την ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας O0.2ha 1t Βιομάζα 1. Ο μεγάλος όγκος της και η μεγάλη περιεκτικότητά της σε υγρασία, ανά μονάδα παραγόμενης ενέργειας. 2. Η δυσκολία στη συλλογή, μεταποίηση, μεταφορά και αποθήκευσή της, έναντι των ορυκτών καυσίμων. 3. Οι δαπανηρότερες εγκαταστάσεις και εξοπλισμός που απαιτούνται για την αξιοποίηση της βιομάζας, σε σχέση με τις συμβατικές πηγές ενέργειας. 4. Η μεγάλη διασπορά και σε ορισμένες περιπτώσεις, η εποχιακή παραγωγή της. Παρόλα αυτά, με την ανάπτυξη της τεχνολογίας και κατάλληλες οικονομοτεχνικές αναλύσεις, η αξιοποίηση της βιομάζας μπορεί να αποφέρει σημαντικά οικονομικά οφέλη, ιδιαίτερα στην σημερινή εποχή, όπου οι τιμές των συμβατικών καυσίμων τείνουν σε ανοδική και συγχρόνως ασταθή πορεία. Τέλος, πρέπει κάθε φορά να συνυπολογίζεται και το περιβαλλοντικό όφελος, το οποίο, αν και συχνά δεν μπορεί να αποτιμηθεί με οικονομικά μεγέθη, εντούτοις είναι ουσιαστικής σημασίας για την ποιότητα της ζωής και το μέλλον της ανθρωπότητας. Λιγνοκυτταρινούχος βιομάζα Η λιγνοκυτταρινούχος βιομάζα αποτελεί τον πιο άφθονο, ανανεώσιμο και φθηνό φυσικό πόρο στη Γη, αποτελώντας το 50 % των παγκόσμιων αποθεμάτων βιομάζας. Πηγές λιγνοκυτταρινούχου βιομάζας αποτελούν τα δασικά και αγροτικά κατάλοιπα, τα υπολείμματα της βιομηχανίας τροφίμων και οι ενεργειακές καλλιέργειες. Η λιγνοκυτταρινούχος βιομάζα όντας μη εδώδιμη, δεν ανταγωνίζεται τη βιομηχανία τροφίμων με συνέπεια να καθίσταται ελκυστική προς ενεργειακή αξιοποίηση. Η λιγνοκυτταρινούχος βιομάζα αποτελείται από τρεις ομάδες μεγαλομοριακών ενώσεων (πολυμερή) : την κυτταρίνη, την ημικυτταρίνη και τη λιγνίνη. Η κυτταρίνη είναι ένας μη σακχαροειδής πολυσακχαρίτης αποτελούμενος από περισσότερα από μόρια γλυκόζης, που ενώνονται σχηματίζοντας ευθείες αλυσίδες. Είναι η πιο διαδεδομένη οργανική ένωση στη φύση, καθώς όντας δομικός πολυσακχαρίτης των φυτών, αποτελεί το κύριο συστατικό του κυτταρικού τοιχώματος των φυτικών κυττάρων. Ο εμπειρικός της τύπος είναι : (C 6 H 10 O 5 ) m. Τα μακρομόρια της κυτταρίνης διατάσσονται παράλληλα μεταξύ τους και αναπτύσσουν δεσμούς υδρογόνου, σχηματίζοντας έτσι τα στοιχειώδη ινίδια ( ή κρυσταλλίτες). Τα στοιχειώδη ινίδια ενώνονται μεταξύ τους με τη βοήθεια άμορφων ημικυτταρινών και λιγνίνης με αποτέλεσμα να σχηματίζονται δέσμες ινιδίων. Οι δέσμες των ινιδίων ενώνονται μεταξύ τους πάλι με τη βοήθεια άμορφων ημικυτταρινών και λιγνίνης και σχηματίζουν τις ίνες. Η ημικυτταρίνη είναι ένα πολυμερές που προκύπτει από ανυδρίτες σακχάρων και ουρανικών οξέων. Συμμετέχει ως πληρωτικό μέσο στο σχηματισμό τόσο των ινιδίων όσο και των ινών. Η λιγνίνη είναι το αφθονότερο και σπουδαιότερο, μετά την κυτταρίνη, συστατικό της φυτικής βιομάζας και δρα ως συγκολλητική ύλη τόσο των ινιδίων όσο και των ινών. Προκύπτει από τη συνένωση μονάδων φαινυλοπροπανίου. Η περιεκτικότητα της κυτταρίνης, της ημικυτταρίνης και της λιγνίνης διαφέρει αναλόγως του είδους της φυτικής ύλης. Για παράδειγμα η κυτταρίνη περιέχεται κατά 40 % 50 % στο ξύλο, κατά 95 % 99 % στο βαμβάκι και κατά 20 % 30 % στο φλοιό των δέντρων

22 Κατηγοριοποίηση βιομάζας 1. Βιομάζα υπολειμματικής μορφής Υπολείμματα που μένουν στον αγρό ή το δάσος μετά τη συγκομιδή του κύριου προϊόντος. Τέτοιου είδους υπολείμματα είναι το άχυρο σιτηρών, τα βαμβακοστελέχη, τα κλαδοδέματα, κ.α. Υπολείμματα από την επεξεργασία γεωργικών και δασικών προϊόντων, όπως ελαιοπυρήνες, υπολείμματα εκκοκκισμού, πριονίδια, κ.α. Βιομηχανικά και αστικά απόβλητα ( το οργανικό μέρος τους ) καθώς και ζωικά απόβλητα από κτηνοτροφικές μονάδες. 2. Βιομάζα που παράγεται από ενεργειακές καλλιέργειες Ενεργειακές καλλιέργειες για την παραγωγή στερεών βιοκαυσίμων [7] Πίνακας 1.1: Χαρακτηριστικά ορισμένων στερεών βιοκαυσίμων Είδος Προϊόν Θερμογόνος δύναμη (MJ/kg) Πολυετείς Καλλιέργειες Ετήσιες Καλλιέργειες Δασικές Καλλιέργειες Μέση απόδοση σε ξηρή βιομάζα (τόνοι/στρ./έτος) Απόδοση σε ενέργεια (GJ/στρ./έτος) Καλάμι 18 1 με 2 18 με 36 Αγριαγκινάρα 18 1 με 1,5 18 με 27 Switchgrass 18 1 με 2 18 με 36 Μίσχανθος 18 1 με 1,5 18 με 27 Κενάφ 18,6 0,8 με 1,8 14,9 με 33,4 Κυτταρινούχο Σόργο 18 2 με 3,5 36 με 63 Ευκάλυπτος 19,4 1,8 με 3 34,8 με 58 Ψευδακακία 17,8 0,8 με 1,3 14,3 με 23,2 Ενεργειακές καλλιέργειες για την παραγωγή υγρών βιοκαυσίμων* [7] Πίνακας 1.2: Χαρακτηριστικά ορισμένων υγρών βιοκαυσίμων Βιοκαύσιμο Πρώτη Ύλη Απόδοση σε προϊόν (κιλό/στρέμμα) Απόδοση σε βιοκαύσιμο (κιλό/στρέμμα) Απόδοση σε βιοκαύσιμο (λίτρα/στρέμμα) Βιοντίζελ Ηλίανθος με με με 116 Ελαιοκράμβη Αγριαγκινάρα 100 με με με 41 Βαμβάκι 120 με με με 27 Σόγια 160 με με με 48 Βιοαιθανόλη Σιτάρι 150 με με με 243 Αραβόσιτος 800 με με με 360 Τεύτλα 5500 με με με 700 Σόργο 7000 με με με 900 * Από καλλιέργειες πλούσιες σε άμυλο και σάκχαρα παράγεται βιοαιθανόλη ενώ από καλλιέργειες ειδών με μεγάλη περιεκτικότητα σε έλαια παράγεται βιοντίζελ

23 Διεργασίες ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας Μόνο λίγοι τύποι βιομάζας, όπως το ξύλο, μπορούν να χρησιμοποιηθούν απευθείας μέσω καύσης για παραγωγή ενέργειας. Συνήθως απαιτείται η επεξεργασία και ο εξευγενισμός της βιομάζας για τη μετατροπή της σε χρήσιμο καύσιμο. Διακρίνονται δύο κατηγορίες διεργασιών ενεργειακής αξιοποίησης της βιομάζας : οι θερμοχημικές (ξηρές) και οι βιοχημικές (υγρές). Κύριοι παράγοντες που καθορίζουν τη μέθοδο είναι η σχέση C/N και η περιεχόμενη υγρασία της βιομάζας κατά τη συλλογή της. Οι θερμοχημικές διεργασίες περιλαμβάνουν αντιδράσεις που εξαρτώνται από τη θερμοκρασία. Χρησιμοποιούνται για είδη βιομάζας με σχέση C/N > 30 και υγρασία <50 %. Οι θερμοχημικές διεργασίες διακρίνονται στις παρακάτω κατηγορίες: 1. Η απ ευθείας καύση (ή συνδυασμένη καύση με κάποιο ορυκτό καύσιμο), η oποία αποτελεί τον αρχαιότερο τρόπο ενεργειακής εκμετάλλευσης της βιομάζας. 2. Η αεριοποίηση, στην οποία το τελικό προϊόν είναι το βιοαέριο. Κατά την διεργασία αυτή, χρησιμοποιούνται ειδικοί αντιδραστήρες, οι οποίοι θερμαίνουν τη βιομάζα σε περιβάλλον φτωχό σε οξυγόνο και σε θερμοκρασία περί τους 850 C. Αναλόγως με την εφαρμοζόμενη τεχνολογία, μπορεί να δώσει σχεδόν τη μισή θερμιδική αξία του φυσικού αερίου. 3. Η πυρόλυση, η οποία αποτελεί μια απλή και παλιά μέθοδο. Η βιομάζα θερμαίνεται σε υψηλές θερμοκρασίες απουσία αέρα, χωρίς να καεί για παραγωγή στερεών, υγρών και αερίων καυσίμων. Πιο συγκεκριμένα, επιδιώκεται η βιομάζα να μετατραπεί σε υγρό πυρόλυσης, το βιοέλαιο το οποίο μπορεί να αξιοποιηθεί για παραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας. Με την ίδια διεργασία, μπορούν να παραχθούν διάφορα προϊόντα όπως υγρή φαινόλη, κόλλες, μονωτικοί αφροί κ.α. Οι βιοχημικές διεργασίες είναι αποτέλεσμα μικροβιακής δράσης. Εφαρμόζονται σε είδη βιομάζας που χαρακτηρίζονται από λόγο C/N < 30, παρουσιάζουν υψηλό ποσοστό υγρασίας, άνω των 50 % και είναι οι εξής: 1. Η αναερόβια χώνευση, όπου τα απορρίμματα και τα διάφορα λύματα με αναερόβιες διαδικασίες παράγουν βιοαέριο (κυρίως μεθάνιο και CO 2 ). 2. Η αλκοολική ζύμωση, όπου παράγεται κυρίως βιοαιθανόλη με ζύμωση των αμυλούχων, κυταρρινούχων και σακχαρούχων συστατικών και διαχωρισμός της από τα λοιπά συστατικά με απόσταξη. 3. Η μετεστεροποίηση, η οποία είναι μια χημική επεξεργασία των ελαίων για την παραγωγή βιοντίζελ

24 - 21 -

25 Κεφάλαιο 2 Καύση 2.1 Γενικά Η καύση της βιομάζας είναι ένα σύνολο εξώθερμων χημικών αντιδράσεων κατά τη διάρκεια των οποίων η χημική ενέργεια της βιομάζας μετατρέπεται σε θερμική. Η χημική ενέργεια της βιομάζας έχει παραχθεί κατά τη διάρκεια της φωτοσύνθεσης και με την προσφορά της ηλιακής ενέργειας. Ως καύση μπορεί να οριστεί κάθε ταχεία οξείδωση από την οποία παράγεται θερμότητα. Προκειμένου η καύση να λάβει χώρα είναι απαραίτητα τα παρακάτω τρία συστατικά στη σωστή αναλογία : 1. Οξυγόνο 2. Θερμότητα 3. Καύσιμη βιομάζα Εικόνα 2.1: Σχηματική απεικόνιση των τριών απαραίτητων συστατικών προκειμένου η διεργασία της καύσης να λάβει χώρα. Προκειμένου να ξεκινήσει η καύση της βιομάζας θα πρέπει η θερμοκρασία της να υπερβεί μία συγκεκριμένη θερμοκρασία, θερμοκρασία ανάφλεξης που είναι διαφορετική για κάθε τύπο καύσιμης βιομάζας. Η βιομάζα κατά τη διάρκεια της καύσης διέρχεται από τα παρακάτω τρία στάδια ανάλογα με τις επικρατούσες θερμοκρασίες τα οποία όμως μπορεί να είναι αλληλεπικαλυπτόμενα και να λαμβάνουν χώρα ταυτόχρονα : 1. Ξήρανση 2. Αποπτητικοποίηση - Πυρόλυση 3. Καύση στερεών εξανθρακωμάτων

26 Στην εικόνα 2.2 παρουσιάζεται η μείωση του όγκου ενός μικρού σωματιδίου βιομάζας καθώς διέρχεται από τα επιμέρους στάδια της καύσης. [8] Εικόνα 2.2 : Μεταβολή του όγκου σωματιδίου βιομάζας κατά την εξέλιξη της καύσης Για μια τυπική σύνθεση βιομάζας η αντίδραση καύσης θα μπορούσε να περιγραφεί από την παρακάτω εξίσωση : CH 1,44 O 0,66 + λ1,03(ο 2 +3,76Ν 2 ) CO 2 + 0,72H 2 O + (λ 1)Ο 2 + λ3,87ν 2 (-439KJ/kmol)

27 2.2 Περιγραφή επιμέρους σταδίων καύσης 1. Ξήρανση Καθώς η θερμοκρασία της βιομάζας αυξάνεται και μέχρι τους 100 ο C λαμβάνει χώρα η ξήρανσή της. Κατά τη διάρκεια της ξήρανσης, η περιεχόμενη υγρασία της βιομάζας αλλάζει κατάσταση, μετατρέπεται σε υδρατμούς και εγκαταλείπει τη βιομάζα. Η φυσική διεργασία της εξάτμισης απορροφά θερμότητα που έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της θερμοκρασίας στο θάλαμο καύσης και την επακόλουθη μείωση της ταχύτητας διεξαγωγής των αντιδράσεων καύσης. Στην περίπτωση καύσης ξυλώδους βιομάζας για παράδειγμα η διεργασία της καύσης δε μπορεί να διατηρηθεί όταν στο θάλαμο καύσης τροφοδοτείται βιομάζα με περιεκτικότητα σε υγρασία πάνω από 60 % κ.β. Σε αυτή την περίπτωση η απαίτηση σε θερμική ενέργεια για τη θέρμανση και εξάτμιση των περιεχόμενων ποσοτήτων νερού είναι τόσο μεγάλη που η θερμοκρασία στο θάλαμο καύσης πέφτει κάτω από το θερμοκρασιακό όριο που απαιτείται για να λάβουν χώρα οι αντιδράσεις οξείδωσης καύσης και παρατηρείται σβήσιμο της φλόγας και διακοπή της καύσης. 2. Αποπτητικοποίηση - Πυρόλυση Κατά τη διάρκεια αυτού του σταδίου πραγματοποιείται η θερμική αποδόμηση της βιομάζας και η απελευθέρωση πτητικών αερίων. Στις εικόνες 2.3 και 2.4 παρουσιάζεται η συμπεριφορά της βιομάζας καθώς αυξάνουμε τη θερμοκρασία με ρυθμό 10 ο C/min και για τέσσερα διαφορετικά είδη βιομάζας : έλατο, σημύδα, οξιά, ακακία. Παρατηρούμε ότι τα διαφορετικά είδη βιομάζας παρουσιάζουν παρόμοια συμπεριφορά με ελάχιστες διαφορές. Στην αρχή καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία λαμβάνει χώρα η ξήρανση της βιομάζας. Στους 473Κ αρχίζει απελευθέρωση των πτητικών αερίων από τη βιομάζα και ο ρυθμός έκλυσης αυτών των αερίων αυξάνει καθώς αυξάνει η θερμοκρασία. Στις καμπύλες παρατηρούμε δύο τοπικά μέγιστα. Το πρώτο τοπικό μέγιστο οφείλεται στη θερμική αποδόμηση της ημικυτταρίνης ενώ το δεύτερο σε υψηλότερες θερμοκρασίες οφείλεται στη θερμική αποδόμηση της κυτταρίνης. Η διαφοροποίηση στις καμπύλες οφείλεται στο γεγονός ότι η σημύδα η οξιά και η ακακία περιέχουν περισσότερη ημικυτταρίνη από το έλατο διαμορφώνοντας έτσι αυτό το τοπικό μέγιστο κοντά στους 573Κ. Το έλατο από την άλλη παρουσιάζει μεγαλύτερο τοπικό μέγιστο κοντά στους 640Κ. Στους 673Κ τα περισσότερα πτητικά αέρια έχουν εγκαταλείψει τη βιομάζα. Παρόλα αυτά στην περιοχή μεταξύ 673Κ 773Κ παρατηρούμε μία μικρή έκλυση αερίων που οφείλεται στη θερμική αποδόμηση της λιγνίνης. Στις εικόνες 2.3 και 2.4 που ακολουθούν παρουσιάζεται η εξέλιξη της αποπτητικοποίησης καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία της βιομάζας (ίδιες τιμές του άξονα χ και για τα δύο διαγράμματα). [8]

28 Εικόνα 2.3: Ποσοστιαία μείωση του βάρους βιομάζας συναρτήσει της αύξησης θερμοκρασίας Εικόνα 2.4: Ρυθμός ποσοστιαίας μείωσης βάρους βιομάζας συναρτήσει της αύξησης θερμοκρασίας 3. Καύση στερεών εξανθρακωμάτων Μετά το στάδιο της αποπτητικοποίησης της βιομάζας ακολουθεί η καύση οξείδωση των στερεών εξανθρακωμάτων που έχουν απομείνει και που αποτελούν το 10 % - 20 % του αρχικού βάρους της βιομάζας. Είναι πολύ σημαντικό να επιτευχθεί η ολοκλήρωση της καύσης των στερεών εξανθρακωμάτων ειδάλλως προκύπτουν αρκετά σημαντικές ανεπιθύμητες συνέπειες. Κατ αρχάς προκαλείται σημαντική μείωση στο βαθμό απόδοσης της μονάδας καύσης. Ακόμη, μεγάλα ποσοστά άκαυστων σωματιδίων στην τέφρα που παρασύρονται από τα καυσαέρια δημιουργούν πρόβλημα στη λειτουργία των εναλλακτών θερμότητας, και των φίλτρων καθαρισμού των καυσαερίων. Επίσης η μεγάλη περιεκτικότητα άκαυστων σωματιδίων στη τέφρα ( πάνω από 6 % ) δυσκολεύει πολύ τη μετέπειτα διάθεση της τέφρας που παράγεται από τη μονάδα Στο παρακάτω σχήμα απεικονίζονται τα στάδια από τα οποία διέρχεται η βιομάζα κατά τη διάρκεια της καύσης της και η θερμότητα που παράγεται απορροφάται σε κάθε ένα από αυτά τα στάδια

29 Εικόνα 2.5: Έκλυση - απορρόφηση θερμότητας κατά τη διάρκεια των επιμέρους σταδίων της καύσης Στον πίνακα 2.1 παρουσιάζεται η σύνθεση μερικών ειδών καύσιμης βιομάζας που χρησιμοποιούνται ευρέως από μονάδες ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας. Πίνακας 2.1: Χημική σύνθεση ειδών καύσιμης βιομάζας Βασικά συστατικά βιομάζας Άχυρο Τσιπς Ξύλου Οξιά Πεύκο Έλατο Άνθρακας C % σε ξ.β. 47,4 49, ,9 Υδρογόνο H % σε ξ.β. 6 5,8 6,1 5,8 Οξυγόνο O % σε ξ.β ,9 42,3 41,3 Άζωτο N % σε ξ.β. 0,6 0,22 0,1 0,39 Θείο S % σε ξ.β. 0,12 0,04 0,02 0,06 Χλώριο Cl % σε ξ.β. 0,4 0,01 0,01 0,03 Τέφρα a % σε ξ.β. 4,8 0,7 0,5 1,5 Πτητικά % σε ξ.β , Θερμογόνος δύναμη MJ/kg ξ.β. 17,9 18,7 19,4 19,7-26 -

30 2.3 Παράμετροι καύσης Μέγεθος σωματιδίων βιομάζας Το μέγεθος των σωματιδίων της βιομάζας επηρεάζει την ταχύτητα ολοκλήρωσης της καύσης. Όσο μεγαλύτερες είναι οι διαστάσεις των σωματιδίων που διοχετεύουμε στον αντιδραστήρα τόσο περισσότερος χρόνος χρειάζεται για την καύση τους. Εάν για παράδειγμα θεωρήσουμε μία ορισμένη μάζα πριονιδιού που το διοχετεύουμε σε ένα θάλαμο καύσης, η καύση αυτής της ποσότητας θα ολοκληρωθεί πολύ πιο γρήγορα από το αν διοχετεύαμε την ίδια μάζα αλλά σε μορφή ενός συμπαγούς ξύλου. Αυτό οφείλεται στην αυξημένη επιφάνεια επαφής μεταξύ καύσιμης βιομάζας και αέρα καύσης. Περιεχόμενο σε υγρασία της βιομάζας Το περιεχόμενο σε υγρασία της βιομάζας επηρεάζει τη θερμογόνο δύναμη αυτής δηλαδή την ικανότητα της βιομάζας να παράγει θερμική ενέργεια κατά την καύση της. Όταν η βιομάζα περιέχει αυξημένα ποσοστά υγρασίας τότε η κατώτερη θερμογόνος δύναμή της είναι μειωμένη καθώς οι περιεχόμενες ποσότητες νερού απορροφούν θερμική ενέργεια προκειμένου να περάσουν στην αέρια φάση. Στην περίπτωση που ο θάλαμος καύσης τροφοδοτείται με βιομάζα με χαμηλή περιεκτικότητα σε υγρασία υψηλή θερμογόνο δύναμη, θα πρέπει να προβλέπονται διατάξεις ψύξης του θαλάμου καύσης ώστε η υπερβολική αύξηση της θερμοκρασίας να μην προκαλέσει φθορές. Στην περίπτωση που ο θάλαμος καύσης τροφοδοτείται με βιομάζα με υψηλή περιεκτικότητα σε υγρασία χαμηλή θερμογόνο δύναμη τότε θα πρέπει τα τοιχώματα του αντιδραστήρα να είναι μονωμένα ώστε να αποφευχθεί η πτώση της θερμοκρασίας κάτω από μία ορισμένη τιμή που μπορεί να προκαλέσει τη διακοπή της διαδικασίας. Η μόνωση επιτυγχάνεται με πυρίμαχες εσωτερικές επενδύσεις που στοχεύουν στη διατήρηση της θερμότητας που έχει παραχθεί στο εσωτερικό του αντιδραστήρα. Συνεπώς ένας αντιδραστήρας καύσης σχεδιάζεται να δέχεται βιομάζα με περιεχόμενο σε υγρασία που μπορεί να κυμαίνεται σε ένα ορισμένο εύρος. Όταν για παράδειγμα η περιεχόμενη υγρασία της εισερχόμενης βιομάζας είναι πάνω από 60 % τότε είναι πολύ δύσκολο να διατηρηθεί η συνέχεια της διαδικασίας καύσης. Περιεχόμενο τέφρας Η βιομάζα περιέχει διάφορες προσμίξεις που δεν έχουν τη δυνατότητα να καούν και στο τέλος της καύσης εμφανίζονται με τη μορφή της τέφρας. Γενικά οι ποσότητες τέφρας που προκύπτουν είναι ανεπιθύμητες καθώς δημιουργούν την ανάγκη ύπαρξης κατάλληλων διατάξεων για τον διαχωρισμό των σωματιδίων τέφρας που παρασύρονται από τη ροή των καυσαερίων. Η τέφρα που περιέχεται στη ξυλώδη βιομάζα προέρχεται από τις ποσότητες χώματος και σκόνης που έχουν απορροφηθεί από το φλοιό του δέντρου. Επίσης, ένα μικρότερο ποσοστό τέφρας προέρχεται από τα άλατα που απορροφούνται μέσω των ριζών, κατά την περίοδο της ανάπτυξης του δέντρου. Για παράδειγμα, τα τσιπς που προέρχονται από το κομμάτι του φλοιού ενός δέντρου έχουν περιεκτικότητα 6 % σε τέφρα ενώ τα τσιπς που προέρχονται από μάζα στο εσωτερικό ενός κορμού περιέχουν 0,25 % τέφρα. Η τέφρα της ξυλώδους βιομάζας περιέχει επίσης μικρές ποσότητες βαρέων μετάλλων αλλά σε ποσοστό μικρότερο των υπόλοιπων στερεών καυσίμων. Ένα χαρακτηριστικό της τέφρας είναι ότι είναι κακός αγωγός θερμότητας. Έτσι για παράδειγμα στα συστήματα καύσης με σχάρα οι θερμομονωτικές ιδιότητες της τέφρας προστατεύον την ίδια τη σχάρα από τις υψηλές θερμοκρασίες. Τα άλατα που περιέχονται στην τέφρα, που συνήθως βασίζονται σε ενώσεις του καλίου και του νατρίου προσδίδουν μία κολλώδη υφή στην τέφρα σε αυξημένες θερμοκρασίες, που δημιουργούν προβλήματα επικαθίσεων στους εναλλάκτες

31 θερμότητας του λέβητα. Αξίζει να αναφερθεί πως η περιεκτικότητα σε κάλλιο της ξυλώδους βιομάζας είναι 10 φορές χαμηλότερη από την περιεκτικότητα σε κάλιο του άχυρου. Στον πίνακα 2.2 παρουσιάζεται η ποσοστιαία περιεκτικότητα (ξηρή βάση) των τσιπς ξύλου σε ορισμένα ορυκτά συστατικά. Πίνακας 2.2 : Ποσοστιαία περιεκτικότητα τσιπς ξύλου σε ορισμένα ορυκτά συστατικά Τσιπς ξύλου % Ξηρή βάση Κάλιο (Κ) 0,1 Νάτριο (Na) 0,015 Φώσφορος (P) 0,02 Ασβέστιο (Ca) 0,2 Μαγνήσιο (Mg) 0,04 Περιεχόμενο σε πτητικά συστατικά της βιομάζας Τα πτητικά συστατικά της βιομάζας αναλογούν περίπου στο 70 % - 85 % της συνολικής μάζας στην περίπτωση της ποώδης βιομάζας και το 60 % - 80 % της συνολικής μάζας στην περίπτωση της ξυλώδους βιομάζας και αυτά τα ποσοστά υπολογισμένα σε ξηρή βάση χωρίς να λαμβάνουμε υπόψη δηλαδή το περιεχόμενο σε υγρασία της βιομάζας. Αυτό έχει ως συνέπεια στα πρώτα στάδια της καύσης το 80 % του βάρους της βιομάζας να μετατραπεί σε διάφορα αέρια ενώ μόνο το 20 % του βάρους της βιομάζας να καταλήξει στα τελευταία στάδια της καύσης, σε στερεά εξανθρακώματα. Μία μεγάλη περιεκτικότητα της καύσιμης βιομάζας σε πτητικά σημαίνει ότι το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας του καυσίμου ελευθερώνεται γρήγορα στην αέρια φάση. Έτσι, ο θάλαμος καύσης πρέπει να διαμορφώνεται καταλλήλως ώστε να εξασφαλίζει την πλήρη καύση των αερίων αυτών. Αλλά και η ροή του αέρα καύσης θα πρέπει να προσαρμόζεται παρέχοντας μεγαλύτερη παροχή μάζας στη δευτεροβάθμια ροή αέρα για την καύση των πτητικών. Περίσσεια αέρα Για μία δεδομένη ποσότητα βιομάζας χρειάζεται μία συγκεκριμένη ποσότητα αέρα, δηλαδή οξυγόνου, για τη στοιχειομετρική καύση της. Σε αυτήν την περίπτωση ο λόγος αέρα (λ) ισούται με 1. Στην περίπτωση που παρέχουμε περισσότερο αέρα από το στοιχειομετρικό τότε στα καυσαέρια θα υπάρχουν ποσότητες οξυγόνου και ο λόγος αέρα (λ) λαμβάνει τιμές μεγαλύτερης της μονάδος. Για παράδειγμα όταν λ = 2 τότε για την καύση της βιομάζας παρέχεται ποσότητα αέρα διπλάσια από τη στοιχειομετρικά απαραίτητη. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζεται ο λόγος αέρα σε μερικές εφαρμογές και η αντίστοιχη ποσοστιαία ποσότητα οξυγόνου που προκύπτει στα καυσαέρια σε ξηρή βάση. Πίνακας 2.3 : Λόγος αέρα (λ) σε διάφορες εφαρμογές καύσης Διάφορες εφαρμογές καύσης Λόγος αέρα (λ) Ο 2 % Ξηρή βάση Καύση ξύλων σε τζάκι >3 >14 Καύση ξύλων σε σόμπα 2,1 2, Καύση τσιπς ξυλώδους βιομάζας 1,4 1,6 6-8 σε μονάδα συμπαραγωγής Καύση πέλλετς ξυλώδους βιομάζας 1,2 1,3 4-5 σε μονάδα συμπαραγωγής Καύση πριονιδιού σε μονάδα συμπαραγωγής 1,1 1,

32 Περιβαλλοντικοί παράμετροι Γενικά μία καύση με υψηλό βαθμό απόδοσης απαιτεί : 1. Υψηλή θερμοκρασία καύσης 2. Επαρκή περίσσεια οξυγόνου 3. Επαρκή χρόνο καύσης 4. Επαρκή ανάμειξη καύσιμης βιομάζας και αέρα καύσης Οι παραπάνω συνθήκες εξασφαλίζουν χαμηλές εκπομπές σε CO και άκαυστων υδρογονανθράκων. Ο στόχος κάθε συστήματος καύσης βιομάζας είναι η μεγαλύτερη δυνατή αξιοποίηση του διαθέσιμου καυσίμου που σημαίνει καύση με υψηλό βαθμό απόδοσης. Όταν ο βαθμός απόδοσης της καύσης είναι χαμηλός τότε έχουμε μεγαλύτερη περιβαλλοντική επιβάρυνση. 2.4 Συμπερασματικά για την καύση Εν συγκρίσει με τις υπόλοιπες θερμοχημικές μεθόδους αξιοποίησης βιομάζας (αεριοποίηση, πυρόλυση) η καύση είναι η πιο δοκιμασμένη μέθοδος για την παραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού. Στις μέρες μας η συντριπτική πλειοψηφία των μονάδων εν λειτουργία αξιοποιούν τη βιομάζα, μέσω καύσης. Οι εκπομπές καυσαερίων μίας μονάδας καύσης βιομάζας οφείλονται σε δύο κύριους λόγους : 1. Στη μη ολοκλήρωση της καύσης που οδηγεί στην εκπομπή άκαυστων συστατικών όπως CO, αιθάλης και πολυαρωματικών υδρογονανθράκων (ΡΑΗ). Οι εκπομπές αυτής της κατηγορίας δύναται να μειωθούν κάπως από τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού του θαλάμου καύσης. 2. Λόγω της περιεκτικότητας της βιομάζας σε στοιχεία όπως N, K, Cl, Ca, Na, Mg, P και S οι μονάδες καύσης βιομάζας εκλύουν σχετικά μεγάλες ποσότητες NO x και αιωρούμενων σωματιδίων. Οι εκπομπές αυτής της κατηγορίας μπορούν να μειωθούν με την κατάλληλη τοποθέτηση τροφοδοσίας αέρα και καυσίμου (air staging) ώστε να μην ανέρχεται η θερμοκρασία της διεργασίας σε πολύ υψηλά επίπεδα, τα οποία ευνοούν τους μηχανισμούς σχηματισμού ΝΟ x

33 2.5 Είδη αντιδραστήρων καύσης βιομάζας. Γενικά, μπορούμε να χωρίσουμε τις τεχνολογίες καύσης βιομάζας στις ακόλουθες τρεις κατηγορίες: 1. Καύση σε αντιδραστήρες σταθερής κλίνης Σε αυτή την κατηγορία αντιδραστήρων μία πρωτοβάθμια ροή αέρα εισέρχεται στον αντιδραστήρα διαμέσου μίας σταθερής κλίνης όπου και λαμβάνει χώρα η ξήρανση, η αεριοποίηση μέρους της βιομάζας και η καύση του υπόλοιπου μέρους της βιομάζας. Τα αέρια που εκλύονται και έχουν τη δυνατότητα να καούν καίγονται σε μία δεύτερη ζώνη καύσης εισάγοντας μία δευτεροβάθμια ροή αέρα. 2. Καύση σε αντιδραστήρες ρευστοποιημένης κλίνης Σε αυτήν την κατηγορία αντιδραστήρων τα σωματίδια βιομάζας καίγονται όταν εισέρχονται μέσα σε μία ρευστοποιημένη κλίνη. Αναλόγως την ταχύτητα του μέσου ρευστοποίησης διακρίνουμε την αναβράζουσα ρευστοποιημένη κλίνη και τη κυκλοφορούσα ρευστοποιημένη κλίνη. 3. Καύση σε αντιδραστήρες εξαναγκασμένης ροής Αυτή η κατηγορία αντιδραστήρων είναι κατάλληλη για την καύση σωματιδίων βιομάζας των οποίων η διάμετρος είναι μικρότερη από 2 mm (μορφή σκόνης). Τα σωματίδια βιομάζας εισέρχονται μέσα στον αντιδραστήρα με έγχυση (injection) με τη βοήθεια πεπιεσμένου αέρα όπου και λαμβάνει χώρα η καύση τους ενώ αυτά αιωρούνται μέσα στον αντιδραστήρα χωρίς την ύπαρξη κάποιας κλίνης

34 2.6 Αντιδραστήρες καύσης σταθερής κλίνης Γενικά Οι αντιδραστήρες καύσης σταθερής κλίνης τύπου σχάρας είναι κατάλληλοι για είδη βιομάζας με υψηλή περιεκτικότητα σε υγρασία, με μεγάλη διακύμανση όσο αναφορά το μέγεθος των σωματιδίων και με υψηλή περιεκτικότητα σε τέφρα. Σε αυτούς τους αντιδραστήρες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως καύσιμο μείγματα διαφόρων ειδών ξυλώδους βιομάζας όμως δεν είναι δυνατή η χρήση μείγματος ξυλώδους βιομάζας με άχυρα, σιτηρά και χορτάρι διότι τα τελευταία παρουσιάζουν χαμηλή θερμοκρασία τήξης της περιεχόμενης τέφρας τους και γενικότερα μία σημαντικά διαφορετική συμπεριφορά καύσης. Μία πολύ σημαντική παράμετρος για την καλή λειτουργία των αντιδραστήρων τύπου σχάρας είναι η επίτευξη ομοιόμορφης κατανομής των σωματιδίων βιομάζας πάνω στην επιφάνεια της σχάρας. Η μεταφορά και διανομή των σωματιδίων βιομάζας πάνω στη σχάρα πρέπει να γίνεται ομαλά και ομοιόμορφα ώστε να αποφευχθεί ο σχηματισμός κενών χώρων (χωρίς βιομάζα) πάνω στη σχάρα και να αποφευχθεί όσο είναι δυνατόν ο διαχωρισμός ιπτάμενης τέφρας και άκαυστων σωματιδίων από τη βιομάζα που βρίσκεται πάνω στη σχάρα. Επιπλέον, είναι πολύ σημαντικό για την καλή εξέλιξη των αντιδράσεων καύσης να εξασφαλίζεται ομοιόμορφη παροχή αέρα σε όλες τις περιοχές της σχάρας. Ανομοιόμορφη παροχή αέρα προκαλεί το σχηματισμό επικαθίσεων, αύξηση των ποσοτήτων ιπτάμενης τέφρας και αύξηση της απαίτησης για περίσσεια οξυγόνου για μία ολοκληρωμένη καύση. Η πρωτοβάθμια παροχή αέρα πρέπει να χωρίζεται σε επιμέρους παροχές έτσι ώστε να μπορεί να ρυθμιστεί η ποσότητα αέρα που διοχετεύεται ανάλογα με τις απαιτήσεις των αντίστοιχων περιοχών ξήρανσης, αεριοποίησης και καύσης της βιομάζας. Επίσης όταν η πρωτοβάθμια παροχή αέρα χωρίζεται σε επιμέρους παροχές όπου ρυθμίζονται ανεξάρτητα, γίνεται εφικτή μία ομαλή προσαρμογή της λειτουργίας του αντιδραστήρα σε φορτίο έως και 25 % χαμηλότερο του φορτίου σχεδιασμού του. Ανάλογα με την κατεύθυνση της ροής της βιομάζας σχετικά με την κατεύθυνση της φλόγας (ή των καυσαερίων) μπορούμε να διακρίνουμε τις παρακάτω κατηγορίες αντιδραστήρων καύσης βιομάζας τύπου σχάρας : [8] 1. Ομοροής ( η φλόγα έχει την ίδια κατεύθυνση με τη ροή βιομάζας ) 2. Αντιροής ( η φλόγα έχει αντίθετη κατεύθυνση από τη ροή βιομάζας ) 3. Εγκάρσιου ρεύματος ( τα καυσαέρια διαφεύγουν από το μέσο του κλιβάνου) Ομοροής Εγκάρσιου ρεύματος Αντιροής Εικόνα 2.6: Αντιδραστήρες καύσης τύπου σχάρας

35 Αντιδραστήρες καύσης τύπου σχάρας, αντιροής : Είναι πιο κατάλληλοι για καύση ειδών βιομάζας με αυξημένη υγρασία. Λόγω του ότι τα θερμά καυσαέρια διέρχονται πάνω από την εισερχόμενη βιομάζα η ταχύτητα ξήρανσης και ο ρυθμός μεταφοράς των υδρατμών μακριά από τη βιομάζα αυξάνεται λόγω συναγωγής. Σε αυτούς τους αντιδραστήρες πρέπει να δίνεται προσοχή στην καλή ανάμειξη της δευτεροβάθμιας παροχής αέρα και των καυσαερίων μέσα στο θάλαμο καύσης έτσι ώστε να περιορίζονται οι ποσότητες των αερίων μαζών που μπορούν να καούν και εγκαταλείπουν το θάλαμο καύσης καθώς και οι ποσότητες των αέριων ρύπων που παράγονται. Αντιδραστήρες καύσης τύπου σχάρας, ομοροής : Χρησιμοποιούνται για είδη βιομάζας με χαμηλή περιεκτικότητα σε υγρασία ή σε διατάξεις όπου η πρωτοβάθμια ροή αέρα προθερμαίνεται πριν εισέρθει στο θάλαμο καύσης. Οι συγκεκριμένοι αντιδραστήρες αυξάνουν το χρόνο παραμονής των αερίων μαζών που απελευθερώνονται από τη βιομάζα μέσα στον θάλαμο καύσης. Επίσης μειώνουν τις εκπομπές NO X λόγω αύξησης του χρόνου επαφής των καυσαερίων με τα στερεά εξανθρακώματα. Τέλος αυτοί οι αντιδραστήρες ενισχύουν την παραγωγή ιπτάμενης τέφρας η ροή της οποίας θα πρέπει να παρεμποδίζεται από κατάλληλες συνθήκες ροής κατάλληλο σχεδιασμό του θαλάμου καύσης. Αντιδραστήρες καύσης τύπου σχάρας, εγκάρσιου ρεύματος : Είναι ένας συνδυασμός των δύο προηγούμενων τύπων αντιδραστήρων. Προκειμένου να επιτευχθεί επαρκής έλεγχος της θερμοκρασίας μέσα στο θάλαμο καύσης συνήθως υπάρχει η δυνατότητα επανακυκλοφορίας των καυσαερίων και ψύξης των τοιχωμάτων του θαλάμου καύσης με νερό. Η ψύξη με νερό παρουσιάζει ορισμένα πλεονέκτημα όπως μείωση του όγκου της ροής των καυσαερίων, παρεμπόδιση της πυροσυσσωμάτωσης των σωματιδίων τέφρας πάνω στις επιφάνειες του θαλάμου καύσης και συνήθως αυξάνει το διάρκεια ζωής των μονωτικών πλίνθων που τοποθετούνται στο εσωτερικό του αντιδραστήρα σε επαφή με τα μεταλλικά του τοιχώματα. Στην περίπτωση που ως καύσιμο χρησιμοποιείται μόνο βιομάζα περιορισμένης υγρασίας η χρήση μονωτικών πλίνθων μπορεί να αποφευχθεί. Οι μονωτικοί πλίνθοι λειτουργούν ως συσσωρευτές θερμότητας αποτρέποντας έντονες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας μέσα στο θάλαμο καύσης που μπορούν να προκληθούν όταν η εισερχόμενη βιομάζα έχει μεγάλη περιεκτικότητα σε υγρασία. Η επανακυκλοφορία των καυσαερίων μπορεί να βελτιώσει την ανάμιξη μεταξύ των αερίων που έχουν τη δυνατότητα να καούν και του αέρα. Όμως έχει ως μειονέκτημα την αύξηση του όγκου της ροής των αερίων μέσα στο θάλαμο καύσης και στο λέβητα

36 2.6.1 Αντιδραστήρες καύσης τύπου σχάρας μεταφοράς Εικόνα 2.7: Αντιδραστήρας καύσης τύπου σχάρας μεταφοράς Η σχάρα στους συγκεκριμένους αντιδραστήρες αποτελείται από ομοιόμορφες μεταλλικές επιφάνειες οι οποίες ενώνονται μεταξύ τους σχηματίζοντας ένα ταινιόδρομο που κινείται μέσα στο θάλαμο καύσης. Τα σωματίδια βιομάζας μπορούν να εισέρθουν μέσα στον αντιδραστήρα με ατέρμονες κοχλίες οι οποίοι οδηγούν τα σωματίδια στο ένα άκρο της σχάρας. Μπορούν επίσης να εισέρθουν με τροφοδότες διασποράς (injection) όπως παρουσιάζεται και στην εικόνα 2.7. Ο τελευταίος τρόπος εισαγωγής έχει το πλεονέκτημα ότι επιτυγχάνει μία σχετικά ομοιόμορφη διασπορά της βιομάζας πάνω στη σχάρα. Το στρώμα βιομάζας που σχηματίζεται μεταφέρεται από τη σχάρα από το ένα άκρο του θαλάμου στο άλλο. Κατά τη διάρκεια της μεταφοράς της βιομάζας λαμβάνει χώρα η καύση της και στο τέλος της διαδρομής καταλήγουν οι άκαυστες ποσότητες τέφρας. Κατά την κίνηση του ταινιόδρομου από το κάτω μέρος οι μεταλλικές επιφάνειες ψύχονται από τον πρωτοβάθμιο αέρα καύσης. Με αυτόν τον τρόπο αποφεύγεται η υπερθέρμανση και η αστοχία των μεταλλικών πλακών και παράλληλα αυξάνεται η θερμοκρασία του εισαγόμενου αέρα καύσης. Η ταχύτητα κίνησης της σχάρας ρυθμίζεται ανάλογα με τα χαρακτηριστικά της βιομάζας έτσι ώστε να διασφαλίζεται η ολοκληρωμένη καύση της. Τα πλεονεκτήματα των αντιδραστήρων σχάρας μεταφοράς είναι ότι επιτυγχάνουν ομοιόμορφες συνθήκες καύσης και χαμηλές εκπομπές αιωρούμενων σωματιδίων λόγω της ομαλής μεταφοράς της βιομάζας. Επίσης η συντήρηση και η αντικατάσταση των μεταλλικών επιφανειών είναι εύκολη. Τέλος μπορεί εύκολα να ρυθμιστεί ο χρόνος που διατίθεται για την ολοκλήρωση της καύσης της βιομάζας. [8] Εικόνα 2.8: Λεπτομέρεια σχάρας μεταφοράς

37 2.6.2 Αντιδραστήρες καύσης τύπου σταθερής σχάρας με κλίση Εικόνα 2.9: Αντιδραστήρας καύσης τύπου σταθερής σχάρας με κλίση Οι αντιδραστήρες καύσης τύπου σταθερής σχάρας έχουν εφαρμοστεί στο παρελθόν σε μονάδες μικρής κλίμακας. Διακρίνονται για την απλότητα της κατασκευής τους που έχει ως αποτέλεσμα και το σχετικά χαμηλό κόστος τους. Για τη μεταφορά της βιομάζας πάνω στη σχάρα χρησιμοποιείται το σύστημα τροφοδοσίας της βιομάζας και η δύναμη της βαρύτητας μέσω της κλίσης της σχάρας. Η σχάρα είναι διάτρητη έτσι ώστε να εισέρχεται μέσω αυτής η πρωτοβάθμια ροή αέρα (Primary Air- PA). Η βιομάζα καθώς μετακινείται προς χαμηλότερα επίπεδα διέρχεται διαδοχικά από τα στάδια της ξήρανσης, της πυρόλυσης, της αεριοποίησης και της καύσης ενώ στο τέλος της σχάρας έχει μετατραπεί σε τέφρα. Όπως φαίνεται και στο παραπάνω σχήμα μπορεί να ρυθμιστεί η παροχή αέρα που θα διανέμεται σε κάθε ένα από τα παραπάνω στάδια. Από διάφορα άλλα σημεία του θαλάμου καύσης εισάγεται η δευτεροβάθμια ροή αέρα (Secondary Air SA) για την καύση των αερίων που έχουν παραχθεί από τα στάδια της πυρόλυσης και της αεριοποίησης. Μειονέκτημα αυτών των αντιδραστήρων είναι η δυσκολία επίτευξης ομαλής κίνησης της βιομάζας και ομοιόμορφης διασπορά της πάνω στη σχάρα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να καταλήγουν σημαντικές ποσότητες άκαυστης βιομάζας μαζί με την τέφρα στη έξοδο του αντιδραστήρα μειώνοντας έτσι το βαθμό απόδοσης της διάταξης. Για τους παραπάνω λόγους δε γίνεται πλέον η εγκατάστασή τους σε νέες μονάδες καύσης βιομάζας.[8] Εικόνα 2.10: Επιμέρους στάδια καύσης σε έναν αντιδραστήρα τύπου σταθερής σχάρας με κλίση

38 2.6.3 Αντιδραστήρες καύσης τύπου παλινδρομικά κινούμενης σχάρας με κλίση Εικόνα 2.8: Αντιδραστήρας καύσης τύπου παλινδρομικά κινούμενης σχάρας με κλίση Η σχάρα επιφάνεια πάνω στην οποία προωθείται η βιομάζα αποτελείται από επιμέρους μικρότερες σχάρες τοποθετημένες σε σειρές, οι οποίες βρίσκονται υπό κλίση και που έχουν τη δυνατότητα παλινδρομικής κίνησης. Καθώς οι σειρές από σχάρες μετακινούνται παλινδρομικά μπρος πίσω τα σωματίδια βιομάζας μεταφέρονται προς χαμηλότερα επίπεδα υποβοηθούμενα και από το βάρος τους λόγω κλίσης της σχάρας. Με αυτόν τον τρόπο τα σωματίδια βιομάζας αναμειγνύονται καλύτερα μεταξύ τους και γενικά επιτυγχάνεται μία πιο ομοιόμορφη κατανομή της βιομάζας σε ολόκληρη τη σχάρα πράγμα που είναι πολύ σημαντικό για την ομοιόμορφη κατανομή της πρωτοβάθμιας ροής αέρα σε όλη την κλίνη. Επίσης, οι σειρές από μεταλλικές επιφάνειες έχουν τη δυνατότητα να κινούνται με διαφορετική ταχύτητα μεταξύ τους ανάλογα με τα διαφορετικά στάδια καύσης της βιομάζας. Οι επιφάνειες είναι κατασκευασμένες από κράματα μετάλλων με μεγάλη αντοχή στις υψηλές θερμοκρασίες και είναι διάτρητες ώστε να τις διαπερνά η πρωτοβάθμια ροή αέρα. Οι συγκεκριμένοι αντιδραστήρες έχουν το πλεονέκτημα ότι μπορούν να δεχθούν πολλών ειδών βιομάζας. Οι σχάρες οι οποίες χρησιμοποιούν την πρωτοβάθμια ροή αέρα για τη ψύξη τους είναι περισσότερο κατάλληλες για είδη βιομάζας με μεγάλη περιεκτικότητα σε υγρασία. Για είδη βιομάζας με χαμηλή περιεκτικότητα σε υγρασία και χαμηλή θερμοκρασία πυροσυσσωμάτωσης της τέφρας είναι προτιμότερο οι σχάρες να ψύχονται με νερό. Ένας σημαντικός παράγοντας σε αυτές τις διατάξεις είναι ο σωστός καθορισμός της συχνότητας παλινδρομικής κίνησης των μεταλλικών επιφανειών που εξαρτάται από το είδος του καυσίμου και το μέγεθος των μεταλλικών επιφανειών ενώ παράλληλα καθορίζει το χρόνο παραμονής των σωματιδίων βιομάζας μέσα στο θάλαμο καύσης. Εάν η συχνότητα κίνησης είναι πολύ μεγάλη προκύπτουν μεγάλες συγκεντρώσεις από άκαυστα σωματίδια στο τέλος της σχάρας μαζί με τη τέφρα αλλά και λιγότερο ομοιόμορφη κατανομή της βιομάζας στη διαθέσιμη επιφάνεια της σχάρας. Προκειμένου να υπάρχει έλεγχος της συχνότητας κίνησης των μεταλλικών επιφανειών μέσα στο θάλαμο και να προσαρμόζεται ανάλογα, τοποθετούνται μέσα στο θάλαμο καύσης αισθητήρες με υπέρυθρες ακτίνες έτσι ώστε να γίνεται αντιληπτό το ύψος της κλίνης σε κάθε περιοχή. [8]

39 2.6.4 Αντιδραστήρες καύσης τύπου παλινδρομικά κινούμενης οριζόντιας σχάρας Εικόνα 2.12: Αντιδραστήρας καύσης τύπου παλινδρομικά κινούμενης οριζόντιας σχάρας Στον συγκεκριμένο αντιδραστήρα η σχάρα αποτελείται από επιμέρους μικρότερες μεταλλικές επιφάνειες οι οποίες σχηματίζουν σειρές και είναι τοποθετημένες υπό κλίση διαγώνια αλλά στο ίδιο ύψος. Καθώς οι μεταλλικές επιφάνειες κινούνται παλινδρομικά πίσω μπρος προωθούν τη βιομάζα από το σημείο εισαγωγής της προς την άκρη της σχάρας σχηματίζοντας μία οριζόντια κλίνη. Η βιομάζα προωθείται αποκλειστικά χάρη στην παλινδρομική κίνηση των μεταλλικών επιφανειών που έχει ως αποτέλεσμα τον καλύτερο έλεγχο μεταφοράς της βιομάζας σε σχέση με την προηγούμενη διάταξη όπου η κίνηση της βιομάζας δεν ελέγχεται απόλυτα. Αυτό έχει ως συνέπεια την επίτευξη μίας πολύ ομοιόμορφης κατανομής της βιομάζας σε όλη την επιφάνεια της σχάρας και την αποφυγή δημιουργίας σημείων αυξημένης θερμοκρασίας που προκαλούν το λιώσιμο τη τέφρας. Ένα ακόμη πλεονέκτημα αυτής της διάταξης είναι ότι έχει μικρότερο ύψος σε σχέση με την διάταξη της κινούμενης σχάρας υπό κλίση. [8]

40 2.6.5 Αντιδραστήρες καύσης τύπου δονούμενης σχάρας Εικόνα 2.13: Αντιδραστήρας καύσης τύπου δονούμενης σχάρας Στην εικόνα 2.13 παρουσιάζεται ένας θάλαμος καύσης τύπου δονούμενης σχάρας στον οποίο η εισαγωγή της βιομάζας γίνεται με τροφοδότες διασποράς (injection). Η πρωτοβάθμια ροή αέρα εισάγεται μαζί με το καύσιμο αλλά και από τη διάτρητη σχάρα. Η δόνηση της σχάρας μετακινεί τη βιομάζα κατά μήκος της για να καταλήξει στο χώρο συλλογής της τέφρας. Μειονεκτήματα που παρουσιάζουν οι δονούμενες σχάρες είναι οι υψηλές ποσότητες ιπτάμενης τέφρας που παράγονται λόγω της κίνησης της σχάρας, οι υψηλές εκπομπές σε CO λόγω των περιοδικών διαταραχών της κλίνης και οι υψηλές ποσότητες άκαυστων σωματιδίων που καταλήγουν στη έξοδο της σχάρας μαζί με τη τέφρα καθώς δε μπορεί να επιτευχθεί καλός έλεγχος της μεταφοράς της βιομάζας. Από την άλλη όμως η δόνηση της σχάρας αποτρέπει τη πυροσυσσωμάτωση της τέφρας κάνοντας τη συγκεκριμένη μέθοδο κατάλληλη για καύσιμα με χαμηλό σημείο τήξης της τέφρας. Γενικά, μία διάταξη δονούμενης σχάρας έχει μικρό κόστος συντήρησης. Στην εικόνα 2.14 παρουσιάζεται μία δονούμενη σχάρα της εταιρίας Β&W Volund. Η συγκεκριμένη σχάρα είναι υδρόψυκτη και αποτελείται από τέσσερεις ανεξάρτητα δονούμενες μεταλλικές επιφάνειες (πάνελ) οι οποίες είναι τοποθετημένες με κλίση 6 ο με το οριζόντιο επίπεδο. Κάθε μία μεταλλική επιφάνεια στηρίζεται πάνω σε αναρτήσεις ενώ δονείται μέσω ενός διωστήρα που συνδέεται με μία μηχανή δόνησης από το πίσω μέρος της. Οι μεταλλικές επιφάνειες πάνελ δονούνται με αντίθετες φορές έτσι ώστε να αλληλοεξουδετερώνονται οι εξωτερικές δυνάμεις. Γι αυτό το λόγο η σχάρα μπορεί να αποτελείται από 2 ή 4 ξεχωριστά πάνελ. Επίσης, υπάρχει η δυνατότητα ρύθμισης της συχνότητας δόνησης. Παρουσιάζει μεγάλη ευελιξία ως προς τα είδη βιομάζας που μπορεί να δεχθεί ενώ μπορεί να αποδώσει θερμότητα έως και 2,5 MW th /m 2. Η πρωτοβάθμια ροή αέρα εισέρχεται από το κάτω μέρος της διάτρητης σχάρας. [8] Εικόνα 2.14: Αντιδραστήρας καύσης τύπου δονούμενης σχάρας της εταιρίας B&W Volund

41 2.6.6 Αντιδραστήρες καύσης τύπου τσιγάρου Εικόνα 2.15: Αντιδραστήρας καύσης τύπου τσιγάρου Οι συγκεκριμένοι αντιδραστήρες καύσης έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για την καύση βιομάζας χαμηλής πυκνότητας όπως άχυρο ή σιτηρά. Ποσότητες βιομάζας αφού μορφοποιηθούν σε δέματα τοποθετούνται σε ένα διάδρομο τροφοδοσίας και στη συνέχεια προωθούνται με ένα πιστόνι προς το θάλαμο καύσης. Καθώς η βιομάζα εισέρχεται μέσα στο θάλαμο καύσης αρχικά εκλύονται διάφορα αέρια και στη συνέχεια αναφλέγεται. Όπως παρουσιάζεται και στην εικόνα 2.15 κάτω από το σύστημα εισαγωγής της βιομάζας βρίσκεται τοποθετημένη μία υδρόψυκτη κινούμενη σχάρα με κλίση. Πάνω στη σχάρα πέφτουν σωματίδια βιομάζας και ολοκληρώνουν εκεί την καύση τους καθώς προωθούνται λόγω της κίνησης των επιμέρους μεταλλικών επιφανειών της σχάρας. Η σχάρα είναι διάτρητη έτσι ώστε να εισέρχεται ο απαραίτητος αέρας καύσης. Όσο αναφορά περιπτώσεις καυσίμων όπως άχυρο ή σιτηρά θα πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη βαρύτητα στον έλεγχο της θερμοκρασίας της σχάρας και του θαλάμου καύσης γενικότερα διότι ως καύσιμα χαρακτηρίζονται από χαμηλή θερμοκρασία τήξης της τέφρας τους ενώ παράλληλα αναπτύσσονται υψηλές θερμοκρασίες κατά την καύση τους λόγω της χαμηλής τους περιεκτικότητας σε υγρασία. Για τους παραπάνω λόγους ο θάλαμος καύσης πρέπει να ψύχεται είτε με κυκλοφορία νερού μέσα στα πλαϊνά του τοιχώματα είτε με επανακυκλοφορία καυσαερίων (είτε με συνδυασμό και των δύο τεχνικών) έτσι ώστε η θερμοκρασία του θαλάμου καύσης να μην ξεπερνά τους 900 ο C. Επίσης κατά την καύση των παραπάνω καυσίμων παράγονται πολύ μικρά και πολύ ελαφριά αιωρούμενα σωματίδια λόγω συμπύκνωσης ατμών αλκαλίων. Οπότε είναι απαραίτητο να υπάρχει ένα αυτόματο σύστημα καθαρισμού των μεταλλικών επιφανειών των εναλλακτών θερμότητας. Οι αντιδραστήρες καύσης τύπου τσιγάρου διακρίνονται από τη συνεχή παροχή καυσίμου μέσα στο θάλαμο καύσης που έχει ως αποτέλεσμα να διατηρούνται σταθερές οι συνθήκες καύσης. Συστήματα που εισάγουν ολόκληρα δέματα βιομάζας κατά περιόδους μέσα στο θάλαμο καύσης δε συνιστώνται διότι έτσι προκαλείται απότομη αύξηση της θερμοκρασίας και των εκπομπών CO κάθε φορά που εισάγονται νέες ποσότητες βιομάζας.[8]

42 2.6.7 Αντιδραστήρες καύσης τύπου περιστρεφόμενης κωνικής σχάρας Εικόνα 2.16: Αντιδραστήρας καύσης τύπου περιστρεφόμενης κωνικής σχάρας A B C Σύστημα τροφοδοσίας 1 ος Θάλαμος καύσης 2 ος Θάλαμος καύσης D E F G Λέβητας Σύστημα καθαρισμού καυσαερίων Σύστημα απομάκρυνσης τέφρας Καμινάδα Η κωνική σχάρα του παραπάνω αντιδραστήρα σχηματίζεται από επιμέρους κωνικές μεταλλικές επιφάνειες οι οποίες περιστρέφονται με αντίθετη φορά η κάθε σειρά σε σχέση με την προηγούμενή της. Οι κωνικές επιφάνειες είναι διάτρητες έτσι ώστε να τις διαπερνά η πρωτοβάθμια ροή αέρα καύσης. Η βιομάζα προωθείται από το κάτω μέρος της σχάρας στην κορυφή της κωνικής σχάρας με τη βοήθεια ενός ατέρμονα κοχλία οπότε είναι απαραίτητο οι διαστάσεις των σωματιδίων βιομάζας να είναι μικρότερες από 50 mm. Καθώς η ροή της βιομάζας είναι συνεχής τα σωματίδια βιομάζας στη συνέχεια μετακινούνται από την κορυφή της κωνικής σχάρας προς τη βάση της. Η περιστροφή των κωνικών επιφανειών με διαδοχικά αντίθετες φορές εξασφαλίζει την ομοιόμορφη κατανομή της βιομάζας σε όλη την εξωτερική επιφάνεια της κωνικής σχάρας. Αυτού του είδους οι σχάρες είναι κατάλληλες για καύση βιομάζας με υψηλά ποσοστά υγρασίας, έως και 65 %. Τα αέρια που έχουν τη δυνατότητα να καούν και που διαφεύγουν από την κωνική σχάρα, καίγονται σε ένα δεύτερο θάλαμο καύσης όπου και εισάγεται ο δευτερεύων αέρας καύσης. Ο δεύτερος θάλαμος καύσης μπορεί να είναι οριζόντιος ( όπως στο σχήμα ) αλά και κάθετος. Ο οριζόντιος δευτερεύων θάλαμος καύσης χρησιμοποιείται σε μεγαλύτερες διατάξεις όταν επιδιώκεται η παραγωγή θερμού νερού ή ατμού ενώ ο κάθετος σε μικρότερες διατάξεις όταν επιδιώκεται μόνο η παραγωγή θερμού νερού. Οι συγκεκριμένοι αντιδραστήρες καύσης που αναπτύχθηκαν για πρώτη φορά στη Φιλανδία, είναι ικανοί να δεχθούν ως καύσιμο μείγμα ξυλώδους βιομάζας και βιολογικής ιλύος. Τέλος έχουν τη δυνατότητα πλήρους αυτοματοποιημένης λειτουργίας μειώνοντας έτσι το αντίστοιχο κόστος λειτουργίας. [8]

43 2.6.8 Αντιδραστήρες καύσης τύπου περιστρεφόμενου κώνου 1 Σύστημα τροφοδοσίας 2 Περιστρεφόμενη κωνική σχάρα 3 Βάση του κώνου 4 Πρωτοβάθμια ροή αέρα 5 Έλεγχος ροής 6 Έξοδος τέφρας 7 Σύστημα προώθησης τέφρας 8 Ζώνη καύσης 9 Δευτεροβάθμια ροή αέρα Εικόνα 2.17: Αντιδραστήρας καύσης τύπου περιστρεφόμενου κώνου Οι συγκεκριμένοι αντιδραστήρες αναπτύχθηκαν για πρώτη φορά στη Γερμανία και αποτελούνται από μία αργά περιστρεφόμενη ανεστραμμένη κωνική σχάρα. Ο σχεδιασμός και η περιστροφή κίνηση του αντιδραστήρα επιτρέπουν μία αποτελεσματική μίξη και μία γρήγορη ανάφλεξη των σωματιδίων βιομάζας ενώ επίσης παρέχουν μεγάλη ευελιξία ως προς το μέγεθος των σωματιδίων και το περιεχόμενό τους σε υγρασία που μπορούν να εισέρθουν στον αντιδραστήρα. Μέχρι στιγμής έχουν χρησιμοποιηθεί κυρίως για την καύση ξυλώδους βιομάζας υπολειμματικής μορφής και η παροχή τους σε βιομάζα κυμαίνεται μεταξύ 0,4 και 50 MW th. Τα σωματίδια βιομάζας ρίχνονται από πάνω χρησιμοποιώντας ένα αεροστεγές σύστημα τροφοδοσίας δύο σταδίων. Ο πρωτοβάθμιος αέρας καύσης μεταφέρεται στο εσωτερικό του αντιδραστήρα μέσω μεταλλικών σωλήνων και η ροή του επιτρέπεται μόνο στις περιοχές της σχάρας που καλύπτονται με βιομάζα. Λόγω της πολύς καλής μίξης των σωματιδίων βιομάζας εισάγονται περιορισμένες ποσότητες πρωτοβάθμιου αέρα καύσης. Η αναλογία του πρωτοβάθμιου αέρα καύσης ως προς το στοιχειομετρικά απαιτούμενο κυμαίνεται μεταξύ λ = 0,3 έως λ = 0,6. Με αυτόν τον τρόπο έχουμε μειωμένες θερμοκρασίες καύσης επιτρέποντας με αυτόν τον τρόπο τη χρήση καυσίμων των οποίων η τέφρα λιώνει σε χαμηλές θερμοκρασίες. Σε αυτούς τους αντιδραστήρες η αεριοποίηση της βιομάζας λαμβάνει χώρα σε θερμοκρασίες χαμηλότερες των 800 ο C. Η δευτεροβάθμια ροή αέρα εισάγεται εφαπτομενικά και με μεγάλη ταχύτητα μέσα στον κυλινδρικό 2 ο θάλαμο καύσης που βρίσκεται πάνω από τον περιστρεφόμενο κώνο, προκαλώντας έτσι μία περιστροφική κίνηση των αερίων μαζών που έχει ως αποτέλεσμα την πολύ καλή ανάμειξή τους και τον αποτελεσματικό διαχωρισμό των αιωρούμενων σωματιδίων τέφρας από την ροή των αερίων. Τα τοιχώματα του αντιδραστήρα είναι μεταλλικά και υδρόψυκτα έτσι ώστε να εξασφαλίζεται επαρκής έλεγχος της θερμοκρασίας στις ζώνες καύσης και να αποτρέπεται η πυροσυσσωμάτωση της τέφρας. [8]

44 Ο συνολικός λόγος παρεχόμενου αέρα προς το στοιχειομετρικά απαιτούμενο για την ολοκλήρωση της καύσης κυμαίνεται μεταξύ λ = 1,2 και λ = 1,4. Αυτές οι τιμές είναι σχετικά χαμηλές για αντιδραστήρες καύσης σταθερής κλίνης ενώ γενικότερα μικρές τιμές του λ εξασφαλίζουν υψηλό βαθμό απόδοσης της καύσης.τα κυριότερα μειονεκτήματα του αντιδραστήρα καύσης βιομάζας περιστρεφόμενου κώνου είναι : Η έλλειψη εμπειρίας πάνω στη συμπεριφορά του αντιδραστήρα (φθορά σχάρας, φθορά θαλάμου καύσης και γενικότερη απόδοση) από τη χρήση διαφορετικών ειδών βιομάζας σε διαφορετικά φορτία. Η ανάγκη ύπαρξης βοηθητικού συστήματος έναυσης για την εκκίνηση του αντιδραστήρα λόγω των υδρόψυκτων τοιχωμάτων του αντιδραστήρα Η ανάγκη περιοδικής διακοπής του αντιδραστήρα για την απομάκρυνση σωματιδίων τέφρας μεγάλων διαστάσεων που συσσωρεύονται στη βάση του κώνου. Αυτή η απομάκρυνση των σωματιδίων γίνεται αυτόματα από έναν εγκατεστημένο ρομποτικό μηχανισμό. Η συχνότητα με την οποία διακόπτεται η λειτουργία του αντιδραστήρα εξαρτάται από την περιεκτικότητα της βιομάζας σε ανόργανες προσμίξεις

45 2.6.9 Αντιδραστήρες καύσης τύπου ακίνητης κωνικής σχάρας (underfeed stoker) Εικόνα 2.18: Αντιδραστήρας καύσης τύπου ακίνητης κωνικής σχάρας Στους συγκεκριμένους αντιδραστήρες η τροφοδοσία της καύσιμης βιομάζας και της πρωτοβάθμιας ροής αέρα γίνεται από το κάτω μέρος της κωνικής σχάρας. Η βιομάζα μέσω ενός ατέρμονα κοχλία ή ενός εμβόλου προωθείται στον πυθμένα μίας χοάνης. Εκεί καθώς συσσωρεύεται η βιομάζα, τα χαμηλότερα στρώματα πιέζουν τα υψηλότερα με αποτέλεσμα τα σωματίδια βιομάζας να ωθούνται προς την κορυφή της σωρού που σχηματίζεται και στη συνέχεια να απλώνονται πάνω στην κωνική σχάρα. Όπως παρουσιάζεται και στο σχήμα 2.18 η πρωτοβάθμια ροή αέρα εισάγεται στο θάλαμο καύσης διαμέσου της διάτρητης σχάρας αλλά ένα μέρος της εισέρχεται και στο εσωτερικό της χοάνης ( στα υψηλότερα επίπεδά της ). Με αυτόν τον τρόπο εισαγωγής της βιομάζας και του αέρα καύσης τα σωματίδια βιομάζας μέχρι να βγουν στην επιφάνεια έχουν χάσει σημαντικό μέρος της υγρασίας τους ενώ στη συνέχεια καθώς εκτίθενται σε ένα θερμό περιβάλλον, παρουσία αέρα αναφλέγονται. Καθώς τα σωματίδια βιομάζας παρασύρονται και μετακινούνται πάνω στη σχάρα ολοκληρώνεται η καύση τους και μετατρέπονται σε ποσότητες τέφρας όπου τελικά πέφτουν από ανοίγματα που υπάρχουν στη σχάρα και παγιδεύονται σε χώρο με σχήμα δακτυλίου που περιβάλει την κωνική σχάρα. Τα καυσαέρια και όλα τα πτητικά αέρια που παράγονται στον πρώτο θάλαμο καύσης διέρχονται από ένα δεύτερο θάλαμο καύσης στον οποίο εισέρχεται ο δευτεροβάθμιος αέρας καύσης και ένα ποσοστό τους καίγεται. Στην εικόνα 2.19 παρουσιάζεται ένας οριζόντιος, κυλινδρικός δευτεροβάθμιος θάλαμος καύσης όπου επιτυγχάνεται μία περιστροφική κίνηση του δευτεροβάθμιου αέρα καύσης και των καυσαερίων - πτητικών για την καλύτερη ανάμειξή τους και την πιο αποτελεσματική καύση τους. Αυτό επιτυγχάνεται διότι ο δευτεροβάθμιος αέρας καύσης προωθείται μέσα στον κυλινδρικό θάλαμο καύσης μέσω ενός κατάλληλα σχεδιασμένου φυσητήρα

46 Εικόνα 2.19: Οριζόντιος, κυλινδρικός δευτεροβάθμιος θάλαμος καύσης Γενικά αυτού του τύπου οι αντιδραστήρες καύσης είναι λειτουργικά αξιόπιστοι και σχετικά φθηνοί στην κατασκευή τους ενώ μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μικρές και μεσαίες εγκαταστάσεις παράγοντας έως και 6 MW th. Είναι κατάλληλοι μόνο για είδη βιομάζας με χαμηλή περιεκτικότητα σε τέφρα και υψηλή θερμοκρασία τήξης της τέφρας ώστε να αποφεύγεται η κάλυψη περιοχών της κλίνης με σωματίδια τέφρας που έχουν πυροσυσσωματωθεί ή λιώσει και προκαλούν μη σταθερές συνθήκες καύσης. Επίσης το μέγεθος των σωματιδίων βιομάζας που χρησιμοποιείται πρέπει να μη ξεπερνά τα 50 mm ενώ το ποσοστό της περιεχόμενης υγρασίας τους πρέπει να είναι μικρότερο από 40 %. Είδη βιομάζας όπως τσιπς ξύλου, πριονίδι, πέλλετ, είναι κατάλληλοι για αυτούς τους αντιδραστήρες ενώ είδη βιομάζας όπως φλοιοί, άχυρο, σιτηρά είναι ακατάλληλοι λόγω αυξημένης περιεκτικότητάς τους σε τέφρα. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα των συγκεκριμένων αντιδραστήρων είναι η καλή προσαρμοστικότητα που έχουν στις διακυμάνσεις του φορτίου. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι στο συγκεκριμένο αντιδραστήρα η παροχή καύσιμης βιομάζας μπορεί να μεταβληθεί εύκολα και γρήγορα. [8]

47 2.7 Αντιδραστήρες καύσης ρευστοποιημένης κλίνης Γενικά Συστήματα καύσης που κάνουν χρήση αντιδραστήρα ρευστοποιημένης κλίνης εφαρμόζονται από το Μέχρι σήμερα έχουν γίνει εκατοντάδες βιομηχανικές εφαρμογές αυτής της τεχνολογίας η οποία διακρίνεται στους αντιδραστήρες αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης (BFB) και στους αντιδραστήρες κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης (CFB). Γενικά, μία ρευστοποιημένη κλίνη αποτελείται από έναν κυλινδρικό αντιδραστήρα μέσα στον οποίο υπάρχουν σωματίδια του μέσου πλήρωσης και σωματίδια βιομάζας σε μία ρευστοποιημένη κατάσταση. Η ρευστοποίηση της κλίνης επιτυγχάνεται τροφοδοτώντας τον αντιδραστήρα από τη βάση του, διαμέσου ενός διανομέα, με το μέσο ρευστοποίησης που είναι ταυτόχρονα και η πρωτοβάθμια ροή αέρα καύσης. Το μέσο πλήρωσης αποτελεί το 90 % με 98 % του βάρους των σωματιδίων που ρευστοποιούνται μέσα στον αντιδραστήρα. Το υπόλοιπο ποσοστό είναι τα σωματίδια καύσιμης βιομάζας. Οι υψηλοί ρυθμοί μετάδοσης θερμότητας και η πολύ καλή ανάμειξη των σωματιδίων που επιτυγχάνεται μέσα σε μία ρευστοποιημένη κλίνη παρέχουν πολύ καλές συνθήκες για την ολοκληρωμένη καύση των σωματιδίων βιομάζας πράγμα που έχει σημαντική επίπτωση στη διατήρηση του λόγου (λ) εισερχόμενος αέρας / στοιχειομετρικά απαιτούμενος για την ολοκλήρωση της καύσης αέρας, σε χαμηλές τιμές όπως παρουσιάζεται και στον πίνακα 2.4 : Πίνακας 2.4: Λόγος αέρα καύσης (λ) για αντιδραστήρες τύπου ρευστοποιημένης κλίνης Είδος αντιδραστήρα λ BFB 1,3 1,4 CFB 1,1 1,2 Η θερμοκρασία καύσης στις ρευστοποιημένες κλίνες διατηρείται σε σχετικά χαμηλά επίπεδα, συνήθως μεταξύ 800 ο C 900 ο C έτσι ώστε να αποτρέπεται η πυροσυσσωμάτωση των σωματιδίων τέφρας μέσα στην κλίνη. Ο έλεγχος της θερμοκρασίας μέσα στην ρευστοποιημένη κλίνη γίνεται με εναλλάκτες θερμότητας που τοποθετούνται μέσα στην κλίνη, με επανακυκλοφορία των καυσαερίων, ή με έγχυση νερού. Γενικά οι θερμοκρασίες καύσης στους αντιδραστήρες ρευστοποιημένης κλίνης είναι 100 ο C 200 ο C χαμηλότερες από τις θερμοκρασίες καύσης που έχουμε στους αντιδραστήρες τύπου σταθερής κλίνης. Λόγω της καλής ανάμειξης των σωματιδίων που επιτυγχάνεται οι ρευστοποιημένες κλίνες έχουν τη δυνατότητα να δεχθούν ως καύσιμο, μείγμα διαφορετικών ειδών βιομάζας (όπως π.χ μείγμα ξυλώδους βιομάζας με άχυρο). Εισάγουν όμως σημαντικούς περιορισμούς όσο αναφορά το μέγεθος των σωματιδίων βιομάζας που μπορούν να δεχθούν όπως παρουσιάζεται και στον παρακάτω πίνακα. Επίσης, οι ρευστοποιημένες κλίνες χαρακτηρίζονται από σχετική αδυναμία προσαρμογής τους σε μερικό φορτίο λειτουργίας λόγω ανάγκης ρευστοποίησης της κλίνης ( η παροχή του μέσου ρευστοποίησης δε μπορεί να μειωθεί κάτω από ένα συγκεκριμένο όριο). Πίνακας 2.5: Αποδεχόμενο μέγεθος σωματιδίων βιομάζας για αντιδραστήρες τύπου ρευστοποιημένης κλίνης Είδος αντιδραστήρα BFB CFB Αποδεχόμενο μέγεθος σωματιδίων βιομάζας <80 mm <40 mm

48 Οι αντιδραστήρες καύσης τύπου ρευστοποιημένης κλίνης χρειάζονται μεγάλο χρονικό διάστημα από τη στιγμή της εκκίνησής τους μέχρι να φθάσουν στο σημείο σταθερής λειτουργίας τους ( πχ 15 ώρες ). Σε αυτό το διάστημα της εκκίνησης χρησιμοποιούνται παράλληλα, βοηθητικά συστήματα καύσης που χρησιμοποιούν πετρέλαιο ή φυσικό αέριο προκειμένου η θερμοκρασία της ρευστοποιημένης κλίνης να βρίσκεται στα επιθυμητά επίπεδα. Όσο αναφορά τις εκπομπές των καυσαερίων μπορούν να επιτευχθούν χαμηλές εκπομπές σε NO X λόγω των καλών συνθηκών καύσης που επιτυγχάνονται. Επίσης λόγω της καλής ανάμειξης των σωματιδίων μπορούν να χρησιμοποιηθούν με μεγάλη αποτελεσματικότητα πρόσθετα σωματίδια υλικών που μπορούν να περιορίσουν τις εκπομπές όπως σωματίδια ασβεστόλιθου για την κατακράτηση των ποσοτήτων θείου. Η μικρή απαίτηση σε περίσσεια αέρα που έχουν οι αντιδραστήρες ρευστοποιημένης κλίνης έχει ως αποτέλεσμα την αυξημένη απόδοσης της καύσης και τη μειωμένη ροή όγκου των καυσαερίων. Γενικά οι αντιδραστήρες ρευστοποιημένης κλίνης εφαρμόζονται σε μεγάλες μονάδες καύσης με θερμική ισχύ εξόδου πάνω από 30 MW th. Σε μικρότερες εφαρμογές το αρχικό κόστος επένδυσης και στη συνέχεια το κόστος λειτουργίας των αντιδραστήρων ρευστοποιημένης κλίνης είναι μεγαλύτερο από τα αντίστοιχα κόστη των αντιδραστήρων σταθερής κλίνη. Ένα μειονέκτημα των αντιδραστήρων ρευστοποιημένης κλίνης είναι το γεγονός ότι παρασύρονται ποσότητες σωματιδίων του μέσου πλήρωσης από τη ροή των καυσαερίων γεγονός που αυξάνει τις απαιτήσεις για αποτελεσματικές διατάξεις διαχωρισμού και κατακράτησης των στερεών σωματιδίων που έχουν παρασυρθεί. Γίνεται λοιπόν απαραίτητη η περιοδική πρόσθεση νέων ποσοτήτων του μέσου πλήρωσης προς αντικατάσταση αυτών που έχουν διαφύγει του αντιδραστήρα

49 2.7.1 Αντιδραστήρες καύσης τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης (BFB) Εικόνα 2.20: Αντιδραστήρας καύσης τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης Οι αντιδραστήρες αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης εφαρμόζονται σε μονάδες καύσης με θερμική ισχύ εξόδου πάνω από 20 MW th. Το μέσο πλήρωσης που συνήθως είναι άμμος πυριτίου με μέση διάμετρο κόκκων 1 mm καταλαμβάνει τα χαμηλότερα τμήματα του αντιδραστήρα. Η πρωτοβάθμια ροή αέρα εισέρχεται μέσω ενός διανομέα από τη βάση του αντιδραστήρα με ταχύτητα που κυμαίνεται μεταξύ 1 m/sec 2,5 m/sec και ρευστοποιεί την κλίνη. Η δευτεροβάθμια ροή αέρα εισάγεται από διάφορα οριζοντίως διατεταγμένα ακροφύσια που είναι τοποθετημένα σε υψηλότερα επίπεδα της ρευστοποιημένης κλίνης. Η εισαγωγή του αέρα καύσης από διαφορετικά επίπεδα της ρευστοποιημένης κλίνης διασφαλίζει μειωμένες εκπομπές σε NO x. Όταν οι αντιδραστήρες αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης τροφοδοτούνται με λιγνίτη τότε το καύσιμο προωθείται πάνω στη ρευστοποιημένη κλίνη ενώ όταν ως καύσιμο έχουμε σωματίδια βιομάζας τότε το καύσιμο προωθείται στο εσωτερικό της ρευστοποιημένης κλίνης. Η διαφορά αυτή οφείλεται στη μεγαλύτερη αντιδραστικότητα που παρουσιάζει η βιομάζα σε σχέση με το λιγνίτη. Η καύσιμη βιομάζα που εισέρχεται μέσα στον αντιδραστήρα αποτελεί το 1 % - 2 % της ρευστοποιημένης κλίνης. Ο έλεγχος της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του αντιδραστήρα γίνεται με εσωτερικούς εναλλάκτες θερμότητας, όπως φαίνεται και στο σχήμα. Το σημαντικότερο πλεονέκτημα αυτών των αντιδραστήρων είναι η ευελιξία τους όσο αναφορά το μέγεθος των σωματιδίων που μπορούν να δεχθούν και την περιεχόμενη υγρασία τους. Ακόμη, είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν μείγματα διαφορετικών ειδών βιομάζας. Στους παλαιότερους αντιδραστήρες υπήρχε δυσκολία προσαρμογής τους σε λειτουργία με μερικό φορτίο. Αυτό το πρόβλημα έχει λυθεί σε πιο σύγχρονες κατασκευές οι οποίες διαιρούν την κλίνη σε επιμέρους τμήματα τα οποία ρευστοποιούνται αναλόγως το φορτίο. [8]

50 2.7.2 Αντιδραστήρες καύσης τύπου κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης (CFB) Εικόνα 2.21: Αντιδραστήρας καύσης τύπου κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης Στους αντιδραστήρες καύσης κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης η ταχύτητα του μέσου ρευστοποίησης κυμαίνεται από 5 m/sec 10 m/sec ενώ τα σωματίδια του μέσου πλήρωσης έχουν μέση διάμετρο που κυμαίνεται μεταξύ 0,2 mm 0,4 mm. Έτσι λοιπόν με αυξημένες ταχύτητες του μέσου ρευστοποίησης και μειωμένο μέγεθος σωματιδίων επιτυγχάνεται η μεταφορά των σωματιδίων μέσω της ροής των καυσαερίων εκτός του αντιδραστήρα καύσης. Μετά την έξοδό τους η ροή των καυσαερίων οδηγείται σε ένα διαχωριστή σωματιδίων τύπου κυκλώνα (ή σε άλλες περιπτώσεις τύπου ροής U). Εκεί τα σωματίδια του μέσου πλήρωσης λόγω μεγαλύτερου βάρους χάνουν ύψος και οδηγούνται πάλι πίσω στο θάλαμο καύσης. Τα σωματίδια τέφρας όμως παρασύρονται από τα θερμά καυσαέρια και οδηγούνται στις διατάξεις επεξεργασίας των καυσαερίων που ακολουθούν. Παρόλα αυτά όμως ορισμένες ποσότητες τέφρας καταλήγουν μέσα στην κλίνη όπου και συσσωρεύονται. Γι αυτό το λόγο είναι απαραίτητη μία διάταξη απομάκρυνσης της τέφρας από την κλίνη όπως φαίνεται και στην παραπάνω απεικόνιση (Ash Classifier). Η θερμοκρασία της ρευστοποιημένης κλίνης κυμαίνεται μεταξύ 800 ο C 900 ο C και ελέγχεται εύκολα μέσω υδρόψυκτων τοιχωμάτων του θαλάμου καύσης όπως στη συγκεκριμένη περίπτωση που απεικονίζεται ή μέσω εξωτερικών εναλλακτών θερμότητας που ψύχουν την κυκλοφορούσα άμμο κατά την επιστροφή της στον αντιδραστήρα. Ο μεγαλύτερος στροβιλισμός που επιτυγχάνεται σε αντιδραστήρες CFB οδηγεί σε ομοιόμορφη κατανομή θερμοκρασίας μέσα στην κλίνη και πιο έντονη εναλλαγή θερμότητας μεταξύ της βιομάζας και του μέσου πλήρωσης επιτυγχάνοντας έτσι έναν αυξημένο βαθμό απόδοσης καύσης. Προκειμένου να επιτευχθούν σταθερές συνθήκες καύσης εκτός από τη

51 πρωτοβάθμια ροή αέρα που εισάγεται από τη βάση του αντιδραστήρα εισάγεται και μία δευτεροβάθμια ροή αέρα από υψηλότερα σημεία του αντιδραστήρα. Εν συγκρίσει με έναν αντιδραστήρα BFB ίδιας παραγόμενης θερμικής ισχύος ένας αντιδραστήρες CFB έχει σαφώς μικρότερη διάμετρο ( κατά 50 % μειωμένη) όμως καταλαμβάνει περισσότερο χώρο και είναι γενικά ακριβότερος στην κατασκευή του. Επίσης η ροή των καυσαερίων ενός αντιδραστήρα CFB είναι περισσότερο επιβαρυμένη με σωματίδια υλικού πλήρωσης και τέφρας που έχουν παρασυρθεί και επομένως αυξάνουν οι απαιτήσεις στις διατάξεις επεξεργασίας των καυσαερίων. Αυξημένες απαιτήσεις υπάρχουν επίσης και στις διατάξεις ετοιμασίας των σωματιδίων καύσιμης βιομάζας καθώς η διάμετρός τους πρέπει να είναι μικρότερη από 40 mm. Γενικά, οι αντιδραστήρες CFB είναι κατάλληλοι για διατάξεις με θερμική ισχύ εξόδου άνω των 30 MW th. [8]

52 2.8 Αντιδραστήρες καύσης εξαναγκασμένης ροής Αντιδραστήρες καύσης τύπου στροβιλισμού (vortex burners) 1 Πρωτοβάθμια ροή αέρα 2 Τροφοδοσία καυσίμου 3 Καύση μέρους της βιομάζας 4 Επανακυκλοφορία των καυσαερίων 5 Συγκέντρωση τέφρας 6 Δευτεροβάθμια ροή αέρα 7 Τριτοβάθμια ροή αέρα 8 Λέβητας παραγωγής ατμού Εικόνα 2.22: Αντιδραστήρας καύσης τύπου στροβιλισμού Στους αντιδραστήρες εξαναγκασμένης ροής τύπου στροβιλισμού, πολύ μικρά σωματίδια βιομάζας όπως π.χ. πριονίδι, εισάγονται με πνευματικά συστήματα (injection) μέσα στο θάλαμο καύσης. Η πρωτοβάθμια ροή αέρα καύσης είναι ταυτόχρονα και το μέσο μεταφοράς της βιομάζας. Για την εκκίνηση του αντιδραστήρα είναι απαραίτητος ένας βοηθητικός καυστήρας (που στη σχηματική απεικόνιση, εικόνα 2.22 φαίνεται αριστερά του θαλάμου καύσης) που ως καύσιμο μπορεί να χρησιμοποιεί φυσικό αέριο ή πετρέλαιο. Όταν η θερμοκρασία μέσα στο θάλαμο καύσης φθάσει στην επιθυμητή τιμή, ξεκινά η τροφοδοσία της καύσιμης βιομάζας και η λειτουργία του βοηθητικού καυστήρα σταματά. Τα χαρακτηριστικά των σωματιδίων βιομάζας που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε αυτούς τους αντιδραστήρες πρέπει να μην έχουν μεγάλες αποκλίσεις. Το μέγεθος των σωματιδίων πρέπει να είναι μικρότερο από 20 mm και η περιεκτικότητά τους σε υγρασία δεν πρέπει να ξεπερνά το 20 % κ.β. Το σύστημα τροφοδοσίας ενός τέτοιου αντιδραστήρα είναι το πιο σημαντικό στοιχείο του. Το μείγμα αέρα καυσίμου εισάγεται με έγχυση εφαπτομενικά στον κυλινδρικό θάλαμο καύσης ακολουθώντας μία περιστροφική ελικοειδή τροχιά. Στον αντιδραστήρα που απεικονίζεται, στο πρώτο θάλαμο καύσης επανεισάγεται μέρος των

53 καυσαερίων έτσι ώστε να ενισχυθεί η περιστροφική κίνηση των αερίων σωματιδίων. Λόγω των υψηλών θερμοκρασιών καύσης που αναπτύσσονται και της έντονης μετάδοσης θερμότητας που προκαλείται είναι απαραίτητο να υπάρχει κάποιο σύστημα ψύξης της εξωτερικής επιφάνειας των τοιχωμάτων του θαλάμου καύσης. Στην εικόνα 2.22 παρατηρούμε ότι στην έξοδο του πρώτου θαλάμου καύσης σχηματίζεται μία στένωση όπου και εισάγεται η δευτεροβάθμια ροή αέρα καύσης προκειμένου να επιτευχθεί μία καλή ανάμειξη. Μετά τον πρώτο θάλαμο καύσης ακολουθεί ένας δεύτερος, μεγαλύτερος θάλαμος καύσης στον οποίο εισάγεται η τριτοβάθμια ροή αέρα καύσης. Λόγω της μεγάλης ταχύτητας των καυσαερίων η τέφρα παρασύρεται και μόνο ένα ποσοστό αυτής τελικά καταλήγει στο σύστημα συγκέντρωσης τέφρας που υπάρχει στη βάση του δεύτερου θαλάμου καύσης. Η περίσσεια αέρα που απαιτούν είναι σχετικά μικρή και κυμαίνεται από λ = 1,3 έως λ = 1,5. Επίσης λόγω της εισαγωγής του αέρα καύσης από 3 διαφορετικά επίπεδα κατά μήκος του αντιδραστήρα (air staging), επιτυγχάνονται μικρές εκπομπές σε NO x. Γενικά αυτοί οι αντιδραστήρες μπορούν να προσαρμοστούν σχετικά εύκολα σε μεταβολές του φορτίου τους. Έχουν εφαρμοστεί σε διατάξεις με παραγόμενη θερμική ισχύ από 2 MW th έως 8 MW th.. [8]

54 2.8.2 Αντιδραστήρες καύσης τύπου κυκλώνα Εικόνα 2.23: Αντιδραστήρας καύσης τύπου κυκλώνα Στην εικόνα 2.23 παρουσιάζεται ένας αντιδραστήρας καύσης μικρόκοκκων σωματιδίων βιομάζας τύπου κυκλώνα. Τα σωματίδια βιομάζας και η πρωτοβάθμια ροή αέρα εισέρχονται με έγχυση εφαπτομενικά στον πρώτο αντιδραστήρα καύσης που έχει τη μορφή ενός κυκλώνα. Τα σωματίδια βιομάζας καθώς καίγονται ακολουθούν μία ελικοειδή τροχιά και στο τέλος τα σωματίδια τέφρας που προκύπτουν απορρίπτονται από το κάτω μέρος του κυκλώνα. Τα καυσαέρια που παράγονται οδηγούνται σε ένα δεύτερο κυλινδρικό θάλαμο καύσης. Εκεί εισάγεται η δευτεροβάθμια ροή αέρα και πραγματοποιείται η καύση των αερίων συστατικών που μπορούν να καούν. Ένα μειονέκτημα των αντιδραστήρων τύπου κυκλώνα αλλά και των αντιδραστήρων στροβιλισμού είναι η έντονη θερμική καταπόνηση των τοιχωμάτων των πρώτων θαλάμων καύσης που οφείλεται στην ελικοειδή τροχιά της ροής των φλεγόμενων σωματιδίων βιομάζας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ανάγκη περιοδικής αντικατάστασης των μονωτικών πλίνθων που τοποθετούνται στις εσωτερικές τους επιφάνειες. Γι αυτό το λόγο σε πολλές εφαρμογές αντιδραστήρων καύσης σωματιδίων βιομάζας σε μορφή σκόνης η έγχυση των σωματιδίων και της πρωτοβάθμιας ροής αέρα καύσης γίνεται όπως ακριβώς και στους συνηθισμένους λέβητες φυσικού αερίου πετρελαίου χωρίς δηλαδή να τους δίνεται ελικοειδή τροχιά. [8]

55 2.9 Συγκριτικοί πίνακες αντιδραστήρων καύσης βιομάζας Στους παρακάτω πίνακες γίνεται μία σύγκριση μεταξύ των αντιδραστήρων καύσης βιομάζας. Όσο αναφορά τις εκπομπές καυσαερίων, οι αντιδραστήρες ρευστοποιημένης κλίνης ( BFB, CFB ) παράγουν λιγότερες ποσότητες CO και NO x διότι παρουσιάζουν περισσότερο ομογενείς και συνεπώς πιο ελεγχόμενες συνθήκες καύσης. Από την άλλη, οι αντιδραστήρες σταθερής κλίνης έχουν λιγότερες εκπομπές σε αιωρούμενα σωματίδια. [8] GF : Επίπεδη σχάρα τροφοδοτούμενη από πάνω (Grate Furnaces) US : Κωνική σχάρα τροφοδοτούμενη από κάτω (Underfeed Stokers) BFB : Αναβράζουσα ρευστοποιημένη κλίνη (Bubbling fluidized bed) CFB : Κυκλοφορούσα ρευστοποιημένη κλίνη (Circulating fluidized bed) EF: Αντιδραστήρες καύσης εξαναγκασμένης ροής (Entrained flow) Πίνακας 2.6: Γενική σύγκριση μεταξύ των αντιδραστήρων καύσης βιομάζας Γενική σύγκριση GF US BFB CFB EF Για εφαρμογή σε μονάδες παραγωγής θερμική ισχύς (ΜW th ) Ευελιξία στο μέγεθος των αποδεχόμενων σωματιδίων βιομάζας Ικανότητα προσαρμογής σε διακυμάνσεις φορτίου Απαιτούμενη περίσσεια οξυγόνου (% όγκου καυσαερίων) <20 <6 >20 >30 - Μεγάλη Μικρή Μέτρια Μικρή Μικρή <50mm <80mm <40mm <20mm Μεσαία Μεγάλη Μικρή Μικρή Μεγάλη Μεγάλη Μικρή 3-4 Μικρή 1-2 Μέτρια 4-6 Πίνακας 2.7: Σημαντικότερα πλεονεκτήματα για κάθε είδος αντιδραστήρα καύσης βιομάζας Σημαντικότερα πλεονεκτήματα GF US BFB CFB EF Χαμηλό κόστος λειτουργίας Καλή προσαρμογή στις διακυμάνσεις φορτίων Μεγάλη ευελιξία ως προς το ποσοστό υγρασίας και τα είδη βιομάζας που μπορούν να γίνουν αποδεκτά Μειωμένες εκπομπές NO x Υψηλός βαθμός απόδοσης καύσης Μεγάλη ευελιξία ως προς το ποσοστό υγρασίας και τα είδη βιομάζας που μπορούν να γίνουν αποδεκτά Μειωμένες εκπομπές NO x Υψηλός βαθμός απόδοσης καύσης Δυνατότητα χρήσης πρόσθετων χημικών ουσιών για τον περιορισμό των ρύπων Καλή προσαρμογή στις διακυμάνσεις φορτίων Μειωμένες εκπομπές NO x

56 Πίνακας 2.8: Σημαντικότερα μειονεκτήματα για κάθε είδος αντιδραστήρα καύσης βιομάζας Σημαντικότερα μειονεκτήματα GF US BFB CFB EF Μειωμένος βαθμός απόδοσης καύσης Απαιτείται η εγκατάσταση κατάλληλων διατάξεων για το περιορισμό των NO x Κατάλληλοι μόνο για βιομάζα με μικρή περιεκτικότητα σε τέφρα και υψηλό σημείο τήξης της τέφρας (δηλαδή μόνο για ξυλώδη βιομάζα) Υψηλό κόστος λειτουργίας Χαμηλή προσαρμοστικότητα στις διακυμάνσεις φορτίου Υψηλές εκπομπές αιωρούμενων σωματιδίων Υψηλό κόστος λειτουργίας Χαμηλή προσαρμοστικότητα στις διακυμάνσεις φορτίου Υψηλές εκπομπές αιωρούμενων σωματιδίων Κατάλληλοι μόνο για μικρών διαστάσεων σωματίδια βιομάζας (τύπου σκόνης) Ανάγκη περιοδικής αντικατάστασης των μονωτικών πλίνθων Ανάγκη ύπαρξης βοηθητικού καυστήρα κατά την εκκίνηση του αντιδραστήρα

57 2.10. Επιλογή τεχνολογίας καύσης Για την επιλογή της κατάλληλης τεχνολογίας καύσης που πρέπει να εφαρμοστεί σε μία ηλεκτροπαραγωγό μονάδα καύσης βιομάζας πρέπει να εξεταστούν τα παρακάτω τέσσερα ζητήματα : 1. Το κόστος κατασκευής της μονάδας 2. Τα χαρακτηριστικά της διαθέσιμης καύσιμης βιομάζας 3. Οι εκλυόμενοι ρύποι 4. Η θερμοκρασία του ατμού που πρέπει να παράγεται Στην παρούσα παράγραφο θα γίνει μία περιγραφή των παραπάνω ζητημάτων και θα συγκριθούν οι προοπτικές της καύσης βιομάζας σε : Αντιδραστήρες καύσης τύπου σχάρας Αντιδραστήρες καύσης τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης (BFB) Αντιδραστήρες καύσης τύπου κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης (CFB)

58 1. Κόστος κατασκευής της μονάδας Η εκτίμηση του κόστους κατασκευής μίας μονάδας καύσης βιομάζας είναι μία πολύ δύσκολη διαδικασία από τα αποτελέσματα της οποίας εξαρτάται εάν το σχέδιο για την κατασκευή της βιομάζας θα λάβει την απαιτούμενη χρηματοδότηση. Η έλλειψη κατανόησης των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών των διαθέσιμων τεχνολογιών και των παραμέτρων που επηρεάζουν τη λειτουργία τους μπορεί να οδηγήσει σε λανθασμένες εκτιμήσεις : του αρχικού κόστους εγκατάστασης της μονάδας του βαθμού απόδοσης της μονάδας της κατανάλωσης ηλεκτρικής ισχύος για τη λειτουργία της μονάδας της μέσης ετήσιας διαθεσιμότητας της μονάδας του κόστους συντήρησης της μονάδας Μία λανθασμένη εκτίμηση του κόστους της μονάδας επιλέγοντας τη μη βέλτιστη τεχνολογία μπορεί να οδηγήσει στη μη χρηματοδότηση της μονάδας, ή στην κατασκευή μίας οικονομικά μη βιώσιμης μονάδας, ή στη μη διατήρηση της βιωσιμότητας της μονάδας όταν οι συνθήκες αγοράς μεταβληθούν. Για παράδειγμα, οι διατάξεις τύπου σχάρας έχουν γενικά χαμηλότερο κόστος εγκατάστασης λειτουργίας από τις διατάξεις τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης. Για τη σωστή επιλογή όμως της κατάλληλης τεχνολογίας θα πρέπει να γίνει μία ανάλυση κύκλου ζωής των συνολικών δαπανών ολόκληρης της μονάδας. Κατά το σχεδιασμό ενός λέβητα πρέπει να λαμβάνονται υπ όψη και να αντιμετωπίζονται τέσσερα ανεπιθύμητα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα και που επηρεάζουν τη λειτουργία των αντιδραστήρων καύσης βιομάζας : Οξείδωση των μεταλλικών επιφανειών του αντιδραστήρων Απόθεση ακαθαρσιών στους εναλλάκτες θερμότητας από το λιώσιμο των σωματιδίων τέφρας Διάβρωση των μεταλλικών επιφανειών του αντιδραστήρα Πυροσυσσωμάτωση των σωματιδίων τέφρας Υπάρχουν διάφορες προσεγγίσεις που χρησιμοποιούνται από διαφορετικούς κατασκευαστές για τη μετρίαση των παραπάνω φαινομένων. Όπως για παράδειγμα διατάξεις για τον αποτελεσματικό έλεγχο της θερμοκρασίας του θαλάμου καύσης, αυξημένο μέγεθος υπερθερμαντήρων, εγκατάσταση προηγμένων συστημάτων καθαρισμού στο εσωτερικό του αντιδραστήρα, αυξημένο πάχος των σωλήνων των εναλλακτών θερμότητας, χρήση νέων ανθεκτικών στη διάβρωση υλικών. Όλοι οι προαναφερθέντες τρόποι που αυξάνουν την αποτελεσματικότητα και το όριο ζωής μίας διάταξης έχουν ως αποτέλεσμα να αυξάνουν σημαντικά και το κόστος κατασκευής

59 Ο σχεδιαστής κατασκευαστής μίας μονάδας καύσης βιομάζας πρέπει να γνωρίζει τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά καύσης και τα προβλήματα που εισάγει κάθε είδος βιομάζας. Εάν δεν αξιολογηθούν σωστά οι διαθέσιμες τεχνολογίες η επιλογή μπορεί να βασιστεί εσφαλμένα μόνο στην οικονομικότερη δυνατή προσέγγιση. Ανεπαρκής έλεγχος των τεσσάρων φαινομένων που αναφέρθηκαν έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της διαθεσιμότητας και του βαθμού απόδοση της μονάδας καθώς και την αύξηση του κόστους συντήρησης. Αυτό σημαίνει ότι η μονάδα καθίσταται λιγότερο κερδοφόρα ή ακόμη και ζημιογόνα. 2. Χαρακτηριστικά της διαθέσιμης καύσιμης βιομάζας Τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά της βιομάζας τα οποία πρέπει να προσδιορισθούν πριν το σχεδιασμό της διάταξης είναι τα παρακάτω : Περιεκτικότητα σε αλκάλια Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της βιομάζας είναι η υψηλή της περιεκτικότητα σε οργανικά αλκάλια. Για παράδειγμα, τα γεωργικά απόβλητα έχουν υψηλή περιεκτικότητα σε κάλλιο. Συνήθως η περιεκτικότητα της βιομάζας σε κάλλιο είναι υψηλότερη από την περιεκτικότητά της σε νάτριο. Τα οργανικά αλκάλια της βιομάζας εξατμίζονται σε υψηλές θερμοκρασίες και αντιδρούν με άλλα στοιχεία που βρίσκονται στην τέφρα και τη βιομάζα όπως για παράδειγμα το πυρίτιο και το φώσφορο σχηματίζοντας ενώσεις με χαμηλή θερμοκρασία τήξεως που μπορούν να προκαλέσουν προβλήματα λόγω πυροσυσσωμάτωσης. Το ανεπιθύμητο φαινόμενο της πυροσυσσωμάτωσης στην περίπτωση που οφείλεται στην υψηλή περιεκτικότητα της βιομάζας σε αλκάλια μπορεί να περιοριστεί σε ένα βαθμό με την προσθήκη ενώσεων με υψηλή περιεκτικότητα σε αλουμίνα και σε μικρότερο βαθμό με την προσθήκη ενώσεων με υψηλή περιεκτικότητα σε ασβέστιο και μαγνήσιο. Περιεκτικότητα σε χλώριο Οι ποσότητες χλωρίου που περιέχονται στη βιομάζα σε συνδυασμό με τα αλκάλια προκαλούν την πυροσυσσωμάτωση των σωματιδίων τέφρας. Ακόμη, οι επικαθίσεις χλωρίου στις μεταλλικές επιφάνειες προκαλούν τη διάβρωσή τους. Έχουν γίνει αρκετές μελέτες για τη δημιουργία υλικών ανθεκτικών στη διάβρωση, ωστόσο μέχρι σήμερα δεν υπάρχει κάποια αποτελεσματική λύση που να περιορίζει εντελώς το πρόβλημα. Το φαινόμενο της διάβρωσης μπορεί να περιοριστεί σε ένα βαθμό με την προσθήκη ποσοτήτων θείου μέσα στην αναβράζουσα ρευστοποιημένη κλίνη ή στη ροή των καυσαερίων. Με αυτόν τον τρόπο ελαττώνονται οι επικαθίσεις χλωρίου πάνω στις μεταλλικές επιφάνειες. Περιεκτικότητα σε υγρασία Η περιεκτικότητα της βιομάζας σε υγρασία είναι ένας σημαντικός παράγοντας που μπορεί να καθορίσει την επιλογή ενός τύπου αντιδραστήρα από έναν άλλο. Όταν η βιομάζα εισέρθει στο θάλαμο καύσης η εξάτμιση των ποσοτήτων νερού γίνεται με πολύ έντονο ρυθμό, σχεδόν ακαριαία. Σε γενικές γραμμές η ξυλώδης βιομάζα έχει μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε υγρασία από τη βιομάζα γεωργικής προέλευσης όπως για παράδειγμα το άχυρο ή τα υπολείμματα ζαχαροκάλαμου

60 Κατά την επιλογή της κατάλληλης τεχνολογίας καύσης είναι πολύ σημαντικός παράγοντας η ευελιξία στο είδος καυσίμων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Όταν μία μονάδα έχει μεγάλη ευελιξία στα αποδεχόμενα είδη καυσίμων τότε μπορεί να επωφεληθεί από την αξιοποίηση καυσίμων χαμηλού κόστους που άλλες μονάδες δε μπορούν να δεχθούν. Οι αντιδραστήρες ρευστοποιημένης κλίνης προσφέρουν μεγάλη ευελιξία στα αποδεχόμενα είδη καυσίμων. Όπως έχουμε ήδη αναφέρει τα σωματίδια βιομάζας αποτελούν το 3 % του συνολικού βάρους των σωματιδίων που αποτελούν τη ρευστοποιημένη κλίνη. Το υπόλοιπο ποσοστό αποτελείται από τα σωματίδια του μέσου πλήρωσης. Αυτή η μεγάλη πηγή θερμικής ενέργειας παρέχει εξαιρετικά σταθερές συνθήκες καύσης που διατηρούνται σε μεγάλο βαθμό ανεπηρέαστες από τις διακυμάνσεις των χαρακτηριστικών της εισαγόμενης βιομάζας. Τα σωματίδια βιομάζας που εισέρχονται στον αντιδραστήρα ρευστοποιημένης κλίνης διασπείρονται γρήγορα στο διαθέσιμο χώρο της κλίνης και θερμαίνονται επίσης με γρήγορο ρυθμό, πάνω από τη θερμοκρασία ανάφλεξής τους, χωρίς κάποια σημαντική πτώση της θερμοκρασίας του μέσου πλήρωσης. Για τους παραπάνω λόγους οι αντιδραστήρες ρευστοποιημένης κλίνης παρουσιάζουν μεγάλη ευελιξία στα αποδεχόμενα είδη βιομάζας με το περιορισμό ότι δε μπορούν να δεχθούν είδη βιομάζας με υψηλή περιεκτικότητα σε αλκάλια λόγω της πυροσυσσωμάτωσης των σωματιδίων της κλίνης που προκαλείται. 3. Εκλυόμενοι ρύποι NO x Υπάρχουν τρεις βασικοί παράμετροι που επηρεάζουν την παραγωγή NO x : θερμοκρασία καύσης, χημική σύνθεση βιομάζας (περιεχόμενο σε πτητικά και υγρασία) και εισαγωγή του αέρα καύσης από πολλά επίπεδα. Ο αποτελεσματικός έλεγχος αυτών των παραμέτρων είναι σε θέση να περιορίσει σημαντικά την παραγωγή των NO x. Λόγω του ότι η βιομάζα έχει μεγάλη περιεκτικότητα σε πτητικές ουσίες, η θερμοκρασία ανάφλεξης είναι πιο χαμηλή σε σχέση με τα υπόλοιπα συμβατικά καύσιμα γεγονός που επιτρέπει το θάλαμο καύσης να σχεδιαστεί για χαμηλότερες θερμοκρασίες καύσης. Το υψηλό περιεχόμενο σε πτητικές ουσίες της βιομάζας και οι χαμηλές θερμοκρασίες καύσης αυξάνουν την ποσότητα της βιομάζας που καίγεται στα υψηλότερα επίπεδα. Οι αντιδραστήρες τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης ή κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης μπορούν να διαχειριστούν καλύτερα αυτά τα χαρακτηριστικά της βιομάζας και εισάγοντας τον αέρα καύσης σε πολλά επίπεδα να επιτύχουν μεγαλύτερο περιορισμό των NO x από ότι οι αντιδραστήρες τύπου σχάρας. Η παραγωγή μεγαλύτερων ποσοτήτων NO x στους αντιδραστήρες τύπου σχάρας οφείλεται ακόμη και στο γεγονός ότι εκεί αναπτύσσονται μεγαλύτερες θερμοκρασίες καύσης από ότι στους αντιδραστήρες τύπου ρευστοποιημένης κλίνης και όπως είναι γνωστό οι υψηλές θερμοκρασίες καύσης ευνοούν το σχηματισμό των NO x. Τέλος, ένα ακόμη μέτρο για τον περιορισμό των NO x είναι η επανακυκλοφορία μέρους των καυσαερίων στο θάλαμο καύσης

61 SO x Γενικά, οι εκλυόμενες ποσότητες SO x από την καύση βιομάζας είναι περιορισμένες λόγω της χαμηλής περιεκτικότητας της σε θείο. Στην περίπτωση των βιοκαυσίμων που έχουν μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε θείο ως μέτρο περιορισμού των SO x μπορούν να χρησιμοποιηθούν σωματίδια ασβεστόλιθου τα οποία έχουν την ικανότητα να απορροφούν τις ποσότητες των SΟ x. Τα σωματίδια ασβεστόλιθου αναμιγνύονται με το μέσο πλήρωσης της κλίνης και είναι περισσότερο αποτελεσματικά στους αντιδραστήρες κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης. Επίσης, η τέφρα που προκύπτει από την καύση της βιομάζας λόγω των ποσοτήτων ασβεστίου που περιέχει έχει την ικανότητα να δεσμεύει ποσότητες SΟ x. Οι αντιδραστήρες καύσης τύπου σχάρας έχουν περιορισμένες δυνατότητες δέσμευσης των ποσοτήτων SΟ x μέσα στο θάλαμο καύσης κάνοντας έτσι αναγκαία την εγκατάσταση επιπρόσθετων διατάξεων για τον περιορισμό των εκπεμπόμενων ποσοτήτων SΟ x στις περιπτώσεις που ξεπερνιούνται τα επιτρεπόμενα όρια. CO Όπως έχουμε αναφέρει ήδη οι υψηλές θερμοκρασίες καύσης ευνοούν το σχηματισμό των NO x. Ακριβώς το αντίθετο όμως γίνεται με τις εκλυόμενες ποσότητες του CO που μειώνονται καθώς η θερμοκρασία καύσης αυξάνεται. Αν και οι θερμοκρασίες καύσης στους αντιδραστήρες τύπου σχάρας είναι υψηλότερες οι αντιδραστήρες τύπου ρευστοποιημένης κλίνης έχουν λιγότερες εκπομπές σε CO λόγω της σταθερότητας των συνθηκών καύσης. Αιωρούμενα σωματίδια Ο περιορισμός των εκπομπών σε αιωρούμενα σωματίδια συνήθως γίνεται με σακόφιλτρα ή με ηλεκτροστατικά φίλτρα. Αυτές οι τεχνολογίες έχουν προχωρήσει αρκετά με συνέπεια τον αποτελεσματικό περιορισμό των αιωρούμενων σωματιδίων στις περισσότερες εφαρμογές. Όταν τα καυσαέρια οδηγούνται σε ένα σακόφιλτρο, θα πρέπει η θερμοκρασία τους να έχει μειωθεί κάτω από ένα όριο ώστε να μην καταστραφεί το σακόφιλτρο. Ακόμη, όταν τοποθετούνται σακόφιλτρα μετά από έναν αντιδραστήρα τύπου σχάρας θα πρέπει να τοποθετείται επίσης κατάλληλος εξοπλισμός για την αποφυγή δημιουργίας σπινθήρων. 4. Θερμοκρασία του ατμού που πρέπει να παράγεται Σε γενικές γραμμές όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία του παραγόμενου ατμού τόσο πιο έντονα εμφανίζονται τα φαινόμενα της εναπόθεσης ακαθαρσιών, της οξείδωσης και της διάβρωσης των εναλλακτών θερμότητας και γενικότερα όλων των μεταλλικών επιφανειών ενός αντιδραστήρα καύσης. Η επιλογή της θερμοκρασίας λειτουργίας ενός αντιδραστήρα καύσης λαμβάνοντας υπ όψη τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά κάθε εφαρμογής είναι πολύ σημαντική και πρέπει να γίνει κατά τη φάση του σχεδιασμού του. Όταν με διάφορους τρόπους ελέγχουμε περιορίζουμε τη θερμοκρασία που αναπτύσσεται μέσα στον θάλαμο καύσης τότε επιτυγχάνεται αύξηση της διαθεσιμότητας της μονάδας σε ετήσια βάση και μείωση των εξόδων συντήρησης της, όμως αυξάνεται το αρχικό κόστος κατασκευής της μονάδας. Ορισμένοι τρόποι ελέγχου περιορισμού της θερμοκρασίας του θαλάμου καύσης είναι η αύξηση του διαθέσιμου χώρου του θαλάμου καύσης, η καλύτερη διανομή στο

62 διαθέσιμο χώρο του αέρα καύσης, η επανακυκλοφορία μέρους των καυσαερίων, κ.ά. Ακόμη, για τον περιορισμό των ακαθαρσιών που εναποθέτονται στις επιφάνειες των εναλλακτών θερμότητας μπορούν να χρησιμοποιηθούν προηγμένες διατάξεις καθαρισμού οι οποίες τοποθετούνται μέσα στο λέβητα. [9] Επιλογή τεχνολογίας καύσης Όπως εξηγήθηκε και παραπάνω η επιλογή της κατάλληλης τεχνολογίας καύσης εξαρτάται από τέσσερεις βασικούς παράγοντες: το κόστος κατασκευής της μονάδας διαθέσιμο κεφάλαιο που μπορεί να επενδυθεί, τη διαθέσιμα καύσιμα είδη βιομάζας, η θερμοκρασία του ατμού που πρέπει να παραχθεί και οι εκπομπές καυσαερίων που πρέπει να επιτευχθούν. Στον πίνακα 2.9 παρουσιάζεται το πεδίο εφαρμογής της κάθε τεχνολογίας. [9] Στα πλαίσια της εξέλιξης της τεχνολογίας, οι πρώτοι αντιδραστήρες καύσης βιομάζας ήταν τύπου σχάρας. Αργότερα άρχισαν να εφαρμόζονται οι αντιδραστήρες τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης ενώ οι αντιδραστήρες τύπου κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης που είναι και τεχνολογικά πιο προηγμένοι, είναι οι τελευταίοι που εφαρμόστηκαν. Συνεπώς, στις μέρες μας υπάρχουν πολλοί κατασκευαστές αντιδραστήρων καύσης βιομάζας τύπου σχάρας, περιορισμένοι κατασκευαστές αντιδραστήρων τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης και ελάχιστοι κατασκευαστές αντιδραστήρων τύπου κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης. Η μεγαλύτερη σε λειτουργία μονάδα αποκλειστικής καύσης βιομάζας τύπου κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης βρίσκεται στη Φιλανδία με παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ 125 MW el ενώ βρίσκεται υπό κατασκευή μία μονάδα στην Πολωνία επίσης τύπου κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης με παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ 190 MW el. Και οι δύο μονάδες κατασκευάστηκαν από την εταιρία Foster Wheeler. Πίνακας 2.9: Πεδίο εφαρμογής της κάθε τεχνολογίας καύσης Περιεχόμενο σε Αλκάλια Κόστος κατασκευής Χαμηλό Μέτριο Υψηλό Υψηλό Σχάρα Σχάρα - Υψηλό Εκπεμπόμενοι Μέτριο BFB BFB CFB Μέτριο ρύποι & Χαμηλό BFB BFB CFB Χαμηλό Κόστος συντήρησης Χαμηλό Μέτριο Υψηλό Θερμοκρασία ατμού Βαθμός απόδοσης Ετήσια διαθεσιμότητα

63 Συνοψίζοντας, μπορούν να προκύψουν τα εξής συμπεράσματα, όπως φαίνεται και στον πίνακα 2.9 : Οι αντιδραστήρες τύπου σχάρας ενδείκνυνται στις περιπτώσεις όπου το περιεχόμενο σε αλκάλια της βιομάζας είναι υψηλό. Οι αντιδραστήρες τύπου ρευστοποιημένης κλίνης είναι ευαίσθητοι στο φαινόμενο της πυροσσυσωμάτωσης των σωματιδίων που ενισχύεται με την αυξημένη περιεκτικότητα της βιομάζας σε αλκάλια. Σε περιπτώσεις βιομάζας με χαμηλή περιεκτικότητα σε αλκάλια, συνιστώνται οι αντιδραστήρες τύπου ρευστοποιημένης κλίνης καθώς παρουσιάζουν λιγότερες εκπομπές σε ρύπους (NO x, SO x, CO) και υψηλότερους βαθμούς απόδοσης. Οι αντιδραστήρες τύπου σχάρας έχουν υψηλότερα κόστη συντήρησης λόγω του ότι αποτελούνται από κινούμενα μέρη καθώς και από συμπληρωματικές διατάξεις περιορισμού των εκλυόμενων ρύπων. Παραδείγματα εφαρμογών Παράδειγμα 1: Ένα εκτροφείο πουλερικών σχεδιάζει να εγκαταστήσει μία μονάδα καύσης βιομάζας η οποία ως καύσιμο θα δέχεται αποκλειστικά ένα μείγμα από περιττώματα πουλερικών και πριονίδι (chicken litter). Σε αυτήν την περίπτωση συνιστάται η εγκατάσταση ενός αντιδραστήρα καύσης τύπου σχάρας καθώς τα περιττώματα πουλερικών έχουν υψηλή περιεκτικότητα σε αλκάλια και χλώριο. Δε θα προκύπτουν ιδιαίτερα υψηλοί βαθμοί απόδοσης όμως το κόστος εγκατάστασης της μονάδας θα είναι σχετικά χαμηλό. Στη συγκεκριμένη περίπτωση ένας αντιδραστήρας τύπου σχάρας θα παρουσιάζει μεγαλύτερη ετήσια διαθεσιμότητα από τους αντιδραστήρες τύπου ρευστοποιημένης κλίνης διότι στους τελευταίους θα εμφανίζονται συχνά προβλήματα λόγω πυροσυσσωμάτωσης που θα προκαλείται από την υψηλή περιεκτικότητα σε αλκάλια της καύσιμης βιομάζας. Η υψηλή περιεκτικότητα της βιομάζας σε αλκάλια και χλώριο επιβάλει την επιπλέον εγκατάσταση συστημάτων επεξεργασίας των καυσαερίων καθώς και υπερθερμαντήρες κατασκευασμένους από υλικά υψηλής αντοχής σε διάβρωση. Παράδειγμα 2: Μία χαρτοβιομηχανία εξετάζει το ενδεχόμενο να επεκτείνει τη μονάδα συμπαραγωγής που έχει ήδη εγκαταστήσει με έναν καινούργιο λέβητα. Ο λέβητας θα πρέπει να δέχεται τσιπς από φλοιό ευκαλύπτου, ίλη που προκύπτει από τη διαδικασία παραγωγής χαρτιού και τσιπς από πεύκα. Επίσης οι εκπομπές καυσαερίων θα πρέπει να είναι μέσα στα επιτρεπόμενα όρια που έχει θέσει η Ευρωπαϊκή Ένωση. Γι αυτό το μείγμα καυσίμου ( ίλης + τσιπς ξυλώδους βιομάζας) θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένας αντιδραστήρας καύσης τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης. Η ετήσια διαθεσιμότητα αυτών των αντιδραστήρων συνήθως είναι πάνω από 90 %, οι εκπεμπόμενοι ρύποι κυμαίνονται μέσα σε αποδεκτά επίπεδα, ενώ η κατασκευή τους είναι πιο οικονομική από τους αντιδραστήρες τύπου κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης

64 Παράδειγμα 3: Μία δημόσια εταιρία παραγωγής ηλεκτρισμού εξετάζει το ενδεχόμενο να εγκαταστήσει μία νέα μονάδα παραγωγής ηλεκτρισμού. Ως κύριο καύσιμο θα χρησιμοποιείται λιθάνθρακας χαμηλής θερμογόνου δύναμης και υψηλής περιεκτικότητας σε τέφρα. Επιπρόσθετα θα καίγονται ποσότητες ξυλώδους βιομάζας από ένα γειτονικό δάσος. Είναι πολύ σημαντική η επίτευξη υψηλού βαθμού απόδοσης της καύσης και χαμηλών εκπομπών σε ρύπους. Σε αυτήν την περίπτωση θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένας αντιδραστήρας καύσης τύπου κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης ο οποίος επιτρέπει την ταυτόχρονη καύση σωματιδίων λιθάνθρακα και βιομάζας ενώ ταυτόχρονα παρουσιάζει τον υψηλότερο βαθμό απόδοσης εν συγκρίσει με τις υπόλοιπες τεχνολογίες. Οι ποσότητες τέφρας που περιέχονται στο λιθάνθρακα μπορούν να αξιοποιηθούν θετικά καθώς έχουν την ικανότητα να απορροφούν τις εκλυόμενες ποσότητες SO x. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να μειώνονται οι ποσότητες ασβεστόλιθου που πρέπει να προστίθενται μέσα στην κλίνη. Παράδειγμα 4: Μία χαρτοβιομηχανία διαθέτει ένα λέβητα καύσης βιομάζας για την παραγωγή του 50 % της θερμότητας που χρειάζεται ενώ το υπόλοιπο 50 % παράγεται από την καύση φυσικού αερίου. Ο ιδιοκτήτης εξετάζει το ενδεχόμενο αύξησης του ποσοστού βιομάζας που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ατμού διεργασιών θερμότητας στο 100 % χωρίς όμως να επηρεαστούν οι εκπεμπόμενοι ρύποι. Σε αυτήν την περίπτωση όπου πρέπει να γίνει αντικατάσταση ενός αντιδραστήρα τύπου σχάρας, είναι προτιμότερη η εγκατάσταση ενός αντιδραστήρα καύσης τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης. Με αυτή την αλλαγή θα αυξηθεί ο βαθμός απόδοσης της μονάδας και η ετήσια διαθεσιμότητα της ενώ παράλληλα θα μειωθούν οι εκλυόμενοι ρύποι. [9]

65 2.11 Δυνατότητες αύξησης του βαθμού απόδοσης σε μονάδες καύσης βιομάζας 1. Ξήρανση βιομάζας πριν την εισαγωγή της στο θάλαμο καύσης Το ενδεχόμενο της ξήρανσης της βιομάζας πριν την εισαγωγή της στον αντιδραστήρα καύσης θα πρέπει να μελετηθεί τεχνοοικονομικά έτσι ώστε να εξακριβωθεί εάν το επιπλέον κόστος για την εγκατάσταση και τη λειτουργία της διάταξης ξήρανσης αφήνουν περιθώρια αύξησης της παραγωγικότητας της μονάδας. Στις περισσότερες εφαρμογές η ξήρανση της βιομάζας καθίσταται συμφέρουσα μόνο όταν η απαιτούμενη ροή θερμού αέρα μπορεί να εξασφαλιστεί με χαμηλό ή μηδενικό κόστος. Μερικά παραδείγματα είναι η χρήση ηλιακών συστημάτων για την παραγωγή θερμού αέρα ή η αξιοποίηση του θερμού αέρα που παράγεται από τη συμπύκνωση - ψύξη των καυσαερίων. Η ξήρανση σωρών βιομάζας με την έκθεσή τους στον ατμοσφαιρικό αέρα για ορισμένους μήνες δεν είναι συμφέρουσα στις περισσότερες εφαρμογές διότι λόγω μικροβιολογικής αποδόμησης μειώνεται το ποσοστό της ξηρής, καύσιμης ύλης της βιομάζας με ρυθμό 1 % - 2 % το μήνα. Πλεονεκτήματα που μπορούν να προκύψουν από τη ξήρανση της βιομάζας είναι η μείωση του απαραίτητου χώρου για την αποθήκευση της βιομάζας και η μείωση της απώλειας της ξηρής καύσιμης ύλης της βιομάζας λόγω μικροβιολογικής αποδόμησης που λαμβάνει χώρα κατά τη διάρκεια της αποθήκευσης της. 2. Μείωση της περιεκτικότητας σε Ο 2 των καυσαερίων Η μείωση της περίσσειας αέρα καύσης διασφαλίζοντας ταυτόχρονα την ολοκληρωμένη καύση των σωματιδίων βιομάζας, που ισοδυναμεί με μείωση της περιεκτικότητας σε οξυγόνο των καυσαερίων, έχει ως αποτέλεσμα όπως φαίνεται και στο παρακάτω διάγραμμα τη σημαντική αύξηση του βαθμού απόδοσης ενός λέβητα καύσης. [8] Εικόνα 2.24: Βαθμός απόδοσης τυπικού λέβητα καύσης βιομάζας ως συνάρτηση της περιεκτικότητας σε οξυγόνο των καυσαερίων. Προκειμένου να σχηματιστεί το διάγραμμα της εικόνας 2.24 πραγματοποιήθηκε μία σειρά πειραμάτων όπου ως καύσιμο χρησιμοποιήθηκαν τσιπς ξύλου με περιεκτικότητα σε υγρασία 55 % κ.β. και ανώτερη θερμογόνο δύναμη kj/kg. Στην έξοδο του λέβητα η θερμοκρασία των καυσαερίων ήταν 165 ο C. Η περιεκτικότητα του Ο 2 αναφέρεται σε ποσοστό του όγκου των καυσαερίων σε ξηρή βάση. Ως βαθμό απόδοσης ορίζεται :

66 n = Θερμική ενέργεια καυσαερίων στην έξοδο του λέβητα / Περιεχόμενη ενέργεια στην εισερχόμενη βιομάζα (βάσει κατώτερης θερμογόνου δύναμης). Προκειμένου να μειωθεί η περίσσεια αέρα ένας αισθητήρας οξυγόνου και ένας αισθητήρας CO τοποθετούνται στη ροή εξόδου των καυσαερίων μετά το λέβητα έτσι ώστε ανάλογα με τις ενδείξεις να ρυθμίζεται αναλόγως η δευτεροβάθμια παροχή αέρα καύσης. Ο έλεγχος της παροχής του δευτεροβάθμιου αέρα καύσης αλλά και η αποτελεσματική ανάμειξή του με τη ροή των καυσαερίων μπορούν να μειώσουν την απαιτούμενη ποσότητα αέρα καύσης. Η μειωμένη περιεκτικότητα των καυσαερίων σε οξυγόνο έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της απόδοσης των διατάξεων συμπύκνωσης των καυσαερίων. Αυτό συμβαίνει επειδή αυξάνει το σημείο δρόσου των καυσαερίων που έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της αποδιδόμενης θερμότητας από τη συμπύκνωση του νερού σε μία συγκεκριμένη θερμοκρασία. Στην εικόνα 2.25 παρουσιάζεται η αύξηση του σημείου δρόσου των καυσαερίων ( ο C) που προκαλεί η μείωση της περιεκτικότητας σε οξυγόνο των καυσαερίων. [8] Εικόνα 2.25: Σημείο δρόσου των καυσαερίων ως συνάρτηση της περιεκτικότητάς τους σε οξυγόνο Στο παρακάτω διάγραμμα παρουσιάζεται η συνολική ανάκτηση θερμότητας από τη ψύξη των καυσαερίων στους 55 ο C όταν τα καυσαέρια προέρχονται από την καύση ενός κιλού τσιπς ξύλου με ανώτερη θερμογόνο δύναμη kj/kg και περιεχόμενη υγρασία 55 % κ.β. ως συνάρτηση της περιεκτικότητας σε οξυγόνο των καυσαερίων. [8] Εικόνα 2.26: Συνολική ανάκτηση θερμότητας από τη ψύξη καυσαερίων στους 55 ο C ως συνάρτηση της περιεκτικότητάς τους σε οξυγόνο

67 Επίσης η μείωση της περιεκτικότητας των καυσαερίων σε οξυγόνο, οδηγεί σε μείωση της ροής όγκου των καυσαερίων που έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της πτώσης πίεσης της ροής και τη μικρότερη διαστασιολόγηση του λέβητα και των διατάξεων καθαρισμού των καυσαερίων. Τέλος πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι μείωση της περίσσειας αέρα καύσης έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας καύσης αύξηση της θερμοκρασίας του θαλάμου καύσης. 3. Συμπύκνωση των καυσαερίων Ο πιο αποτελεσματικός τρόπος για την ανάκτηση θερμότητας από καυσαέρια είναι η συμπύκνωσή τους. Μία διάταξη συμπύκνωσης μπορεί να ανακτήσει μέχρι και το 20 % της θερμικής ενέργειας που εισάγει στη διάταξη καύσης η βιομάζα. Ακόμη έχει τη δυνατότητα να κατακρημνίσει το 40 % -75 % των αιρούμενων σωματιδίων που περιέχονται στη ροή των καυσαερίων. Τέλος μπορεί να αποτρέψει την ανεπιθύμητη συμπύκνωση των καυσαερίων στην καμινάδα σε περιπτώσεις χαμηλών εξωτερικών θερμοκρασιών. Στην εικόνα 2.27 παρουσιάζεται μία διάταξη συμπύκνωσης καυσαερίων. [8] Εικόνα 2.27: Διάταξη συμπύκνωσης καυσαερίων Η ανάκτηση θερμότητας των καυσαερίων σε μία τυπική διάταξη συμπύκνωσης γίνεται σε τρεις εναλλάκτες θερμότητας. Στον πρώτο εναλλάκτη (economizer) όπου θερμαίνεται νερό υψηλής θερμοκρασίας, στο δεύτερο εναλλάκτη (condensor) όπου θερμαίνεται νερό χαμηλότερης θερμοκρασίας και λαμβάνει χώρα η συμπύκνωση ορισμένου ποσοστού των καυσαερίων και στον τρίτο εναλλάκτη (air preheater) όπου γίνεται η προθέρμανση του αέρα καύσης. Η ποσότητα της θερμικής ενέργειας που μπορεί να ανακτηθεί εξαρτάται από την υγρασία που περιέχεται στην καύσιμη βιομάζα, την περιεκτικότητα σε οξυγόνο των καυσαερίων, τη θερμοκρασία του νερού που εισέρχεται στους εναλλάκτες καθώς επίσης και από την ποιότητα των εναλλακτών. Όσο χαμηλότερη η θερμοκρασία του εισερχόμενου νερού τόσο περισσότερη η θερμότητα που ανακτάται

68 Στην εικόνα 2.28 παρουσιάζεται η μεταβολή του βαθμού απόδοσης ενός λέβητα καύσης βιομάζας ο οποίος είναι εξοπλισμένος με μία διάταξη συμπύκνωσης των καυσαερίων, ως συνάρτηση της θερμοκρασίας των καυσαερίων που εκλύονται. Ως βαθμό απόδοσης ορίζεται : n = (Θερμική ενέργεια καυσαερίων στην έξοδο του λέβητα + Θερμική ενέργεια που ανακτάται από τη μονάδα συμπύκνωσης) / Περιεχόμενη ενέργεια στην εισερχόμενη βιομάζα (βάσει κατώτερης θερμογόνου δύναμης). Η μία καμπύλη αναφέρεται στην περίπτωση βιομάζας με 55 % περιεκτικότητα σε υγρασία και η άλλη καμπύλη σε βιομάζα με 35 % περιεκτικότητα σε υγρασία. Η περιεκτικότητα οξυγόνου στα καυσαέρια και στις δύο περιπτώσεις είναι 9,5 % κ.ό. (ξηρή βάση). Ένας τρόπος αύξησης της θερμότητας που μπορεί να ανακτηθεί από τη συμπύκνωση των καυσαερίων είναι η αύξηση της περιεχόμενης υγρασίας τους. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με τη βοήθεια ακροφυσίων έγχυσης νερού σε μορφή σπρέι στη ροή εισαγωγής του αέρα καύσης. Γενικά, οι διατάξεις ανάκτησης θερμότητας μέσω συμπύκνωσης των καυσαερίων συνίσταται για μονάδες καύσης βιομάζας όπου : [8] Η βιομάζα που χρησιμοποιείται έχει υψηλή περιεκτικότητα σε υγρασία 40 % - 55 % κ.β. Το νερό του δικτύου που εισάγεται στη μονάδα ανάκτησης θερμότητας έχει θερμοκρασία χαμηλότερη από 60 ο C. Η θερμική ισχύς του λέβητα είναι μεγαλύτερη από 2 MW th. Εικόνα 2.28: Βαθμός απόδοσης λέβητα καύσης βιομάζας ως συνάρτηση της θερμοκρασίας των καυσαερίων

69 Στον πίνακα 2.10 αναφέρονται όλες οι μέθοδοι που περιγράφηκαν και η προκαλούμενη αύξηση του θερμικού βαθμού απόδοσης που η κάθε μία επιφέρει σε μία μονάδα καύσης βιομάζας. [8] Πίνακας 2.10: Συγκριτικός πίνακας μεθόδων αύξησης θερμικού βαθμού απόδοσης λέβητα καύσης βιομάζας Εφαρμοζόμενη μέθοδος Ξήρανση βιομάζας με μείωση της περιεχόμενης υγρασίας από 50 % σε 30 % Μείωση περιεκτικότητας Ο 2 στα καυσαέρια κατά 1 % κ.ό. Ανάκτηση θερμότητας μέσω εναλλακτών και μείωση της θερμοκρασίας των καυσαερίων κατά 10 ο C Ανάκτηση θερμότητας μέσω διάταξης συμπύκνωσης Προκαλούμενη αύξηση του θερμικού βαθμού απόδοσης + 8,7 % + 0,9 % + 0,8 % Μέση τιμή: + 17 % Μέγιστη τιμή: + 30 %

70 2.12 Παραδείγματα σύγχρονων ηλεκτροπαραγωγών μονάδων καύσης βιομάζας

71 Εργοστάσιο Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού - Θερμότητας : Wilton 10 Πίνακας 2.11: Γενικά χαρακτηριστικά εργοστασίου Wilton 10 Χώρα εγκατάστασης Αγγλία (North Yorkshire, Wilton) Έτος έναρξης λειτουργίας 2007 Μέθοδος ενεργειακής αξιοποίησης Καύση σε αναβράζουσα ρευστοποιημένη κλίνη (BFB) Ισχύς ηλεκτρική 30 MW el Ισχύς θερμική 10 MW th (σε μορφή ατμού) Καύσιμο Ξυλώδης Βιομάζα Ιδιοκτήτης SembCorp Utilities UK Limited Κόστος κατασκευής Επιδότηση (Bioenergy Capital Grant ) Ανάδοχος έργου Foster Wheeler / Siemens

72 Λειτουργία εργοστασίου Το εργοστάσιο συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας Wilton που είναι εγκατεστημένο από το 1952 κοντά στο χωριό Wilton στα βορειοανατολικά της Αγγλίας (NorthYorkshire- Teesside), έχει συνολική ηλεκτρική ισχύ 227 MW el και μπορεί να διαθέσει τόνους ατμού το χρόνο για να καλύψει ανάγκες σε θέρμανση. Αποτελείται από 10 ξεχωριστές μονάδες παραγωγής ηλεκτρισμού και είναι ιδιοκτησία της εταιρίας SembCorp Utilities UK Limited. Από αυτές τις μονάδες οι 9 χρησιμοποιούν ως πηγή ενέργειας ορυκτά καύσιμα και πιο συγκεκριμένα γαιάνθρακες για παραγωγή 157 MW el και φυσικό αέριο για παραγωγή 40 MW el ενώ υπάρχει η δυνατότητα να χρησιμοποιηθεί και πετρέλαιο. Η παραγόμενη ηλεκτρική και θερμική ενέργεια διατίθεται προς κάλυψη των αναγκών σε ενέργεια άλλων εργοστασίων της περιοχής ενώ το πλεόνασμα της ηλεκτρικής ενέργειας τροφοδοτεί το εθνικό δίκτυο. Το Σεπτέμβριο του 2007 τέθηκε σε λειτουργία η 10 η μονάδα παραγωγής ηλεκτρισμού,wilton 10 η οποία καίγοντας ξυλώδη βιομάζα αποδίδει ηλεκτρική ισχύ 30 MW el (αρκετή δηλαδή για να τροφοδοτήσει νοικοκυριά) και θερμική ισχύ 10 MW th σε μορφή ατμού. Οι εργασίες για την κατασκευή της μονάδας είχαν αρχίσει τον Ιανουάριο του Η μονάδα Wilton 10 είναι μία από τις μεγαλύτερες μονάδες καύσης βιομάζας στην Αγγλία, κόστισε 60 εκατομμύρια από τα οποία τα 10 εκατομμύρια χορηγήθηκαν από το ταμείο της Bioenergy Capital Grants Scheme και απαιτεί 15 άτομα μόνιμο προσωπικό για τη λειτουργία της. Η εταιρία Foster Wheeler λαμβάνοντας $53 εκατομμύρια ανέλαβε την κατασκευή του συστήματος επεξεργασίας της εισερχόμενης βιομάζας, του λέβητα αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης και του συστήματος διαχείρισης των καυσαερίων ενώ η εταιρία Siemens ανάλαβε την κατασκευή του ατμοστροβίλου, της γεννήτριας και του συμπυκνωτήρα. [10, 12]

73 Καύσιμο Η μονάδα Wilton 10 δέχεται τόνους ξυλώδους βιομάζας το χρόνο και δημιουργεί ένα καύσιμο μείγμα βιομάζας σε μορφή τσιπς με το οποίο τροφοδοτείται ο λέβητας. Από αυτήν την ποσότητα: [12] Το 40 % είναι ανακυκλωμένο ξύλο το οποίο παρέχεται σε μικρά κομματάκια (τσιπς) από το εργοστάσιο UK Wood Recycling το οποίο ειδικεύεται στον τομέα και είναι εγκατεστημένο στην περιοχή. Το εργοστάσιο UK Wood Recycling δέχεται κάθε είδους μαλακά και σκληρά ξύλα, παλέτες, ξύλινα κουτιά, κοντραπλακέ, μελαμίνες, ξύλινα ελάσματα σανίδες, θραύσματα, μέτριας πυκνότητας ινοσανίδες ( με εξαίρεση ξυλεία η οποία περιέχει χαλκό, χρώμιο και αρσενικό) τα οποία αφού μετατρέπει σε τσιπς τροφοδοτεί τη μονάδα συμπαραγωγής Wilton 10. Το 20 % προέρχεται από τα υπολείμματα των πριονιστηρίων σε μικρά κομματάκια (τσιπς). Το 20 % είναι τα υπολείμματα των κορμών που κόβονται στα δάση βορειανατολικά, και δεν μπορούν να εκμεταλλευτούν αλλιώς (κλαδιά, κλωνάρια). Το υπόλοιπο 20 % προέρχεται από ενεργειακές καλλιέργειες ιτιάς (7.500 στρέμματα) οι οποίες υλοτομούνται περιοδικά και βρίσκονται σε μία ακτίνα 50 μιλίων από το εργοστάσιο. Στον πίνακα 2.12 παρουσιάζονται ορισμένα βασικά χαρακτηριστικά του μείγματος ξυλώδους βιομάζας σε μορφή τσιπς που χρησιμοποιεί η μονάδα Wilton 10 ως καύσιμο. [16] Πίνακας 2.12: Χαρακτηριστικά μείγματος βιομάζας που χρησιμοποιείται ως καύσιμο από τη μονάδα Wilton10 Μείγμα ξυλώδους βιομάζας ( Wilton 10 ) Περιεκτικότητα (ξηρή βάση) Γενικά χαρακτηριστικά (υγρή βάση) Άνθρακας 49,5 % Υδρογόνο 6 % Άζωτο 0,5 % Οξυγόνο 43,27 % Θείο 0,03 % Χλώριο 0,06 % Τέφρα 1,6 % Υγρασία 42,5 % Κ.Θ.Δ. 9,4 MJ/kg

74 Παραγωγή ενέργειας Εικόνα 2.29: Λέβητας καύσης βιομάζας της μονάδας Wilton 10 Ο λέβητας καύσης βιομάζας της εταιρίας Foster Wheeler ύψους 30 m και βάρους 185 τόννων, που είναι εγκατεστημένος στη μονάδα συμπαραγωγής Wilton 10 είναι τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης και παράγει θερμική ισχύ 92 MW th με θερμικό βαθμό απόδοσης 90 %. Η θερμοκρασία στο θάλαμο καύσης κυμαίνεται γύρω στους 850 ο C. Τα τοιχώματα του λέβητα είναι υδρόψυκτα ενώ κοντά στη κλίνη έχουν επιπλέον πυρίμαχη επένδυση. Ο διανομέας είναι επίσης υδρόψυκτος και κατασκευασμένος από πυρίμαχο υλικό. Η πρωτοβάθμια ροή αέρα καύσης που εισάγεται μέσω του διανομέα αποτελεί το 30 % του συνολικού αέρα καύσης. Το υπόλοιπο ποσοστό εισάγεται μέσω της δευτεροβάθμιας και τριτοβάθμιας ροής αέρα, από ακροφύσια που βρίσκονται διατεταγμένα πάνω από την αναβράζουσα κλίνη όπως φαίνεται και στην εικόνα Με αυτό τον τρόπο εισαγωγής του αέρα - σε τρία επίπεδα, περιορίζεται η παραγωγή των NO x ενώ επιτυγχάνεται καλύτερος έλεγχος της θερμοκρασίας μέσα στο λέβητα. Η ταχύτητα του μέσου ρευστοποίησης (πρωτοβάθμια ροή αέρα) είναι 1,2 m/sec. Στην εικόνα 2.30 παρουσιάζεται πως είναι κατασκευασμένα τα τοιχώματα του λέβητα. Μέσα στις σωληνοειδείς διαμορφώσεις ρέει νερό με αποτέλεσμα την αποτελεσματική ψύξη των τοιχωμάτων αποτρέποντας έτσι τη διάβρωσή τους λόγω των υψηλών θερμοκρασιών. Επίσης για τον έλεγχο της θερμοκρασίας της κλίνης γίνεται επανακυκλοφορία ενός ποσοστού των καυσαερίων μαζί με τη πρωτοβάθμια ροή αέρα καύσης. Ο διανομέας στη βάση του αντιδραστήρα στην ουσία αποτελείται από δύο διανομείς οι οποίοι έχουν κλίση. Επίσης, μέσα στο λέβητα επιδιώκεται η παραμονή των καυσαερίων για επαρκή χρόνο ώστε να περιορίζονται οι εκπομπές σε διοξίνες, CO και αιωρούμενα σωματίδια. Στον πίνακα 2.13 παρουσιάζονται ακόμα δύο εργοστάσια που χρησιμοποιούν αντιδραστήρα καύσης βιομάζας τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης της εταιρίας Foster Wheeler. [17, 11, 15]

75 Εικόνα 2.30 : Σωληνοειδής διαμόρφωση τοιχωμάτων λέβητα Πίνακας 2.13 : Εργοστάσια καύσης βιομάζας με αντιδραστήρα τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης της εταιρίας Foster Wheeler Εργοστάσιο Τοποθεσία Έτος έναρξης λειτουργίας Biomass de cantabria at Reocin Portucel Viana Ισπανία (Cantabria) Πορτογαλία (Viana do Castelo) Παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς (MW el ) Στο λέβητα της μονάδας παράγεται ατμός πίεσης 92 bar και θερμοκρασίας 482 ο C με τον οποίο τροφοδοτείται ένας ατμοστρόβιλος τύπου SST-400 της SIEMENS με παροχή 132,6 t/h. Ο στρόβιλος SST-400 μπορεί να αποδώσει ηλεκτρική ισχύ έως 65 MW el. Ο ατμός που μπορεί να δεχθεί μπορεί να είναι μέγιστης πίεσης 140 bar και μέγιστης θερμοκρασίας 540 ο C. Η ταχύτητα περιστροφής του ρότορα μπορεί να ρυθμιστεί και κυμαίνεται από 3000 rpm έως 8000 rpm. Παρέχει επίσης τη δυνατότητα εξόδου ατμού σε διάφορες πιέσεις με μέγιστη 45 bar, από συγκεκριμένες εξόδους κατά μήκος του στροβίλου ώστε να χρησιμοποιηθεί ως ατμός διεργασιών. Ο συγκεκριμένος στρόβιλος παρουσιάζει καλή ανταπόκριση στη διακύμανση του φορτίου. Η μετάδοση της κίνησης μπορεί να γίνει με κιβώτιο ταχυτήτων (ή άμεσα) σε μία γεννήτρια με συχνότητα 50 Hz ή 60 Hz. Στην εικόνα 2.31 απεικονίζεται η συναρμολογημένη διάταξη του στροβίλου SST-400 με τη γεννήτρια για την παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος. [13]

76 Εικόνα 2.31 : Γραφική αναπαράσταση ατμοστροβίλου τύπου SST-400 της Siemens Πίνακες 2.14 : Γραφική αναπαράσταση εικόνας 2.31 Γραφική αναπαράσταση Διαστάσεις SST Ατμοστρόβιλος 2. Μειωτήρας (κιβώτιο ταχυτήτων) 3. Γεννήτρια 4. Βάση στήριξης 5. Συμπυκνωτής Μήκος Ύψος Πλάτος 18 m 5,5 m 8,5 m

77 Διαχείριση Καυσαερίων Το σύστημα διαχείρισης των καυσαερίων της μονάδας Wilton 10 επιμελήθηκε η εταιρία Foster Wheeler. Δεν είναι γνωστό πια συστήματα χρησιμοποιούνται όμως οι εκπεμπόμενοι ρύποι της μονάδας βρίσκονται κάτω από τα όρια που έχει θεσπίσει η Ε.Ε. για τις μεγάλες μονάδες καύσης βιομάζας ( EU s Large Combustion Plant Directive ) Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται οι εκπομπές καυσαερίων της μονάδας Wilton 10. [14] Πίνακας 2.15: Εκπομπές καυσαερίων μονάδας Wilton 10 Περιεκτικότητα των καυσαερίων σε ρύπους Τιμή SO x 153 mg/nm 3 NO x 300 mg/nm 3 CO 215 mg/nm 3 Αιωρούμενα σωματίδια 24 mg/nm 3 Θερμοκρασία εξόδου καυσαερίων 144 ο C Συμπερασματικά Οι αντιδραστήρες αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης για καύση βιομάζας είναι μία δοκιμασμένη τεχνολογία που έχει εφαρμοστεί με επιτυχία σε πολλές περιπτώσεις εργοστασίων. Είναι κατάλληλοι για δύσκολα διαχειρίσιμα είδη βιομάζας με μεγάλη περιεκτικότητα σε υγρασία και ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της τέφρας πράγμα που τους κάνει ιδανικούς για καύση ξυλείας που προέρχεται από δασύλλια περιοδικής υλοτόμησης (π.χ. ιτιά) και γενικότερα από υπολλείματα δασικής υλοτομίας. Μπορεί να επιτευχθεί υψηλός βαθμός απόδοσης του λέβητα και χαμηλές εκπομπές καυσαερίων χάρη στη δυνατότητα ρύθμισης των παροχών πρωτοβάθμιας, δευτεροβάθμιας και τριτοβάθμιας ροής αέρα

78 Εργοστάσιο Παραγωγής Ηλεκτρισμού : Steven s Croft Πίνακας 2.16 : Γενικά χαρακτηριστικά εργοστασίου Steven s Croft Χώρα εγκατάστασης Αγγλία (Lockerbie, Scotland) Έτος έναρξης λειτουργίας 2008 Μέθοδος ενεργειακής αξιοποίησης Καύση σε αναβράζουσα ρευστοποιημένη κλίνη (BFB) Ισχύς ηλεκτρική 44 MW el Βαθμός απόδοσης 31,3 % Καύσιμο Ξυλώδης Βιομάζα Ιδιοκτήτης E.ON UK Renewables Ltd Κόστος κατασκευής Επιδότηση (Bioenergy Capital Grant, Big Lottery Fund) Ανάδοχος έργου Siemens / Aker Kvaerner (κοινοπραξία)

79 Λειτουργία εργοστασίου Το εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Steven s Croft βρίσκεται 3,5 χλμ βόρεια της πόλης Lockerbie στη Σκωτία και είναι το εργοστάσιο με τη μεγαλύτερη παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ (44MW el ) από καύση βιομάζας στην Αγγλία. Η τοποθεσία εγκατάστασης του εργοστασίου επιλέχθηκε για την εγγύτητά του σε εκμεταλλεύσιμες δασώδες εκτάσεις, βιοτεχνίες επεξεργασίας ξύλου, αλλά και για το καλό δίκτυο μεταφορών της περιοχής. Η μονάδα απασχολεί 40 άτομα μόνιμο προσωπικό ενώ 300 θέσεις εργασίας στην ευρύτερη περιοχή σχετίζονται με τη λειτουργία του εργοστασίου. Οι εργασίες για την κατασκευή του εργοστασίου ξεκίνησαν τον Οκτώβριο του 2005 ενώ η επίσημη έναρξη λειτουργίας του έγινε το Μάρτιο του Στην ουσία αποτελείται από δύο μονάδες οι οποίες είναι εγκατεστημένες η μία δίπλα στην άλλη. Η πρώτη μονάδα διαχειρίζεται την επεξεργασία της βιομάζας που δέχεται το εργοστάσιο και η δεύτερη την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η εταιρία Aker Kvaerner κατασκεύασε το λέβητα, το σύστημα επεξεργασίας της εισερχόμενης βιομάζας και το σύστημα επεξεργασίας των καυσαερίων ενώ η εταιρία Siemens κατασκεύασε τον ατμοστρόβιλο, τη γεννήτρια και τον αερόψυκτο συμπυκνωτήρα. [20, 21]

80 Καύσιμο Η μονάδα Steven s Croft καίει τόνους ξυλώδους βιομάζας το χρόνο, διαφόρων προελεύσεων τα οποία συλλέγονται από μία ακτίνα 96 χιλιομέτρων και μεταφέρονται στη μονάδα οδικώς ενώ υπάρχουν οι απαραίτητες εγκαταστάσεις ώστε στο μέλλον η μεταφορά της βιομάζας να γίνεται αξιοποιώντας το σιδηροδρομικό δίκτυο της περιοχής. Από τη συνολική ποσότητα βιομάζας: Το 60 % προέρχεται από τα υπολείμματα των πριονιστηρίων (πριονίδι) και από τα υπολείμματα των κορμών που υλοτομούνται σε δάση της περιοχής. Το 20 % προέρχεται από ενεργειακές καλλιέργειες ιτιάς οι οποίες υλοτομούνται περιοδικά. Το 20 % είναι ανακυκλωμένη ξυλεία (δηλαδή ξυλεία η οποία έχει ήδη χρησιμοποιηθεί για άλλο σκοπό) προερχόμενη από κοντινές μονάδες παραγωγής - επεξεργασίας προϊόντων από ξύλο. Στον πίνακα 2.17 παρουσιάζεται η περιεκτικότητα σε υγρασία των διάφορων τύπων ξυλώδους βιομάζας που δέχεται η μονάδα Steven s Croft. [19] Πίνακας 2.17: Περιεκτικότητα σε υγρασία των ειδών βιομάζας που δέχεται η μονάδα Steven's Croft Είδος βιομάζας Περιεκτικότητα σε υγρασία Ξύλα από υπολείμματα υλοτομίας 52% - 58% (κλωνάρια κλαδιά) Πριονίδι 54% - 62% Ανακυκλωμένη ξυλεία 20% - 25% Ξύλα από καλλιέργεια ιτιάς 35% - 55% Για καύση στέλνεται ένα μείγμα από τσιπς ξυλώδους βιομάζας και πριονίδι του οποίου τα χαρακτηριστικά αναγράφονται στον παρακάτω πίνακα. Η παροχή του μείγματος ξυλώδους βιομάζας στον αντιδραστήρα αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης είναι 235 m 3 /h. Πίνακας 2.18: Χαρακτηριστικά μείγματος ξυλώδους βιομάζας που δέχεται η μονάδα Steven's Croft Χαρακτηριστικά μείγματος ξυλώδους βιομάζας Τιμή Περιεκτικότητα σε υγρασία 53 % Περιεκτικότητα σε τέφρα 0,6 % Κατώτερη θερμογόνος δύναμη 7,9 MJ/kg

81 Παραγωγή ενέργειας Εικόνα 2.32: Λέβητας καύσης βιομάζας της μονάδας Steven's Croft Στην εικόνα 2.32 απεικονίζεται η μονάδα παραγωγής ηλεκτρισμού Steven s Croft που χρησιμοποιεί λέβητα τύπου φυσαλιδωτής ρευστοποιημένης κλίνης (BFB) της εταιρίας Aker Kvaerner. Η συγκεκριμένη εταιρία κατασκευάζει δύο τύπους λέβητα για καύση βιομάζας σε διάφορα μεγέθη ανάλογα με την περίπτωση κάθε εφαρμογής όπως φαίνεται και στον πίνακα [24] Πίνακας 2.19: Τύποι λέβητα που κατασκευάζει η εταιρία Aker Kvaerner Λέβητες εταιρίας Aker Kvaerner Τύπος λέβητα Μέγιστη παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ HYBEX boiler BFB 120 MW el CYMIC boiler CFB 240 MW el

82 Εικόνα 2.33 : Λέβητας τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης (HYBEX boiler) της εταιρίας Aker Kvaerner Ο λέβητας HYBEX boiler που χρησιμοποίει η μονάδα Steven s Croft έχει ύψος 46 m ενώ η καμινάδα φθάνει τα 85 m. Έχει σχεδιαστεί ώστε να καίει καύσιμο με υψηλή περιεκτικότητα σε υγρασία και χαμηλή θερμιδική αξία που κυμαίνεται από 5,3 έως 9,4 MJ/Kg. Ο λέβητας αποτελείται από 3 χώρους : το θάλαμο καύσης από ένα 2 ο και από ένα 3 ο πέρασμα. Τα τοιχώματα του λέβητα που βρίσκονται κοντά στο χώρο καύσης είναι ενισχυμένα με πυρίμαχο υλικό (ανοξείδωτο χάλυβα) για να αντέχουν στις υψηλές θερμοκρασίες που αναπτύσσονται. Η υψηλή θερμοκρασία καύσης είναι κάτι το οποίο επιθυμούμε όταν στο θάλαμο καύσης εισέρχονται υψηλής υγρασίας καύσιμα. Στο συγκεκριμένο λέβητα ο διανομέας στη βάση της ρευστοποιημένης κλίνης είναι υδρόψυκτος και με αυτό επιτυγχάνεται μικρότερο πάχος πυρίμαχων τοιχωμάτων. [26] Δίπλα από το λέβητα βρίσκεται η διάταξη επεξεργασίας καυσίμου μέσα στην οποία τεμαχίζεται σε μορφή τσιπς η ξυλώδης βιομάζα και στη συνέχεια αναμιγνύεται με πριονίδι. Αυτό το μείγμα καύσιμης βιομάζας οδηγείται μέσω μίας ταινίας μεταφοράς μήκους 60 m σε 2 μικρές δεξαμενές σιλό με τη βοήθεια των οποίων μπορεί να ελέγχεται η ροή της βιομάζας. Οι δύο μικρές δεξαμενές έχουν τέτοια χωρητικότητα ώστε γεμάτες να μπορούν να εξασφαλίσουν τη λειτουργία του εργοστασίου για 1 ώρα. Κάτω από κάθε μία δεξαμενή υπάρχει ένας ατέρμων κοχλίας οποίος προωθεί το μείγμα καύσιμης βιομάζας μέσα σε μία χοάνη η οποία στη συνέχεια διαιρείται σε δύο άλλες χοάνες που καταλήγουν στο θάλαμο καύσης. Το μείγμα καύσιμης βιομάζας πέφτει από 4 αγωγούς ρίψης στην επιφάνεια της αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης με συνολική παροχή 235 m 3 /h

83 Ο αέρας καύσης αποτελείται από τον αέρα ρευστοποίησης ο οποίος διέρχεται μέσα από έναν υδρόψυκτο διανομέα στη βάση του λέβητα και τη δευτεροβάθμια ροή αέρα η οποία εισάγεται από τα πλαϊνά τοιχώματα του λέβητα σε μεγαλύτερο ύψος και που ολοκληρώνει τη διαδικασία της καύσης καίγοντας διάφορα πτητικά αέρια και διάφορα μικροσωματίδια που έχουν παρασυρθεί. Τα μικρά σωματίδια βιομάζας καθώς εισέρχονται στο θάλαμο καύσης καίγονται στην επιφάνεια της ρευστοποιημένης κλίνης ενώ τα μεγαλύτερα σωματίδια βουλιάζουν μέσα στη ρευστοποιημένη κλίνη όπου και αεριοποιούνται. Τα στερεά εξανθρακώματα καίγονται μέσα στην κλίνη ενώ ένα μέρος από τα αέρια που παράγονται καίγεται μέσα στην κλίνη ενώ το υπόλοιπο μέρος τους καίγεται στην επιφάνειά της. Η τέφρα που προκύπτει από την καύση των στερεών εξανθρακωμάτων διέρχεται μέσα από ανοίγματα στο διανομέα και απομακρύνεται από τον αντιδραστήρα. Η περιεκτικότητα σε υγρασία της εισερχόμενης βιομάζας κυμαίνεται από 46 % έως 65 %. Παρόλα αυτά όμως η καύση δεν διακόπτεται λόγω του αναβρασμού της κλίνης και της μεγάλης θερμοχωρητικότητας των σωματιδίων του μέσου πλήρωσης. Η καύση πραγματοποιείται με μεγάλη ένταση και έτσι η παροχή του παραγόμενου ατμού μπορεί να ρυθμιστεί πολύ γρήγορα, ανάλογα με το φορτίο, μέσω μεταβολής της ροής της εισερχόμενης καύσιμης βιομάζας. Στην εικόνα 2.34 παρουσιάζεται ο αντιδραστήρας αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης του λέβητα HYBEX boiler όπου φαίνεται και το σύστημα συλλογής της παραγόμενης τέφρας ενώ στην εικόνα 2.35 φαίνεται ο υδρόψυκτος διανομέας του αντιδραστήρα. [23] Εικόνα 2.34: Αντιδραστήρας αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης του λέβητα ΗΥΒΕΧ boiler Εικόνα 2.35: Υδρόψυκτος διανομέας του αντιδραστήρα καύσης του λέβητα HYBEX boiler

84 Τα παραγόμενα καυσαέρια καθώς φεύγουν από την επιφάνεια της ρευστοποιημένης κλίνης και κατευθύνονται προς τα πάνω διέρχονται από μία περιοχή στην οποία διοχετεύεται ο δευτεροβάθμιος αέρας καύσης και λαμβάνει χώρα η καύση των αερίων συστατικών που δεν έχουν καεί. Στο ψηλότερο μέρος του θαλάμου βρίσκονται δύο υπερθερμαντήρες (superheaters). Οι υπερθερμαντήρες του λέβητα είναι υψηλής αντοχής σε διάβρωση από ωστενιτικό χάλυβα, δίνοντας τη δυνατότητα καύσης βιομάζας που περιέχει χλώριο ή αλκάλια. Στη συνέχεια η ροή των καυσαερίων εισέρχεται στο δεύτερο πέρασμα αλλάζοντας φορά και κατευθύνεται προς τα κάτω. Στο δεύτερο πέρασμα η ροή των καυσαερίων αποδίδει θερμότητα σε έναν υπερθερμαντήρα και στη συνέχεια σε ένα οικονομητήρα (economizer). Έπειτα ακολουθεί το τρίτο πέρασμα στο οποίο τα καυσαέρια αποδίδουν θερμότητα σε έναν οικονομητήρα και τέλος στον εναλλάκτη προθέρμανσης του αέρα καύσης. Ο ατμός μετά την έξοδο του στροβίλου οδηγείται σε έναν αερόψυκτο συμπυκνωτήρα και στη συνέχεια το νερό που προκύπτει οδηγείται στον πρώτο οικονομητήρα του τρίτου περάσματος για να επαναληφθεί ο κύκλος παραγωγής υπέρθερμου ατμού. [25] Ο ατμοστρόβιλος της μονάδας τύπου SST-800 της εταιρίας SIEMENS δέχεται ατμό θερμικής ισχύος 126 MW th, πίεσης 137 bar και θερμοκρασίας 537 ο C και παράγει ηλεκτρική ισχύ 51 MW el σε μία τάση 11 KV μέσω της γεννήτριας Sgen5-100A-2P της εταιρίας SIEMENS. Αφαιρώντας την ηλεκτρική ισχύ που χρειάζεται το εργοστάσιο για τη λειτουργία του (7 ΜW el ) και μετασχηματίζοντας την τάση τελικά στέλνει 44 MW el σε μία τάση 33 KV μέσω υπόγειων καλωδίων στον υποσταθμό Chapel Cross που απέχει 26 χλμ και στη συνέχεια η ηλεκτρική ενέργεια διατίθεται στο εθνικό δίκτυο. [18] Ο στρόβιλος SST-800 της SIEMENS μπορεί να αποδώσει ηλεκτρική ισχύ έως 150 MW el. Ο ατμός που μπορεί να δεχθεί μπορεί να είναι μέγιστης πίεσης 140 bar και μέγιστης θερμοκρασίας 540 ο C. Η ταχύτητα περιστροφής του ρότορα μπορεί να ρυθμιστεί και κυμαίνεται από 3000 rpm έως 3600 rpm. Η έξοδος του ατμού μπορεί να ρυθμιστεί να είναι από 0 bar έως 14 bar ενώ επίσης παρέχει τη δυνατότητα εξόδου ατμού σε διάφορες πιέσεις με μέγιστη 45 bar, από συγκεκριμένες εξόδους κατά μήκος του στροβίλου ώστε να χρησιμοποιηθεί ως ατμός διεργασιών. [22] Πίνακας 2.20: Διαστάσεις ατμοστροβίλου SST-800 Μήκος Ύψος Πλάτος 20 m 6 m 8,5 m Εικόνα 2.36: Ο ατμοστρόβιλος SST-800 της Siemens

85 Διαχείριση Καυσαερίων Το σύστημα διαχείρισης καυσαερίων που διαθέτει η μονάδα Steven s Croft αποτελείται από ένα φίλτρο τύπου υφασμάτινου σάκου μέσα από τον οποίο διέρχονται τα καυσαέρια μετά την έξοδό τους από το λέβητα προκειμένου να κατακρατηθούν τα στερεά σωματίδια τέφρας που έχουν παρασυρθεί. Στη συνέχεια τα καυσαέρια διέρχονται μέσα από μία διάταξη όπου γίνεται ψεκασμός ενεργού άνθρακα για τον περιορισμό των NO x και των SO x. Τέλος, μέσω ανεμιστήρων τα καυσαέρια οδηγούνται στην καμινάδα για να απελευθερωθούν στην ατμόσφαιρα. Συμπερασματικά Γενικά, δεν υπάρχουν πολλές μεγάλες μονάδες καύσης βιομάζας εγκατεστημένες σε παγκόσμια κλίμακα. Ο κύριος λόγος είναι ότι ένα εργοστάσιο με μεγάλη εγκατεστημένη ισχύ θα πρέπει να εξασφαλίζει τις απαιτούμενες ποσότητες βιομάζας που χρειάζεται από μία περιορισμένη απόσταση, λόγω αυξημένου κόστους μεταφοράς της βιομάζας και αυτό δεν είναι πάντα εφικτό. Παρόλα αυτά η μεγάλη διαθεσιμότητα σε βιομάζα που προσφέρει η περιοχή, η ανοδική πορεία των τιμών των ορυκτών καυσίμων, περιβαλλοντικοί λόγοι αλλά και η δημιουργία νέων θέσεων εργασίας σε αποκεντρωμένη περιοχή ώθησαν την κατασκευή της μονάδας Steven s Croft. Σε γενικές γραμμές η μεταφορά βιομάζας χρησιμοποιώντας το οδικό δίκτυο είναι η πιο ενεργοβόρα και οι εκπομπές σε άνθρακα είναι περίπου 1,45 gr/km για κάθε τόνο μεταφερόμενης βιομάζας. Η μεταφορά μέσω θαλάσσης είναι πιο οικονομική και οι αντίστοιχες εκπομπές σε άνθρακα είναι περίπου 31,7 gr/km για κάθε τόνο μεταφερόμενης βιομάζας. Η επιλογή ενός αντιδραστήρα καύσης τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης για την περίπτωση της μονάδας Steven s Croft έγινε με βάση το είδος του καυσίμου που χρησιμοποιείται. Ένας αντιδραστήρας αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης παρουσιάζει μεγαλύτερη ευελιξία στο καύσιμο σε σχέση με έναν αντιδραστήρα κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης και μπορεί να ανταπεξέρθει καλύτερα στο μείγμα καύσιμης βιομάζας (μεγάλη διακύμανση θερμογόνου δύναμης, υγρασίας, τέφρας) με το οποίο τροφοδοτείται η μονάδα. Οι λέβητες τύπου κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης ταιριάζουν καλύτερα σε καύσιμα με χαμηλή περιεκτικότητα σε υγρασία και μικρό ομοιόμορφο μέγεθος

86 Μονάδα Παραγωγής Ηλεκτρισμού : Western Wood Energy Power Plant Πίνακας 2.21 : Γενικά χαρακτηριστικά εργοστασίου Western Wood Energy Power Plant Χώρα εγκατάστασης Αγγλία (Margam, Port Talbot, Wales) Έτος έναρξης λειτουργίας 2008 Μέθοδος ενεργειακής αξιοποίησης Καύση σε κινούμενη σχάρα Ισχύς ηλεκτρική 13,85 MW el Βαθμός απόδοσης 30 % Καύσιμο Τσιπς ξυλώδους βιομάζας + Πριονίδι Ιδιοκτήτης Western Bio-energy Ltd Κόστος κατασκευής Επιδοτήσεις (EU's Objective 1 programme) (Bioenergy Capital Grant Scheme, Big Lottery Fund) Ανάδοχος έργου 1. Aalborg Energie Technik 2. Burmeister &Wain Scandinavian Contractor (BWSC)

87 Λειτουργία μονάδας πυρόλυσης Σε μία έκταση 6 στρεμμάτων στο προάστιο Margam της πόλης Port Talbot της νότιας Ουαλίας είναι εγκατεστημένος ο σταθμός ηλεκτροπαραγωγής Western Wood Energy Power Plant ο οποίος αφού χρειάζεται για δική του κατανάλωση μόλις 1,15 MW el αποδίδει στο εθνικό δίκτυο 13,85 MW el. Ο σταθμός αυτός χρειάστηκε δύο χρόνια για να κατασκευαστεί, τέθηκε σε πλήρη λειτουργία το Νοέμβριο του 2008 και απασχολεί 20 άτομα ως μόνιμο προσωπικό. Η μονάδα ανήκει στην εταιρία Western Bio-energy Ltd της οποίας οι μετοχές ανήκουν στην εταιρία Good Energies LLP και στην εταιρία Western Log Group. Την κύρια ευθύνη κατασκευής της μονάδας την είχε η εταιρία Aalborg Energie Technik η οποία ιδρύθηκε το 1996, είναι εγκατεστημένη στην πόλη Aalborg της Δανίας απασχολώντας 100 εργαζομένους και δραστηριοποιείται στην κατασκευή νέων μονάδων καύσης βιομάζας, στην τροποποίηση ήδη εγκατεστημένων μονάδων προς χρήση βιομάζας και στην προσφορά διάφορων υπηρεσιών που σχετίζονται με τον τομέα της παραγωγής ενέργειας. [28, 29, 30] Καύσιμο Η μονάδα Western Wood Energy Poerw Plant είναι σχεδιασμένη ώστε να καίει κάθε είδους ξυλεία η οποία δεν έχει υποστεί καμία επεξεργασία (π.χ βαμμένη ή εμποτισμένη ξυλεία). Η περιεχόμενη υγρασία της ξυλώδους βιομάζας που μπορεί να δεχθεί κυμαίνεται από 10 % έως 55 %. Ανά τακτά χρονικά διαστήματα καταφθάνουν φορτηγά τα οποία μεταφέρουν κορμούς δέντρων τα οποία προέρχονται από την εκμετάλλευση των δασών της Ουαλίας. Μόλις φθάσει η ξυλεία αποθηκεύεται, και στη συνέχεια θρυμματίζεται σε μικρά κομματάκια ( τσιπς ) τα οποία προωθούνται προς καύση. Το εργοστάσιο επίσης δέχεται κατάλληλα υπολείμματα ξυλείας από τη βιομηχανία επεξεργασίας ξύλου όπως και πριονίδι. Η ετήσια ανάγκη του εργοστασίου είναι τόνοι ακατέργαστης ξυλείας που προμηθεύεται κυρίως από την κρατική εταιρία διαχείρισης δασών South Wales Forestry Commission. [28, 29, 30] Εικόνα 2.37: Άφιξη φορτηγού με κορμούς δέντρων στη μονάδα Western Wood Energy Power Plant

88 Παραγωγή ενέργειας Εικόνα 2.38: Λέβητας καύσης βιομάζας της μονάδας Western Wood Energy Power Plant Ο λέβητας του εργοστασίου είναι ο AET-M-1050 της εταιρίας Aalborg Energie Technik a/s (AET). O συγκεκριμένος λέβητας παρουσιάζει υψηλό βαθμό απόδοσης η = 92 % (η = Θερμική ενέργεια καυσαερίων στην έξοδο του λέβητα / Περιεχόμενη ενέργεια στην εισερχόμενη βιομάζα), χαμηλό κόστος συντήρησης και μεγάλο χρονικό διάστημα μεταξύ διαδοχικών συντηρήσεων (πάνω από 8000 ώρες συνεχούς λειτουργίας), μετά το πέρας των οποίων θα πρέπει να σταματάει τη λειτουργία του ώστε να καθαρίζονται οι επιφάνειες των εναλλακτών θερμότητας. Η θερμική ισχύς της βιομάζας που μπορεί να τροφοδοτηθεί ο συγκεκριμένος τύπος λέβητα, ανάλογα με την κλίμακα που έχει κατασκευαστεί, κυμαίνεται από 25 MW th μέχρι 170 MW th που αντιστοιχεί σε μία παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ από 7 MW el μέχρι 55 MW el. Ο λέβητας του εργοστασίου Western Wood δέχεται τσιπς ξύλου θερμικής ισχύος 48MW th και αποδίδει στο εθνικό δίκτυο μετά την εσωτερική του κατανάλωση, ηλεκτρική ισχύ ίση με 13,85 MW el Η κάμινος του λέβητα είναι ψηλή και λεπτή ώστε να επιτυγχάνεται καλή ανάμιξη των άκαυστων πτητικών αερίων με τις ροές αέρα καύσης που εισάγονται από τα πλαϊνά τοιχώματα της καμίνου. Αυτό εξασφαλίζει υψηλή απόδοση καύσης και χαμηλές εκπομπές αέριων ρύπων. Μία υψηλή κάμινος παρέχει επίσης το χώρο για μία καλή κυκλοφορία νερού και ατμού μέσα στους εναλλάκτες. Τα θερμά καυσαέρια κατευθύνονται στην αρχή προς τα πάνω και στην συνέχεια αλλάζουν κατεύθυνση και κατευθύνονται προς τα κάτω από ένα διπλανό διάδρομο χοάνη όπου και εκεί υπάρχουν οι εναλλάκτες θερμότητας με φυσική κυκλοφορία νερού. Μέσα σε αυτούς του εναλλάκτες γίνεται η παραγωγή υπέρθερμου ατμού. Ο συγκεκριμένος λέβητας έχει δυνατότητα παραγωγής υπέρθερμου ατμού θερμοκρασίας έως 540 ο C και πίεσης έως 140 bar. H αλλαγή

89 κατεύθυνσης των θερμών καυσαερίων επιτρέπει τα χονδροειδή σωματίδια τέφρας που παρασύρθηκαν, να διαχωρίσουν από το ρεύμα των θερμών καυσαερίων και να επανεισαχθούν μέσα στην κάμινο. Παρόλα αυτά όμως πριν απελευθερωθούν τα καυσαέρια διέρχονται και μέσα από ένα φίλτρο για να συγκρατηθεί η τέφρα που παρασύρθηκε. Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι ο συγκεκριμένος λέβητας δε χρειάζεται κάποιο βοηθητικό σύστημα καύσης. Στην εικόνα 2.39 παρουσιάζεται ο τρόπος ανάφλεξης της βιομάζας πάνω στη σχάρα μετά από διακοπή της λειτουργίας του λέβητα για λόγους συντήρησης. Διακρίνονται επίσης οι αγωγοί τροφοδοσίας του λέβητα με τσιπς. [27] Εικόνα 2.39: Έναυση του αντιδραστήρα καύσης βιομάζας στο λέβητα AET - M Το καύσιμο εισέρχεται μέσα στην κάμινο με πεπιεσμένο αέρα μέσω των εγχυτήρων AET-BioSpreaders αν πρόκειται για τσιπς ή μέσω των εγχυτήρων AET dust firing system αν πρόκειται για καύσιμο σε μορφή πούδρας. Τα μικρά σωματίδια καίγονται αιωρούμενα ενώ τα μεγαλύτερα πέφτουν πάνω στη βάση σχάρα της καμίνου σχηματίζοντας μία φλεγόμενη μάζα καυσίμου. Η βάση σχάρα κινείται παρασύροντας το φλεγόμενο καύσιμο προς την άκρη της καμίνου. Μέχρι να φθάσει εκεί το καύσιμο, η καύση έχει ολοκληρωθεί οπότε και η εναπομένουσα τέφρα ρίχνεται σε χώρο συλλογής. Η ταχύτητα κίνησης της βάσης σχάρας μπορεί να ρυθμιστεί αναλόγως με το είδος του καυσίμου που χρησιμοποιείται. Το 50 % του αέρα καύσης οδηγείται πάνω στη κινούμενη βάση σχάρα μέσω ακροφυσίων ενώ ο δευτερεύων αέρας καύσης εγχέεται πιο ψηλά μέσω ακροφυσίων τα οποία είναι κατάλληλα διατεταγμένα ώστε να επιτυγχάνεται καλή ανάμιξη με τα πτητικά αέρια. Με αυτόν τον τρόπο καύσης, σε δύο στάδια δηλαδή, επιτυγχάνουμε χαμηλές εκπομπές NO x. Η επιθυμητή θερμοκρασία καύσης επιτυγχάνεται ρυθμίζοντας την περίσσεια αέρα, με προθέρμανση του αέρα καύσης, ή/και με επανακυκλοφορία των καυσαερίων. Στην εικόνα 2.40 παρουσιάζεται η κατανομή της θερμοκρασίας κατά μήκος της διαδρομής των καυσαερίων μέσα στο λέβητα. [27]

90 Εικόνα 2.40 : Κατανομή θερμοκρασίας μέσα στο λέβητα ΑΕΤ - Μ Στην εικόνα 2.41 παρουσιάζεται ο τρόπος εισαγωγής του απαιτούμενου αέρα καύσης μέσα στο θάλαμο καύσης. Ο πρωτοβάθμιος αέρας καύσης εισέρχεται κάτω από τη σχάρα ενώ ο δευτεροβάθμιος αέρας εισέρχεται από διάφορα σημεία στα τοιχώματα του θαλάμου καύσης. Παρατηρούμε μία στένωση του θαλάμου καύσης η οποία έχει ως σκοπό την καλύτερη ανάμειξη των καυσαερίων με τη δευτεροβάθμια ροή αέρα. Αέρας επίσης εισέρχεται και από το σύστημα τροφοδοσίας. [27] Εικόνα 2.41: Εισαγωγή αέρα καύσης μέσα στο θάλαμο καύσης του λέβητα ΑΕΤ - Μ

91 Στην εικόνα 2.42 παρουσιάζεται το σύστημα τροφοδοσίας της μονάδας (spreader stoker) το οποίο με τη βοήθεια πεπιεσμένου αέρα διασκορπίζει τη βιομάζα πάνω στη σχάρα. Η σχάρα στη μονάδα Western Wood είναι εξοπλισμένη με 3 τέτοια συστήματα τροφοδοσίας για την πλήρη κάλυψη της σχάρας με βιομάζα. [27] Εικόνα 2.42: Σύστημα τροφοδοσίας του λέβητα ΑΕΤ - Μ Στην εικόνα 2.43 παρουσιάζεται η διάταξη των εναλλακτών θερμότητας. Παρατηρούμε ότι η ηλεκτροπαραγωγός μονάδα Western Wood χρησιμοποιεί για την προθέρμανση του νερού 2 οικονομητήρες (economizers) και 4 υπερθερμαντήρες για την παραγωγή του υπέρθερμου ατμού. Ο ατμοστρόβιλος λαμβάνει υπέρθερμο ατμό θερμοκρασίας 512 C, πίεσης 92 bar και με παροχή 16 kg/sec. Η θερμοκρασία των καυσαερίων όταν έρχονται σε επαφή με τον πρώτο κατά σειρά υπερθερμαντήρα (SH4) είναι μικρότερη από 750 ο C. Γενικά, οι υπερθερμαντήρες αντικαθίστανται με καινούργιους κάθε 4 με 5 χρόνια. Επίσης για λόγους περιορισμού των ρύπων τα παραγόμενα καυσαέρια παραμένουν σε περιβάλλον άνω των 850 ο C για πάνω από 2 sec που ουσιαστικά είναι ο χώρος πάνω τη σχάρα, πριν τα καυσαέρια αλλάξουν κατεύθυνση. [27] Εικόνα 2.43: Διάταξη εναλλακτών θερμότητας στο λέβητα ΑΕΤ Μ

92 Το εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρισμού Steven s Croft χρησιμοποιεί ως στρόβιλο τον ατμοστρόβιλο 2 αξόνων της Mitsui Engineering & Shipbuilding (σε συνεργασία με την ALSTOM Power ) τύπου ΤΜ2. Εικόνα 2.44: Ο ατμοστρόβιλος ΤΜ2 της εταιρίας Mitsui Engineering & Shipbuilding

93 Στον πίνακα 2.22 παρουσιάζονται όλα τα εργοστάσια καύσης βιομάζας προς παραγωγή ηλεκτρισμού ή/και θερμότητας που χρησιμοποιούν το λέβητα κινούμενης σχάρας της εταιρίας Aalborg Energie Technik. [27] Πίνακας 2.22 : Εργοστάσια καύσης βιομάζας που χρησιμοποιούν το λέβητα ΑΕΤ - Μ Εργοστάσιο Τοποθεσία Θερμική ισχύς εισόδου (MW th ) Cofely BES VSG Helius CoRDe Αγγλία Ltd (Σκωτία) Zignago Power Cofely BCN Western Wood Randers Energi Δανία (Randers) Linz Mitte Αυστρία (Linz) FunderMax Αυστρία (Neudorf) Schneider Biopower Boehringer Ingelheim Παραγόμενη Ηλεκτρική ισχύς (MW el ) Γαλλία Παραγόμενη Θερμική ισχύς 34 7,2 12 τόνους/ώρα ατμό διεργασιών Ιταλία 49 - Όχι Γαλλία Αγγλία 48 13,85 Όχι 2* MW th δίκτυο τηλεθέρμανσης MW th δίκτυο τηλεθέρμανσης MW th θερμικό Λάδι Γερμανία MW th Γερμανία Kronoply Γερμανία MW th θερμότητα διεργασιών Pfleiderer Gutersloh Γερμανία (Gutersloh) MW th θερμότητα διεργασιών Pfleiderer Γερμανία MW th Neumarkt (Neumarkt) Egger Pannovosges Γαλλία 46 Όχι 8 MW th θερμικό λάδι

94 Διαχείριση Καυσαερίων Στην εικόνα 2.45 παρουσιάζονται οι διακυμάνσεις των κυριότερων χαρακτηριστικών κανονικής λειτουργίας της μονάδας Western Wood έτσι όπως καταμετρώνται από τους αντίστοιχους αισθητήρες κατά τη διάρκεια μίας ημέρας (8/1/09). Εικόνα 2.45: Διακυμάνσεις των κυριότερων χαρακτηριστικών κατά τη διάρκεια μίας ημέρας λειτουργίας της μονάδας Western Wood Πίνακας 2.23 : Μέση τιμή των κυριότερων χαρακτηριστικών λειτουργίας της μονάδας Western Wood Χαρακτηριστικά λειτουργίας μονάδας Western Wood Μέση Τιμή Θερμοκρασία υπέρθερμου ατμού 512 ο C στην έξοδο του λέβητα Περιεκτικότητα των καυσαερίων σε CO 60 mg/nm 3 Περιεκτικότητα των καυσαερίων σε NO x 220 mg/nm 3 Παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς στην 15 MW el έξοδο της γεννήτριας Παροχή υπέρθερμου ατμού 16 kg/sec Περιεκτικότητα των καυσαερίων σε O 2 2 % κ.ό. (υγρή βάση) Το γεγονός ότι η μονάδα Western Wood χρησιμοποιεί ως καύσιμο μόνο καθαρή ξυλεία, που να μην έχει κατεργαστεί δηλαδή ώστε να περιέχει διάφορες προσμίξεις καθώς επίσης και το γεγονός ότι δε βρίσκεται κοντά σε κατοικημένη περιοχή, για τη διαχείριση των καυσαερίων χρησιμοποιείται μόνο ένα φίλτρο τύπου υφασμάτινου σάκου (bag filter) για τον περιορισμό των εκπεμπόμενων αιωρούμενων σωματιδίων

95 Η εταιρία Aalborg Energie Technik όπως έχει αναφερθεί έχει εγκαταστήσει συστήματα καύσης τύπου κινούμενης σχάρας σε διάφορα εργοστάσια στην Ευρώπη. Όσο αναφορά το εργοστάσιο που είναι εγκατεστημένο στην πόλη Gutersloh της Γερμανίας και που ανήκει στην εταιρία Pfleiderer AG, οι εκπεμπόμενοι ρύποι μετρώνται και αναρτώνται στο διαδίκτυο. Το καύσιμο που χρησιμοποίει η συγκεκριμένη μονάδα είναι τσιπς ξυλώδους βιομάζας που προέρχονται από χρησιμοποιημένη ξυλεία όλων των κατηγοριών Α1 έως Α4, με την Α4 να περιέχει τις περισσότερες προσμίξεις. Επιπλέον λόγω του ότι είναι τοποθετημένη κοντά σε κατοικημένη πόλη υπόκειται σε αυστηρούς περιορισμούς όσο αναφορά τις εκπομπές σε διοξίνες και βαρέα μέταλλα. Στον πίνακα 2.24 αναφέρονται οι εκπεμπόμενοι ρύποι της μονάδας. [27] Πίνακας 2.24: Εκπεμπόμενοι ρύποι από λέβητα AET M 1050 στην πόλη Gutersloh Μετρούμενοι ρύποι μονάδας Gutersloh Μέση Τιμή Ανώτατο επιτρεπόμενο όριο Ημερομηνία Μέτρησης Αιωρούμενα σωματίδια 0,63 mg/m 3 10 mg/m 3 20/11/2012 CO 46,95 mg/m 3 50 mg/m 3 20/11/2012 Σύνολο C (CO + CO 2 ) 0,44 mg/m 3 10 mg/m 3 20/11/2012 NO x 198,07 mg/m mg/m 3 20/11/2012 HCl 9,76 mg/m 3 10 mg/m 3 20/11/2012 Hg 0,000 mg/m 3 0,03 mg/m 3 20/11/2012 Διοξίνες - Φουράνια 0,0074 ng/m 3 0,025 ng/m 3 1/7/2012 έως 30/9/2012 Κάδμιο 0,00001 mg/m 3 0,01 mg/m 3 10/11/2011 Αρσενικό Χρώμιο Νικέλιο 0,0002 mg/m 3 0,5 mg/m 3 10/11/2011 Για τον περιορισμό των ρύπων στη μονάδα Gutersloh χρησιμοποιούνται τα παρακάτω συστήματα επεξεργασίας των καυσαερίων: 1. Επανακυκλοφορία των καυσαερίων για περιορισμό NO x Η επανακυκλοφορία μέρους (έως 25 %) των καυσαερίων στο θάλαμο καύσης είναι ένας οικονομικός και αποτελεσματικός τρόπος για τη μείωση έως και 25 % της περιεκτικότητας των καυσαερίων σε NO x. Τα αδρανή, χαμηλότερης θερμοκρασίας καυσαέρια χαμηλώνουν τις πολύ υψηλές θερμοκρασίες στο θάλαμο καύσης που ευνοούν το σχηματισμό των NO x. Επίσης όταν τα καυσαέρια αναμιγνύονται με τον αέρα καύσης μειώνουν τη διαθέσιμη ποσότητα οξυγόνου ανά μονάδα όγκου επιβραδύνοντας έτσι τις αντιδράσεις σχηματισμού NO x. 2. Δευτερεύων περιορισμός των NO X μέσω μεθόδου SNCR Η μέθοδος SNCR (Selective Non-Catalytic Reduction) είναι μία οικονομική μέθοδος για τον περιορισμό των NO x που περιλαμβάνει την έγχυση σε μορφή σπρέι (injection) διαλύματος αμμωνίας (για θερμοκρασίες 871 ο C ο C) ή ουρίας (για θερμοκρασίες 982 ο C ο C) στη ροή των καυσαερίων

96 3. Φίλτρο τύπου υφασμάτινου σάκου (bag filter) για τον περιορισμό των εκπεμπόμενων αιωρούμενων σωματιδίων. 4. Έγχυση σε μορφή σπρέι ( injection) διαλύματος Ca(OH) 2 στη ροή των καυσαερίων για τον περιορισμό των όξινων αερίων. Πραγματοποιούνται οι παρακάτω αντιδράσεις που έχουν ως αποτέλεσμα τον αποτελεσματικό περιορισμό των όξινων αερίων. Ca(OH) 2 + 2HCl CaCl 2 + 2H 2 O Ca(OH) 2 + SO 2 CaSO 3 + H 2 O Συμπερασματικά Οι λέβητες τύπου κινούμενης σχάρας είναι μία μέθοδος καύσης βιομάζας υψηλής αξιοπιστίας η οποία έχει δοκιμαστεί σε πολλές περιπτώσεις εργοστασίων. Παρέχει μία σχετική ευελιξία όσο αναφορά το μέγεθος του καυσίμου και το περιεχόμενό του σε υγρασία και τέφρα. Η καύση κατά πλάτος της κινούμενης σχάρας είναι σχετικά ομοιόμορφη. Η ταχύτητα κίνησης της σχάρας είναι μικρή χωρίς να διαταράσσεται το στρώμα της βιομάζας πάνω στη σχάρα έτσι η διεργασία της καύση είναι σταθερή χωρίς διαταραχές διακοπές. Επίσης το σύστημα καύσης με κινούμενη σχάρα επιτρέπει τη διεξαγωγή της καύσης με χαμηλή περίσσεια αέρα ενώ και οι ανάγκες σε αύξηση της πίεσης του χρησιμοποιούμενου αέρα καύσης είναι περιορισμένες. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τον υψηλό βαθμό απόδοσης της καύσης και τη χαμηλή κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας από την ίδια τη μονάδα. Για την περίπτωση της μονάδας Western Wood από τη συνολικά παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ των 15 MW el η κατανάλωση της μονάδας ανέρχεται σε 1,15 MW el ίση δηλαδή με το 7,66% της παραγόμενης ισχύος και ίση με το 2,39 % της θερμικής ισχύος της εισερχόμενης καύσιμης βιομάζας. Γενικά η εσωτερική κατανάλωση ηλεκτρισμού των συστημάτων καύσης βιομάζας σε κινούμενη σχάρα κυμαίνεται μεταξύ 2 % - 3 % της θερμικής ισχύος της εισερχόμενης καύσιμης βιομάζας ενώ η αντίστοιχη κατανάλωση για συστήματα καύσης βιομάζας τύπου ρευστοποιημένης κλίνης κυμαίνεται μεταξύ 3 % - 4 %. Επομένως ένας λέβητας τύπου κινούμενης σχάρας παρουσιάζει σχετικά χαμηλό κόστος λειτουργίας

97 Μονάδες (2) Συμπαραγωγής Θερμότητας Ηλεκτρισμού: Heineken U.K. (Scottish & Newcastle ) Πίνακας 2.25 : Γενικά χαρακτηριστικά μονάδων Heineken U.K. Χώρα εγκατάστασης Αγγλία ( Manchester και Tadcaster) Έτος έναρξης λειτουργίας 2009 Μέθοδος ενεργειακής αξιοποίησης Καύση σε περιστρεφόμενη κωνική σχάρα Ισχύς ηλεκτρική 3,1 MW el Ισχύς θερμική 7,4 MW th Καύσιμο 50 % Απορριπτόμενη βιομάζα ζυθοποιίας 50 % Ξυλώδη βιομάζα (τσιπς) Ιδιοκτήτης Heineken UK Κόστος κατασκευής ( η κάθε μία ) Επιδότηση Χωρίς επιδότηση Ανάδοχος έργου Wartsila

98 Λειτουργία εργοστασίου Η εταιρία Scottish & Newcastle (S & N) ήταν μία από τις μεγαλύτερες εταιρίες παγκοσμίως στο χώρο της ζυθοποιίας λειτουργώντας από το Τον Απρίλιο του 2008 εξαγοράστηκε από την Heineken και μετονομάστηκε σε Heineken UK. Αυτή τη στιγμή, η Heineken UK έχει 3 εργοστάσια ζυθοποιίας: Caledonian Brewery (Edinburg), Royal Brewery (Manchester), John Smith s (Tadcaster). Η εταιρία Scottish & Newcastle Royal Brewery είχε αναθέσει το τέλος του 2007 στην εταιρία Wartsila να κατασκευάσει ένα σταθμό συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας μέσα στις εγκαταστάσεις της Royal Brewery (Manchester) προκειμένου να παρέχει στο εργοστάσιο για τις ανάγκες λειτουργίας του, ηλεκτρισμό ισχύος 3,1 MW el και ατμό θερμικής ισχύος 7,4 MW th. H μονάδα η οποία κατασκευάστηκε έχει επιπλέον τη δυνατότητα να παράγει μόνο ηλεκτρισμό ισχύος 4,7 MW el συμπυκνώνοντας όλο τον ατμό στον κύκλο λειτουργίας του. Επίσης, στις αρχές του 2008 ανατέθηκε στη Wartsila η κατασκευή μίας πανομοιότυπης μονάδας μέσα στις εγκαταστάσεις της John Smith s (Tadcaster). Η κάθε μονάδα συμπαραγωγής θερμότητας ηλεκτρισμού καλύπτει το 60 % της ποσότητας ατμού διεργασιών που χρειάζεται κάθε μία ζυθοποιία καθώς και το 100 % των αναγκών σε ηλεκτρισμό. Το πλεόνασμα ηλεκτρισμού που παράγεται διατίθεται στο εθνικό δίκτυο. Το κόστος κατασκευής κάθε μίας μονάδας ανήρθε στα και μέχρι τον Οκτώβριο του 2009 είχαν τεθεί και οι δύο σε λειτουργία. [31]

99 Καύσιμο Οι δύο μονάδες της Wartsila που εγκαταστάθηκαν στα εργοστάσια της Heineken UK χρησιμοποιούν ως καύσιμο τα στερεά απόβλητα βιομάζας που προκύπτουν από τις επιμέρους λειτουργίες της ζυθοποιίας όπως υπολείμματα βύνης, εξαντλημένοι σπόροι κριθαριού, μαγιά, υπόλειμμα ζυθόγλευκους, υπολείμματα διήθησης. Όλα αυτά οδηγούνται πάνω σε ταινιόδρομο προς τη μονάδα καύσης. Η ποσότητα της βιομάζας που παράγεται σε κάθε εργοστάσιο ανέρχεται σε τόνους το χρόνο. Επίσης χρησιμοποιούν ξυλώδη βιομάζα τοπικής προέλευσης που δεν έχει υποστεί κατεργασία και που φθάνει με φορτηγά στο εργοστάσιο, σε μικρά κομματάκια (τσιπς) η ποσότητα αυτή ανέρχεται σε τόνους το χρόνο. Ακόμη σε κάθε εργοστάσιο εισέρχονται ποσότητες απόβλητης βιομάζας από άλλες ζυθοποιίες όπως και κλαδέματα από την καλλιέργεια μήλου της περιοχής. Η απόβλητη βιομάζα που προκύπτει από τη λειτουργία της ζυθοποιίας είναι υψηλής περιεκτικότητας σε υγρασία (80 %) γι αυτό οδηγείται σε μία πρέσα όπου πρεσάρεται ώστε η περιεκτικότητα σε υγρασία τελικά να γίνει 58 % με 60 %. Στη συνέχεια μπορεί να οδηγηθεί προς καύση αφού πρώτα αναμειχτεί με μία αναλογία 50 % με τα τσιπς ξυλώδους βιομάζας. Το μείγμα καυσίμου που προκύπτει έχει μία περιεχόμενη υγρασία 55 %. Στην εικόνα 2.46 παρουσιάζεται η εξάρτηση της αδιαβατικής θερμοκρασίας καύσης και της ποσότητας των καυσαερίων από την υγρασία του μείγματος καυσίμου (50:50). Παρατηρούμε ότι η μείωση της αδιαβατικής θερμοκρασίας καύσης (μπλε καμπύλη) και η αύξηση της ποσότητας των καυσαερίων (κόκκινη καμπύλη) βάζουν περιορισμούς ως προς την περιεκτικότητα σε υγρασία του καυσίμου που μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Επίσης έχει διαπιστωθεί ότι για περιεχόμενη υγρασία πάνω από 55 % η ικανότητα παραγωγής ατμού του λέβητα μειώνεται σημαντικά. Παρόλη την αυξημένη υγρασία του καυσίμου και τη μειωμένη θερμογόνο δύναμή του ο σχεδιασμός της συγκεκριμένης μονάδας δεν προβλέπει ενδιάμεσο στάδιο ξήρανσης του καυσίμου. [32] Εικόνα 2.46: Μεταβολή της θερμοκρασίας καύσης και της ποσότητας των καυσαερίων ως συνάρτηση της περιεχόμενης υγρασίας της καύσιμης βιομάζας

100 Στον πίνακα 2.26 παρουσιάζονται ορισμένα βασικά χαρακτηριστικά της απόβλητης βιομάζας που προκύπτει από τη λειτουργία της ζυθοποιίας μετά τη μείωση της υγρασίας της που υφίσταται από την πρέσα, όπως επίσης και τα χαρακτηριστικά των τσιπς βιομάζας με τα οποία τροφοδοτείται η μονάδα και τέλος τα χαρακτηριστικά του καύσιμου μείγματος βιομάζας (50:50) με το οποίο τροφοδοτείται ο λέβητας. [32] Πίνακας 2.26 : Συγκριτικός πίνακας σύνθεσης βιομάζας που χρησιμοποιείται στις μονάδες συμπαραγωγής Heineken UK Βιομάζα από ζυθοποιία Κομματάκια ξύλου (τσιπς) Μείγμα καυσίμου (50:50) Υγρασία % ,4 Θερμογόνος δύναμη MJ/kg 20,14 18,84 19,49 (ξηρή βάση) Θερμογόνος δύναμη MJ/kg 7 9,3 8 Φαινόμενη πυκνότητα kg/m Αναλογία όγκου % 54,6 45,4 100 Στοιχειακή ανάλυση σε ξηρή βάση C % 51,2 50,9 51,1 H % 7 6,3 6,7 N % 3,63 0,1 1,9 S % 0,27 0,02 0,15 Cl % 0,015 0,011 0,01 O % 34,485 41,169 37,8 Τέφρα % 3,4 1,5 2,45 Σύνολο % 100 Ανόργανα στοιχεία Na % 0,0083 0,0064 0,0074 K % 0,0293 0,05 0,0396 Ca % 0,193 0,0676 0,1303 Si % 0,1452 0,0058 0,0755 Al % 0, , ,0011 P % 0,429 0,0045 0,2168 Mg % 0,122 0,0111 0,

101 Παραγωγή ενέργειας Εικόνα 2.47: Λέβητας καύσης βιομάζας BioPower 5 CEX της εταιρίας Wartsila Οι δύο πανομοιότυπες μονάδες συμπαραγωγής θερμότητας ηλεκτρισμού που βρίσκονται στις εγκαταστάσεις της Heineken UK χρησιμοποιούν το λέβητα BioPower 5 CEX της εταιρίας Wartsila. Αυτού του τύπου οι λέβητες είναι συναρμολογούμενοι από τυποποιημένα εξαρτήματα, είναι αυτοματοποιημένοι σε μεγάλο βαθμό και έχουν μία απλή προσέγγιση σχεδιασμού. Έτσι μπορούν να μεταφερθούν, να εγκατασταθούν και να χειριστούν σχετικά εύκολα. Είναι σχεδιασμένοι ώστε να καίνε βιομάζα με υψηλή περιεκτικότητα σε υγρασία, παρουσιάζουν υψηλό βαθμό απόδοσης και χαμηλές εκπομπές σε NO x και CO. Χαρακτηριστικό αυτού του λέβητα είναι η περιστρεφόμενη σχάρα BioGrate η οποία είναι κωνική ώστε η βιομάζα να απλώνεται σε μεγάλη επιφάνεια για μια ολοκληρωμένη καύση. Το καύσιμο τροφοδοτείται στο κέντρο του χώρου καύσης με τη βοήθεια ενός περιστρεφόμενου ατέρμονα κοχλία και στη συνέχεια προωθείται προς τα άκρα της σχάρας. Η σχάρα αποτελείται από δισκοειδείς διάτρητες μεταλλικές επιφάνειες όπου ορισμένες (3 5) περιστρέφονται ενώ άλλες (2 4) είναι σταθερές. Αυτό εξυπηρετεί την ομοιόμορφη κατανομή της βιομάζας πάνω στην κωνική σχάρα. Κατά την προώθηση της βιομάζας προς τα άκρα διακρίνουμε την περιοχή κατά την οποία χάνει μεγάλο μέρος της υγρασίας της και στη συνέχεια την περιοχή καύσης. Η ξήρανση της βιομάζας στην πρώτη περιοχή της σχάρας γίνεται με έντονο ρυθμό λόγω της ακτινοβολίας που εκπέμπεται από τα πυρίμαχα τοιχία και τη φλόγα. Μόλις ολοκληρωθεί η καύση η εναπομένουσα τέφρα προωθείται προς τα άκρα της σχάρας όπου και πέφτει διαμέσου ανοιγμάτων μέσα σε ένα χώρο με νερό, για να συγκεντρωθεί και να απομακρυνθεί στη συνέχεια με ιμάντα προς τη δεξαμενή συλλογής της

102 Η πρωτοβάθμια ροή αέρα καύσης εισέρχεται διαμέσου της σχάρας από το κάτω μέρος της ενώ η δευτεροβάθμια ροή αέρα, από άλλα σημεία ψηλότερα, από τρία διαφορετικά επίπεδα. Τα τοιχία που περιβάλουν την εστία καύσης είναι κατασκευασμένα από πυρίμαχο υλικό ενώ πίσω από αυτά υπάρχει ένα σωληνοειδές τοίχωμα (τύπου μεμβράνης) μέσα από το οποίο επανακυκλοφορεί τμήμα των καυσαερίων χαμηλής θερμοκρασίας (150 C) ώστε να παραλαμβάνει μέρος του θερμικού φορτίου των τοιχωμάτων. Στην εικόνα 2.48 παρουσιάζεται το σύστημα τροφοδοσίας καυσίμου που τοποθετείται στους καινούργιους λέβητες και που αποτελείται από δύο (δίδυμους), περιστρεφόμενους ατέρμονες κοχλίες. Αυτό επιτρέπει την εισαγωγή καυσίμου μεγαλύτερων διαστάσεων στο χώρο καύσης διευρύνοντας με αυτόν τον τρόπο τα είδη της βιομάζας που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν από τη μονάδα. [36] Εικόνα 2.48: Σύστημα τροφοδοσίας λέβητα BioPower 5 CEX Στην εικόνα 2.49 παρουσιάζεται ο λέβητας παραγωγής ατμού BioPower 5 CEX. Παρατηρούμε ότι ο λέβητας είναι έτσι σχεδιασμένος ώστε οι υπερθερμαντές του να προστατεύονται από τη θερμική ακτινοβολία. Η θερμική ισχύς εξόδου του λέβητα είναι 17,8 MW th. [33,34] Πίνακας 2.27: Γραφική απεικόνιση BioPower 5 CEX 1. Πρωτεύων υπερθερμαντήρας 2. Δευτερεύων υπερθερμαντήρας 3. Εξατμιστήρας 4. Προθερμαντήρας νερού 5. Τοιχίο εστίας καύσης (τύπου μεμβράνης) Εικόνα 2.49: Λέβητας BioPower 5 CEX

103 Εικόνα 2.50: Διάγραμμα ροής της συναρμολογημένης μονάδας BioPower 5 CEX Πίνακας 2.28: Γραφική απεικόνιση συναρμολογημένης μονάδας BioPower 5 CEX 1. Σχάρα Biograte 2. Λέβητας 3. Ατμοστρόβιλος 4. Γεννήτρια 5. Συμπυκνωτής 6. Εναλλάκτης θερμότητας αέρα 7. Αντλίες 8. Δεξαμενή τροφοδοσίας νερού 9. Αντλίες 10. Επεξεργασία νερού εισαγωγής 11. Βαλβίδα στραγγαλισμού 12. Ηλεκτροστατικό φίλτρο 13. Φυσητήρας αέρα εισαγωγής 14. Φυσητήρας καυσαερίων επανακυκλοφορίας 15. Φυσητήρας καυσαερίων 16. Δεξαμενή συλλογής βρεγμένης τέφρας 17. Δεξαμενή συλλογής ξηρής τέφρας

104 Η μονάδα καύσης βιομάζας BioPower 5 CEX της εταιρίας Wartsila στις εγκαταστάσεις της Heineken UK μπορεί να λειτουργήσει σε δύο καταστάσεις: Ως μονάδα παραγωγής ηλεκτρισμού Ως μονάδα συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας. Ο ατμοστρόβιλος είναι κατασκευασμένος από την ινδική εταιρία Triveni. Ο ατμοστρόβιλος της μονάδας είναι αξονικού τύπου, με μηδενική αντίδραση (R=0), χωρίς αντίθλιψη με μία ελεγχόμενη εξαγωγή ατμού στα 10 bar. Ο ατμός που εξάγεται χρησιμοποιείται σε διάφορες διεργασίες μέσα στο εργοστάσιο και στη προθέρμανση του νερού στη δεξαμενή τροφοδοσίας. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται ορισμένα βασικά χαρακτηριστικά της μονάδας ανάλογα με την κατάσταση λειτουργίας της. Πίνακας 2.29: Βασικά χαρακτηριστικά μονάδας BioPower 5 CEX ανάλογα με την κατάσταση λειτουργίας της Λειτουργία μονάδας BioPower 5 CEX (Heineken UK) Παραγωγή ηλεκτρισμού Συμπαραγωγή ηλεκτρισμού & θερμότητας Θερμική ισχύς καυσαερίων στην έξοδο του λέβητα Θερμοκρασία ατμού στην έξοδο του λέβητα Πίεση ατμού στην έξοδο του λέβητα 17,8 MW th 17,8 MW th 485 C 485 C 64 bar 64 bar Παροχή ατμού στο στρόβιλο 21,7 t/h 21,7 t/h Παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς 4,7 MW el 3,1 MW el Παραγόμενη θερμική ισχύς 0 MW th 7,3 MW th (ατμός) Πίεση ατμού εξαγωγής 0,11 bar 10 bar Η εταιρία Wartsila μέχρι σήμερα έχει εγκαταστήσει πάνω από 100 διατάξεις κωνικής περιστρεφόμενης σχάρας για καύση βιομάζας. Ορισμένες περιπτώσεις παρουσιάζονται στον πίνακα [35] Πίνακας 2.30: Μονάδες παραγωγής ηλεκτρισμού θερμότητας που χρησιμοποιούν λέβητα τύπου κωνικής περιστρεφόμενης σχάρας της εταιρίας Wartsila Όνομα μονάδας Τοποθεσία Τύπος σχάρας Παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς Παραγόμενη θερμική ισχύς Grainger Ιρλανδία BioPower 2 EX 1,9 MW el 3,5 MW th sawmills Renko sawmill Φιλανδία BioPower 2 HW 1,3 MW el 8 MW th Marks Varme Σουηδία BioPower 5 DH 3,5 MW el 16,5 MW th Ltd BioTherm Γερμανία BioPower 5 CEX 5,3 MW el 3,5 MW th Baden plant (Baden Baden) Amel plant Βέλγιο (Amel) BioPower 5 CEX 3,29 MW el 10 MW th

105 Διαχείριση Αποβλήτων - Καυσαερίων Τα λύματα που προκύπτουν από το πρεσάρισμα της βιομάζας για τη μείωση της περιεχόμενης υγρασίας της, οδηγούνται σε μία εγκατάσταση επεξεργασίας λυμάτων που βρίσκεται μέσα στο εργοστάσιο με σκοπό την παραγωγή βιοαερίου το οποίο τροφοδοτεί μία άλλη μονάδα συμπαραγωγής. Μόνο το βιοαέριο που παράγεται από τα λύματα είναι σε θέση να αντικαταστήσει το 15 % της κατανάλωσης φυσικού αερίου της ζυθοποιίας. Ακόμη, αυτού του είδους η βιομάζα, που προέρχεται από σιτηρά είναι πλούσια σε φωσφορικά άλατα, οπότε η τέφρα που προκύπτει από την καύση της διατίθεται ως λίπασμα. Ως καύσιμο τα στερεά απόβλητα των μονάδων ζυθοποιίας - που προέρχονται από επεξεργασία σιτηρών, εμφανίζουν μεγάλη ανομοιομορφία ως προς την χημική τους σύνθεση. Αυτή η ανομοιομορφία οφείλεται στις διαφορετικές μεθόδους που ακολουθεί η κάθε ζυθοποιία αλλά και στις διαφορετικές συνθήκες καλλιέργειας των σιτηρών (πχ λιπάσματα που χρησιμοποιήθηκαν). Είναι γνωστό ότι αυτού του είδους τα καύσιμα περιέχουν αυξημένες ποσότητες αζώτου (5 με 20 φορές περισσότερο σε σχέση με τη ξυλώδη βιομάζα) όπως και θείου αλλά και άλλες χημικές ενώσεις λόγω των λιπασμάτων που έχουν χρησιμοποιηθεί. Κατά την καύση τους παρουσιάζουν τα εξής χαρακτηριστικά : H τέφρα που σχηματίζεται λειώνει σε χαμηλές θερμοκρασίες καύσης, έτσι όταν παρασύρεται από τα καυσαέρια προσκολλάται πάνω στις επιφάνειες των εναλλακτών θερμότητας σχηματίζοντας ένα στρώμα ακαθαρσιών μειώνοντας με αυτόν το τρόπο το συντελεστή μετάδοσης θερμότητας. Γι αυτό το λόγο χρειάζεται ο καθαρισμός τους. Στο συγκεκριμένο λέβητα έχουν τοποθετηθεί ψεκαστήρες ατμού υψηλής πίεσης απέναντι από τους σωλήνες των εναλλακτών με σκοπό την απομάκρυνση αυτών των επικαθίσεων. Ακόμη, προκειμένου να παγιδευτούν τα σωματίδια τέφρας που παρασύρονται από τα καυσαέρια προς την ατμόσφαιρα, έχει τοποθετηθεί στη μονάδα ηλεκτροστατικό φίλτρο λίγο πριν την έξοδό τους. Γενικά όμως ο σχεδιασμός της μονάδας επιδιώκει την κατακράτηση όσο γίνεται μεγαλύτερης ποσότητας τέφρας στη σχάρα. Τα καυσαέρια που προκύπτουν κατά την καύση περιέχουν ενώσεις SO x τα οποία μπορούν να προκαλέσουν διάβρωση των μεταλλικών επιφανειών των εναλλακτών. Τα καυσαέρια που προκύπτουν κατά την καύση περιέχουν ακόμη, ενώσεις ΝO x οι οποίες δεν προκαλούν κάποια φθορά αλλά πρέπει να περιοριστούν για περιβαλλοντικούς λόγους. Ο περιορισμός αυτών των ρύπων με έλεγχο του αέρα καύσης δεν επαρκεί έτσι στη συγκεκριμένη μονάδα χρησιμοποιείται μία μέθοδος SNCR (Selective Non Catalytic Reduction) για τον περιορισμό τους. Έτσι λοιπόν εγχέεται πάνω από το χώρο της καύσης ουρία CO(NH 2 ) 2 ώστε η αμμωνία ΝH 3 που παράγεται με την παρουσία υδρατμών να αντιδράσει με τα οξείδια του αζώτου. Οι εγχυτήρες αμμωνίας είναι έτσι τοποθετημένοι ώστε να εγχέουν μεγαλύτερες ποσότητες αμμωνίας στο κέντρο παρά κοντά στα τοιχώματα. και αυτό διότι εκεί εμφανίζονται υψηλότερες θερμοκρασίες και συνεπώς μεγαλύτερη παραγωγή ΝO. Το αποτέλεσμα των χημικών αυτών αντιδράσεων είναι η μείωση των οξειδίων του αζώτου και η παραγωγή ποσοτήτων αζώτου (N 2 ), διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ), και νερού (H 2 O). Για να λάβουν χώρα αυτού του είδους οι αντιδράσεις μείωσης ΝO x θα πρέπει τα καυσαέρια να βρίσκονται σε μία θερμοκρασία μεταξύ 760 και 1093 C. Σε θερμοκρασίες άνω των 1093 C η αμμωνία διασπάται και παράγεται επιπλέον ΝO. Σε θερμοκρασίες κάτω των 760 C η αμμωνία και το ΝO δεν αντιδρούν. Η αμμωνία η οποία δεν αντιδρά με τα

106 ΝΟ x και διαφεύγει μπορεί να αντιδράσει με άλλες ενώσεις όπως με τα SO 3 και να σχηματίσει ανεπιθύμητα άλατα. Η αποτελεσματικότητα αυτής της μεθόδου μπορεί να φθάσει θεωρητικά και το 90 % όπως δηλαδή και η μέθοδος SCR. Επειδή όμως οι συνθήκες στο χώρο καύσης πολλές φορές μεταβάλλονται όπως για παράδειγμα όταν μεταβάλλονται τα χαρακτηριστικά του καυσίμου, ή δεν διατίθεται αρκετός χρόνος ώστε να πραγματοποιηθούν οι αντιδράσεις ή δεν αναμειγνύονται σωστά οι ροές της αμμωνίας με τη ροή των καυσαερίων ο βαθμός απόδοσης αυτής της μεθόδου πρακτικά είναι μικρότερος. Παρόλα αυτά σε ορισμένες εφαρμογές προτιμάται η μέθοδος SNCR διότι είναι οικονομικότερη μιας και το κόστος του καταλύτη απουσιάζει. Προκειμένου να αντιμετωπισθούν αυτές οι δυσκολίες και να γίνει σωστή διαστασιολόγηση της μονάδας η εταιρία Wartsila έκανε εκτενείς έρευνες και πειράματα τόσο στο χώρο του εργοστασίου Royal Brewery (Manchester) όσο και στα εργαστήρια του ερευνητικού κέντρου VTT της Φιλανδίας. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζεται η ανάλυση των καυσαερίων από τρεις διαφορετικές περιπτώσεις βιομάζας που δοκιμάστηκαν στο λέβητα της Wartsila BioPower 5 CEX. [32] Πίνακας 2.31: Ανάλυση καυσαερίων του λέβητα BioPower 5 CEX για τρεις διαφορετικές περιπτώσεις βιομάζας Συγκριτικός πίνακας ανάλυσης καυσαερίων Βιομάζα από ζυθοποιία Κομματάκια ξύλου (τσιπς) Μείγμα καυσίμου (50:50) Θερμοκρασία Καυσαερίων ( C) Ο 2 (%) 5,8 5 5,9 CO (ppm) NO (ppm) Ο 2 (%) CO (ppm) NO (ppm)

107 Συμπερασματικά Οι δύο μονάδες της Wartsila αποτελούν την πρώτη εργοστασιακή εφαρμογή ενεργειακής αξιοποίησης της απόβλητης βιομάζας από λειτουργία ζυθοποιίας. Η μεγάλη πλειοψηφία των εργοστασίων ζυθοποιίας και των αποστακτήρων διαθέτει τα απόβλητά της ως ζωοτροφές, εδαφοβελτιωτικά, ή πολλές φορές καταλήγουν σε χώρους διάθεσης αποβλήτων. Γενικά, αυτό το καύσιμο μπορεί να χαρακτηρισθεί ως μέσης ποιότητας ενώ τα μικρά κομματάκια ακατέργαστου ξύλου (τσιπς) είναι από τα καλύτερα καύσιμα βιομάζας. Η κωνική περιστρεφόμενη σχάρα BioPower της εταιρίας Wartsila είναι κατάλληλη για μικρές εγκαταστάσεις συμπαραγωγής με μέγιστη παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ γύρω 5 MW el. Το μεγαλύτερο πλεονέκτημά της είναι η πολύ μεγάλη ευελιξία ως προς τη περιεχόμενη υγρασία (έως 65 %) και το μέγεθος των σωματιδίων βιομάζας (έως 300*50*50 mm) που μπορεί να δεχθεί. Αποτελείται από τυποποιημένα - προκατασκευασμένα εξαρτήματα τα οποία μεταφέρονται στο χώρο εγκατάστασης της μονάδας όπου και συναρμολογούνται. Γι αυτό και δεν απαιτείται πολύς χρόνος για την κατασκευή και εγκατάστασή μίας μονάδας BioPower μόλις 12 μήνες. Τέλος, λόγω του ότι μπορεί να γίνει καλός έλεγχος των παροχών του αέρα καύσης επιτυγχάνονται μειωμένες εκπομπές σε NO x και CO. Εικόνα 2.51: Άποψη της μονάδας συμπαραγωγής ηλεκτρισμού - θερμότητας στις εγκαταστάσεις της Heineken UK

108 Εργοστάσιο Συμπαραγωγής Θερμότητας - Ηλεκτρισμού : Greenpower Πίνακας 2.32: Γενικά χαρακτηριστικά εργοστασίου Greenpower Χώρα εγκατάστασης Βέλγιο ( Merksplas ) Έτος έναρξης λειτουργίας 2010 Μέθοδος ενεργειακής αξιοποίησης Καύση σε μηχανή Diesel (20V32) Ισχύς ηλεκτρική 9 MW el Ισχύς θερμική 8,5 ΜW th (σε μορφή θερμού νερού) Βαθμός απόδοσης 85 % Καύσιμο Υγρά βιοκαύσιμα Ιδιοκτήτης Greenpower NV Κόστος κατασκευής Επιδότηση Επιδοτήσεις από Βελγική κυβέρνηση Ανάδοχος έργου Wartsila

109 Λειτουργία Εργοστασίου Σε ένα αγρόκτημα εκτροφής βοοειδών στην περιοχή Koekhoven κοντά στην πόλη Merksplas στο Βέλγιο είναι εγκατεστημένη η μονάδα συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας Greenpower η οποία χρησιμοποιεί ως καύσιμο υγρά βιοκαύσιμα διαφόρων προελεύσεων, κυρίως έλαιο του jatropha. Η μονάδα είναι ιδιοκτησία της εταιρίας Greenpower NV της οποίας το 50 % ανήκει στην εταιρία Thenergo, το 40 % σε τέσσερεις τοπικές γεωργικές επιχειρήσεις και το 10 % σε έναν επενδυτή. Η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια τροφοδοτεί το εθνικό δίκτυο. Η θερμική ενέργεια που παράγεται καλύπτει τις ανάγκες σε θέρμανση ενός θερμοκηπίου καλλιέργειας ντομάτας στην περιοχή καθώς και τις ανάγκες του ξηραντήριου μίας μονάδας παραγωγής βιοαερίου που βρίσκεται εγκατεστημένη στο ίδιο αγρόκτημα. Η μονάδα παραγωγής βιοαερίου επεξεργάζεται αναερόβια κάθε χρόνο τόνους κοπριά μαζί με άλλα οργανικά απόβλητα όπως καλαμπόκι και υπολείμματα από παρακείμενες καλλιέργειες μήλου με αποτέλεσμα το βιοαέριο που παράγεται να τροφοδοτεί τρεις μηχανές ισχύος 1MW el η κάθε μία. [37, 38, 39, 42, 43]

110 Καύσιμο Ως καύσιμο η μονάδα Greenpower χρησιμοποιεί υγρά βιοκαύσιμα. Τα υγρά βιοκαύσιμα είναι καύσιμα τα οποία προέρχονται από ανανεώσιμες πηγές όπως έλαια από ενεργειακές καλλιέργειες φυτών, ή έλαια και λίπη ζωικής προέλευσης από τη βιομηχανία επεξεργασίας τροφίμων όπως επίσης και έλαια που προκύπτουν από την πυρόλυση βιομάζας. Από τα υγρά βιοκαύσιμα μπορεί να προκύψει το βιοντίζελ μετά από τη διαδικασία της μετεστεροποίησης. Η συγκεκριμένη μονάδα είναι εξοπλισμένη με μηχανή diesel της Wartsila η οποία είναι σε θέση να χρησιμοποιεί άμεσα υγρά βιοκαύσιμα χωρίς την ανάγκη μετατροπής τους σε βιοντίζελ. Το κύριο καύσιμο που χρησιμοποιεί η μονάδα είναι έλαιο jatropha το οποίο και εισάγει από το εξωτερικό. To Jatropha curcas είναι ένας θάμνος με υψηλή περιεκτικότητα σε έλαια με μη βρώσιμο καρπό, ο οποίος αναπτύσσεται κυρίως σε άνυδρες περιοχές. Οι σπόροι έχουν περιεκτικότητα σε έλαιο από 30 % έως 40 %, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παρασκευή βιοντίζελ, που κατά την καύση έχει χαμηλές εκπομπές σε ρύπους (τις μισές από τις άκαυστες εκπομπές υδρογόνου και το 1/3 από τις εκπομπές, που παράγονται από το ορυκτό diesel). Το βιοντίζελ από jatropha μπορεί να χρησιμοποιηθεί στις μηχανές εσωτερικής καύσης χωρίς να υπάρχει η ανάγκη για εκτεταμένες τεχνικές τροποποιήσεις. Το Jatropha μπορεί να καλλιεργηθεί σε οριακά εδάφη σε τροπικές και υποτροπικές περιοχές, με άλλα λόγια σε εδάφη τα οποία δεν είναι κατάλληλα για την παραγωγή τροφής. Από την καλλιέργεια ενός στρέμματος Jatropha μπορεί να εξαχθούν 2 τόνοι ελαίου κάθε χρόνο. Στον πίνακα 2.33 στην 3 η στήλη παρουσιάζονται τα βασικά χαρακτηριστικά του ελαίου jatropha. [40] Πίνακας 2.33: Συγκριτικός πίνακας επτά τύπων βιοκαυσίμων Συγκριτικός πίνακας βιοκαυσίμων Μονάδα Προδιαγραφές Μέτρησης Βιοκαυσίμων (Wartsila) Ιξώδες C < Πυκνότητα kg/m C Θείο % μάζας 0,05 <0,05 <0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 Ιζήματα % μάζας 0,05 0,01 <0,01 <0,01 0,01 0,01 <0,01 0,1 Νερό % όγκου 0,2 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 0,11 0,12 0,3 Τέφρα % μάζας 0,05 0,01 <0,01 0,01 0,01 <0,01 <0,01 0,08 Φόσφωρος(max) mg/kg < < Πυρίτιο mg/kg 15 1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 Αλκάλια(Na+K) mg/kg 30 3 < <1 199 Σημείο.ανάφλεξης C 60 >200 >200 >200 > >200 >230 Σημείο ροής C Cloud point C Διάβρωση Όχι Όχι Όχι Όχι Όχι Όχι Όχι μετάλλων Αριθμός οξέων mg.koh/gr ,12 2,5 2,3 7,1 7,8 70,3 Αριθμός ιωδίου ,2 Θερμογόνος δύναμη MJ/kg 36,8 36,8 36,95 37, ,9 36,26 1 Ακατέργαστο λάδι φοίνικα 2 Εξευγενισμένο λάδι φοίνικα 3 Λάδι Jatropha 4 Λάδι από ηλίανθο 5 Λάδι από ψάρια 6 Λάδι από κοτόπουλα 7 Λίπος

111 Παραγωγή ενέργειας Η μονάδα Greenpower για την παραγωγή ενέργειας χρησιμοποιεί τη μηχανή εσωτερικής καύσης υγρών καυσίμων 20V32 της Wärtsilä. Η μηχανή αποτελείται από 20 κυλίνδρους συνολικά σε διάταξη V και ακολουθεί τον κύκλο του Diesel. Το υγρό καύσιμο αφού συμπιεστεί με αντλίες που υποστηρίζονται από τον εκκεντροφόρο, εγχέεται με μία πίεση 1800 bar μέσα στον κύλινδρο με έναν εγχυτήρα υψηλής πίεσης. Το καύσιμο αναφλέγεται ακαριαία λόγω της υψηλούς πίεσης - θερμοκρασίας στην οποία βρίσκεται. Η καύση λαμβάνει χώρα υπό σταθερή πίεση ενώ το καύσιμο ψεκάζεται μέσα στον κύλινδρο παράλληλα με την εξέλιξη της καύσης. Μετά την παραγωγή έργου, η βαλβίδα εξαγωγής ανοίγει προκειμένου να εξαχθούν τα καυσαέρια. Όταν το έμβολο βρίσκεται στο άνω νεκρό σημείο η βαλβίδα εισαγωγής ανοίγει πριν κλείσει η βαλβίδα εξαγωγής προκειμένου ο κύλινδρος να γεμίσει με αέρα. Στις μηχανές της Wärtsilä η βαλβίδα εισαγωγής κλείνει πρώιμα, πριν το έμβολο φθάσει το κάτω νεκρό σημείο. Με αυτόν τον τρόπο η πίεση στον κύλινδρο μειώνεται κατά την εκτόνωση. Συνεπώς προκύπτει λόγος εκτόνωσης μεγαλύτερος από το λόγο συμπίεσης με αποτέλεσμα την αύξηση του βαθμού απόδοσης της μηχανής και τη μείωση της θερμοκρασίας καύσης που οδηγεί σε μειωμένες εκπομπές NO x. Αυτή η μέθοδος ονομάζεται συγχρονισμός του Miller. Εικόνα 2.52: Αρχή λειτουργίας μηχανής εσωτερικής καύσης Diesel Το σύστημα ψύξης του κινητήρα αποτελείται από δύο κυκλώματα, ένα υψηλής θερμοκρασίας και ένα χαμηλότερης. Το κύκλωμα υψηλής θερμοκρασίας ψύχει την κυλινδροκεφαλή, τα τοιχώματα του κυλίνδρου και σε ένα ποσοστό και τον αέρα εισαγωγής μετά τον υπερσυμπιεστή πριν αυτός εισέλθει στον κύλινδρο. Το κύκλωμα χαμηλής θερμοκρασίας ψύχει κατά ένα ποσοστό τον αέρα εισαγωγής και το λάδι λίπανσης της μηχανής. Το συγκεκριμένο σύστημα συμπαραγωγής παρέχει αξιοποιήσιμη θερμότητα μέσω τριών κυκλωμάτων θερμού νερού. Το πρώτο κύκλωμα ανακτά θερμική ενέργεια από τα καυσαέρια της μηχανής σε εναλλάκτη θερμότητας που υπάρχει μέσα σε λέβητα πριν την έξοδό τους στον ατμοσφαιρικό αέρα. Το νερό θερμαίνεται στους 98 C και στη συνέχεια αξιοποιείται για τη θέρμανση ενός θερμοκηπίου στην περιοχή επιστρέφοντας στη μονάδα με μειωμένη θερμοκρασία από 40 C έως 70 C. Το δεύτερο κύκλωμα ανακτά θερμική ενέργεια από το κύκλωμα ψύξης υψηλής θερμοκρασίας της μηχανής τροφοδοτώντας με νερό 90 C τους ξηραντές υψηλής θερμοκρασίας και επιστρέφοντας πίσω σους εναλλάκτες στους 60 C. Τέλος το τρίτο κύκλωμα ανακτά θερμική ενέργεια από τον εναλλάκτη ψύξης του λαδιού λίπανσης και τροφοδοτεί τους ξηραντήρες χαμηλής θερμοκρασίας με νερό 50 C επιστρέφοντας στους εναλλάκτες νερό 38 C. Στην εικόνα 2.53 απεικονίζονται τα κυκλώματα ψύξης της μηχανής - παραγωγής θερμού νερού. [41]

112 Εικόνα 2.53: Κυκλώματα ψύξης της μηχανής diesel που χρησιμοποιεί η μονάδα Greenpower για την παραγωγή θερμού νερού Στην εικόνα 2.54 παρουσιάζεται το διάγραμμα ροής ενέργειας για τη μονάδα συμπαραγωγής Greenpower Εικόνα 2.54: Διάγραμμα ροής ενέργειας για τη μονάδα συμπαραγωγής Greenpower Πίνακας 2.34: Γεωμετρικά χαρακτηριστικά της μηχανής εσωτερικής καύσης Wartsila 20V32 [41] Mηχανή εσωτερικής καύσης Wärtsilä 20V32 Διαδρομή εμβόλου mm 400 Διάμετρος κυλίνδρων mm 320 Ταχύτητα μηχανής rpm Ταχύτητα εμβόλου m/sec 9,6-10 Μήκος mm Πλάτος mm Ύψος mm Βάρος τόνοι

113 Πίνακας 2.35: Τεχνικά χαρακτηριστικά της μηχανής εσωτερικής καύσης Wartsila 20V32 [41] Μηχανή εσωτερική καύσης Wärtsilä 20V32 750rpm (50Hz) 720rpm (60Hz) Ισχύς ηλεκτρική kw Θερμότητα kj/kwh Απόδοση ηλεκτρική % 46,2 46,2 *Περιεκτικότητα καυσαερίων σε NO x ppm-vol Κύκλωμα υψηλής θερμοκρασίας C 79/96 80/96 Είσοδος - Έξοδος Ψύξη αέρα εισαγωγής C 86/96 87/96 κύκλωματος υψηλής θερμοκρασίας Είσοδος - Έξοδος Ψύξη κυλίνδρων C 79/86 80/87 Είσοδος - Έξοδος Κύκλωμα χαμηλής θερμοκρασίας C 38/49 38/48 Είσοδος - Έξοδος Κύκλωμα λαδιού λίπανσης C 63/79 63/79 Είσοδος - Έξοδος Ψύξη αέρα εισαγωγής C 38/43 38/43 κύκλωματος χαμηλής θερμοκρασίας Είσοδος - Έξοδος Παροχή αέρα εισαγωγής kg/sec 17 16,2 Ροή καυσαερίων kg/sec 17,5 16,7 Θερμοκρασία καυσαερίων C Θερμική ενέργεια καυσαερίων kw Θερμική ενέργεια kw Κυκλώματος υψηλής θερμοκρασίας Θερμική ενέργεια από ψύξη αέρα kw εισαγωγής κυκλώματος υψηλής θερμοκρασίας Θερμική ενέργεια από ψύξη kw Κυλίνδρων Θερμική ενέργεια kw Κυκλώματος χαμηλής θερμοκρασίας Θερμική ενέργεια kw από κύκλωμα λαδιού λίπανσης Θερμική ενέργεια από ψύξη αέρα kw εισαγωγής κυκλώματος χαμηλής θερμοκρασίας Θερμικές απώλειες (ακτινοβολία) kw *Η συγκέντρωση NO x 1 ppm vol (κατ όγκο) αντιστοιχεί σε 2054 mg/m 3 ξηρού αέρα με περιεκτικότητα σε Ο 2 15% σε θερμοκρασία 0 C και πίεση kpa

114 Διαχείριση Καυσαερίων Ο κύριος αέριος ρύπος των μηχανών diesel που χρησιμοποιούνται στην ηλεκτροπαραγωγή είναι τα οξείδια του αζώτου ( NO x ). Ο περιορισμός τους ξεκινά με διάφορες μεθόδους μέσα στο θάλαμο καύσης. Έτσι ορισμένα από τα χαρακτηριστικά της μηχανής diesel 20V32 της Wärtsilä είναι: Στο θάλαμο καύσης εισάγεται ελαφρώς πλούσιο μίγμα. Τα εσωτερικά ψυκτικά κανάλια είναι έτσι σχεδιασμένα ώστε να μην φθάνει σε υψηλές θερμοκρασίες η μέση θερμοκρασία του κυλίνδρου και συνεπώς η θερμοκρασία των καυσαερίων διότι η υψηλή θερμοκρασία καυσαερίων ευνοεί το σχηματισμό NO x. Υψηλή σχέση συμπίεσης. (r= V 1 /V 2 ) Πρώιμο κλείσιμο βαλβίδας εισαγωγής (συγχρονισμός του Miller) Πέρα από αυτές τις τεχνικές στη συγκεκριμένη μονάδα χρησιμοποιείται μία μέθοδος επεξεργασίας των καυσαερίων SCR (Selective Catalytic Reduction) προκειμένου να μειωθεί περαιτέρω η περιεκτικότητα των καυσαερίων σε NO x με ποσοστό μείωσης έως και 90%. Αυτή η μέθοδος συνίσταται στη μετατροπή των οξειδίων του αζώτου NO x, με τη βοήθεια καταλύτη σε άζωτο Ν 2 και νερό Η 2 Ο. Η μείωση των NO x λαμβάνει χώρα καθώς τα καυσαέρια διέρχονται μέσα από μία κυψελοειδή δομή στο εσωτερικό ενός θαλάμου στις επιφάνειες της οποίας βρίσκονται συγκεκριμένοι καταλύτες. Πριν τα καυσαέρια εισέρθουν στο θάλαμο όπου υπάρχει αυτή η κυψελοειδή δομή εγχέεται ομοιογενώς στη ροή τους μία αέρια αναγωγική ουσία η οποία θα μπορούσε να είναι αμμωνία ή ουρία. Οι αντιδράσεις μείωσης των NO x γίνονται σε θερμοκρασία από 357 C έως 447 C αλλά μπορούν να λάβουν χώρα και σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, από 227 C, εάν αυξηθεί ο χρόνος διάρκειας των αντιδράσεων. Η κυψελοειδή δομή είναι από κεραμικό υλικό ενώ ως καταλύτες μπορούν να χρησιμοποιηθούν συγκεκριμένα οξείδια μετάλλων όπως το βανάδιο και το βολφράμιο ή ζεόλιθοι ή άλλα πολύτιμα μέταλλα ανάλογα με την κάθε περίπτωση. Ο χρόνος ζωής των συστημάτων SCR μπορεί να μειωθεί σημαντικά από μικρά σωματίδια που υπάρχουν μέσα στα καυσαέρια και τα οποία επικάθονται πάνω στους καταλύτες μειώνοντας το πορώδες τους και από διάφορες ουσίες που μπορούν να δηλητηριάσουν τους καταλύτες. Το πορώδες των καταλυτών δίνει μεγάλη επιφάνεια αντίδρασης και έχει μεγάλη σημασία για τη μείωση των NO x. Τα μικρά σωματίδια μπορούν να απομακρυνθούν με τη βοήθεια φυσητήρων αέρα ή ανεβάζοντας τη θερμοκρασία των καυσαερίων. Οι ουσίες που δηλητηριάζουν αχρηστεύουν τους καταλύτες είναι : ο φώσφορος, το χρώμιο, τα αλκαλικά μέταλλα, τα αλογόνα το αρσενικό, το αντιμόνιο, ο χαλκός και άλλα. Το σύστημα SCR έχει επίσης διάφορα συστήματα μέτρησης των NO x και ελέγχου της ροής ώστε να εξασφαλίζεται μία ομοιόμορφη ροή των καυσαερίων μέσα από τον καταλύτη, μία ομοιογενή κατανομή της αμμωνίας μέσα στα καυσαέρια όπως επίσης και η έγχυση της κατάλληλης ποσότητας αμμωνίας ανάλογα με τα επίπεδα των NO x δηλαδή ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας. Η περιεκτικότητα των καυσαερίων που αποβάλλονται σε NO x είναι μικρότερη από 500 mg/m³ για 5 % O 2. Η μέθοδος SCR εφαρμόζεται σε καύσιμα με περιεκτικότητα σε θείο κάτω από 2 %

115 Εικόνα 2.55: Το σύστημα SCR για τον περιορισμό των NOx που εφαρμόζεται στη μονάδα Greenpower Εικόνα 2.56: Γραφική αναπαράσταση της μονάδας καύσης βιοκαυσίμων Greenpower

116 Συμπερασματικά Οι μηχανές εσωτερικής καύσης αποτελούν τον πιο αποτελεσματικό τρόπο για τη θερμική επεξεργασία υγρών ή αέριων καυσίμων προς παραγωγή ενέργειας. Ο βαθμός απόδοσης των μηχανών εσωτερικής καύσης μπορεί να φθάσει το 48 % ενώ ο βαθμός απόδοσης μίας μονάδας συμπαραγωγής το 90 %. Επίσης ένα πλεονέκτημα που παρουσιάζουν οι μονάδες που αποτελούνται από μία συστοιχία μηχανών εσωτερικής καύσης είναι η δυνατότητα εύκολης προσαρμογής στο φορτίο αφού υπάρχει η δυνατότητα να σταματήσει η λειτουργία μερικών μηχανών τις περιόδους που οι ανάγκες σε ενέργεια είναι μειωμένες. Ακόμη, προκειμένου να γίνει η συντήρησή τους δεν είναι απαραίτητο να σταματήσει η λειτουργία της μονάδας καθώς όσο συντηρούνται ορισμένες μηχανές οι υπόλοιπες μπορούν να βρίσκονται σε λειτουργία. Τέλος, ένας επενδυτής έχει τη δυνατότητα κατασκευής μίας μικρής μονάδας στην αρχή και την επέκτασή της αργότερα με εύκολο τρόπο

117

118 Κεφάλαιο 3 Θερμοχημική Αεριοποίηση 3.1 Γενικά Η μετατροπή της βιομάζας μέσω αεριοποίησης σε ένα κατάλληλο για χρήση αέριο καύσιμο, αυξάνει σημαντικά τη δυνητική αξιοποίηση της βιομάζας ως ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας κάνοντας χρήση τεχνολογιών αεριοποίησης βιομάζας αφορά τις αναπτυγμένες χώρες, διότι αυτή η μέθοδος συγκριτικά με την καύση ορυκτών καυσίμων (ή ακόμα και βιομάζας) είναι πιο φιλική προς το περιβάλλον, αλλά και τις αναπτυσσόμενες χώρες, φτωχές σε ορυκτά καύσιμα, διότι έτσι μπορεί να παραχθεί ηλεκτρική ενέργεια από διάφορες χαμηλού κόστους μορφές βιομάζας σε απομακρυσμένες περιοχές από μονάδες μικρής εγκατεστημένης ισχύος. Θερμοχημική αεριοποίηση ονομάζουμε τη μετατροπή της βιομάζας σε αέριο καύσιμο με θέρμανση, παρέχοντας λιγότερο οξυγόνο από το στοιχειομετρικά απαιτούμενο για την καύση της. Το αέριο που παράγεται μπορεί να τυποποιηθεί σε ποιότητα και είναι πιο εύκολο στη χρήση και την αποθήκευσή του από την αρχική μορφή βιομάζας. Ο συνολικός βαθμός απόδοσης της μετατροπής της βιομάζας σε ενέργεια χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της αεριοποίησης κυμαίνεται μεταξύ 75 % 80 %

119 3.2 Περιγραφή λειτουργίας ενός αντιδραστήρα αεριοποίησης Στους τυπικούς αντιδραστήρες αεριοποίησης λαμβάνουν χώρα οι παρακάτω διεργασίες σε συγκεκριμένες θερμοκρασίες η κάθε μία : Ξήρανση (έως 150 ο C) Πυρόλυση (150 ο C 700 ο C) Καύση (700 ο C 1500 ο C) Αεριοποίηση (800 ο C 1100 ο C) Η πρώτη, η δεύτερη και η τέταρτη διεργασία απορροφούν θερμότητα η οποία προσφέρεται από την εξώθερμη διεργασία της καύσης. Πιο αναλυτικά : Ξήρανση : Κατά τη διάρκεια της ξήρανσης αυξάνεται η θερμοκρασία της βιομάζας και αποβάλλεται η υγρασία της καθώς εκλύονται ατμοί. Πυρόλυση : Κατά τη διάρκεια της πυρόλυσης γίνεται θέρμανση της βιομάζας απουσία οξειδωτικού μέσου και επιτυγχάνεται διαχωρισμός των συστατικών του σε αέρια, υγρά και στερεά παράγωγα : Ελαφρά αέρια (H 2, CO, CO 2, H 2 O, CH 4 ), πτητικοί υδρογονάνθρακες και πίσσες σε αέρια φάση κυρίως της 1 ης και 2 ης κατηγορίας. Εξανθράκωμα : στερεό πορώδες υπόλειμμα που αποτελείται κυρίως από άνθρακα. Πίσσες σε υγρή φάση κυρίως της 3 ης και 4 ης κατηγορίας : Πολυαρωματικές ενώσεις που σχηματίζονται κατά τη θέρμανση και διάσπαση βασικών συστατικών της βιομάζας (όπως κυτταρίνη, ημικυτταρίνη και λιγνίνη ). Αποτελούνται από οργανικές και ανόργανες ουσίες με μοριακά βάρη μεγαλύτερα από το βάρος του βενζενίου (Μ.Β βενζενίου = 78). Είναι μαύρες, πηκτές, διαβρωτικές ουσίες με υψηλό σημείο βρασμού και μπορούμε να τις κατατάξουμε σε τέσσερεις κατηγορίες : 1 η Κατηγορία (μαύρη καμπύλη): μεικτές οξυγονούχες ενώσεις (όπως οργανικά οξέα, αλδεΰδες, κετόνες) που σχηματίζονται στους 400 ο C 500 ο C κατά τη διαδικασία της πυρόλυσης 2 η Κατηγορία (κόκκινη καμπύλη): φαινολικές ενώσεις που σχηματίζονται γύρω στους 600 ο C κατά τη διαδικασία της πυρόλυσης 3 η Κατηγορία (πράσινη καμπύλη): παράγωγα του μεθυλίου που σχηματίζονται στους 800 ο C κατά τη διαδικασία της αεριοποίησης 4 η Κατηγορία (μπλε καμπύλη): ενώσεις που προέρχονται από τη διάσπαση των παραγώγων του μεθυλίου της προηγούμενης κατηγορίας και σχηματίζονται γύρω στους 900 ο C κατά τη διαδικασία της αεριοποίησης

120 Στην εικόνα 3.1 παρουσιάζονται οι θερμοκρασιακές περιοχές που ευνοούν την ανάπτυξη κάθε κατηγορίας πίσσας. [44] Εικόνα 3.1: Θερμοκρασιακές περιοχές που ευνοούν την ανάπτυξη κάθε κατηγορίας πίσσας Οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για τον περιορισμό των πισσών μπορούν να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες : 1. Διάσπαση των χημικών δεσμών των πισσών και ανασχηματισμός άλλων ενώσεων όπως CO και Η 2 ( θερμική διάσπαση, διάσπαση με πλάσμα, διάσπαση με καταλύτη ). 2. Απομάκρυνση των πισσών με μηχανικό τρόπο 3. Απομάκρυνση των πισσών με φυσικό τρόπο (ηλεκτροστατικά φίλτρα, περιστρεφόμενοι διαχωριστές σωματιδίων, κυκλώνες, φίλτρα, διατάξεις πλύσης με νερό, διατάξεις πλύσης με λάδι). Καύση : Η καύση (οξείδωση) της βιομάζας παράγει όλη τη θερμική ενέργεια που απαιτείται για τις υπόλοιπες ενδόθερμες αντιδράσεις. Τα αέρια παράγωγα της καύσης όπως φαίνεται και από τις αντιδράσεις καύσης παρακάτω είναι CO, CO 2 και H 2 O. C + O 2 CO 2 ( - 393,77 kj/mol C) C + 1/2 O2 CO (- 109 kj/mol C) Η 2 + ½ Ο 2 Η 2 Ο ( kj/mol H 2 )

121 Αεριοποίηση : Η αεριοποίηση περιλαμβάνει μία σειρά από ενδόθερμες αντιδράσεις που ενεργειακά υποστηρίζονται από τη διεργασία της καύσης. Συνεπώς η θερμοκρασία μειώνεται κατά τη διάρκεια της αεριοποίησης. Συνολικά το στερεό καύσιμο μετατρέπεται κυρίως σε σταθερά αέρια ( CO, H 2, CO 2, H 2 O και CH 4 ), άλλες ανόργανες ενώσεις με συγκεντρώσεις της τάξης των ppmv ( H 2 S, COS, HCl, NH 3, HCN), ενώσεις βαρέων υδρογονανθράκων (πίσσες), ενώ απομένει κάποιο ποσοστό στερεού εξανθρακώματος και τέφρας ( κυρίως μεταλλικά ανόργανα συστατικά). Στην αεριοποίηση προστίθεται μικρή ποσότητα οξυγόνου (περίπου % του στοιχειομετρικά απαιτούμενου αέρα για την πλήρη καύση). Η αεριοποίηση θεωρείται πλήρης (100 % μετατροπή άνθρακα) όταν όλα τα στοιχεία (εκτός των ανόργανων) είναι στην ίδια φάση, την αέρια. Οι βασικότερες αντιδράσεις αεριοποίησης βιομάζας είναι οι πρώτες δύο και ακολουθούν και άλλες : Ετερογενής αντίδραση μετατόπισης ( water gas reaction ). Μερική οξείδωση του άνθρακα με ατμό ο οποίος μπορεί να προέρχεται από υδρατμούς του αέρα εισόδου ή από τα παράγωγα της πυρόλυσης και καύσης. C + Η 2 Ο Η 2 + CO ( + 131,38 kj/mol C ) Αντίδραση boudouard ( boudouard reaction). Το διοξείδιο του άνθρακα αντιδρά με τα υπολείμματα άνθρακα για παραγωγή μονοξειδίου του άνθρακα. C + CΟ 2 2CO ( + 172,58 kj/mol C ) Αντίδραση μετατόπισης ( shift conversion ). Αυτή η αντίδραση λαμβάνει χώρα σε θερμοκρασίες άνω των 700 ο C και μετά από ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα το παραγόμενο αέριο λαμβάνει μία σύνθεση ισορροπίας. Κάτω από αυτή τη θερμοκρασία οι συγκεντρώσεις των συστατικών του παραγόμενου αερίου δε μεταβάλλονται. CΟ + Η 2 Ο Η 2 + CO 2 ( - 41,98 kj/mol CΟ ) Αντίδραση σχηματισμού μεθανίου ( methanation). C + 2Η 2 CΗ 4 ( - 74,90 kj/mol C ) Επίσης, λαμβάνουν χώρα και οι παρακάτω αντιδράσεις αλλά σε μικρότερη κλίμακα: C +2H 2 O CO 2 + 2H 2 (+ 88 kj/mol C) CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 (+ 205 kj/mol CH 4 )

122 Όλες οι παραπάνω αντιδράσεις είναι αμφίδρομες και μπορούν να εξελιχθούν είτε προς τα δεξιά είτε προς τα αριστερά ανάλογα με τις συνθήκες θερμοκρασίας, πίεσης και συγκέντρωσης αντιδρώντων στοιχείων που επικρατούν. Συνεπώς το παραγόμενο αέριο από αεριοποίηση βιομάζας αποτελείται κυρίως από ένα μίγμα CO, CO 2, CH 4, H 2 και H 2 O ( και Ν 2 αν χρησιμοποιήσουμε αέρα ως μέσο αεριοποίησης) με την τελική σύνθεση του να εξαρτάται από την πρώτη ύλη, τις συνθήκες αεριοποίησης και τη θερμοκρασία στην οποία γίνεται η διεργασία. Μία τυπική σύνθεση αερίου αεριοποίησης παρουσιάζεται στον πίνακα 3.1. Στην πρώτη περίπτωση αεριοποιούμε ξύλα με 20 % υγρασία και στη δεύτερη κάρβουνο με 7 % υγρασία. [49] Πίνακας 3.1 : Τυπική σύνθεση αερίου αεριοποίησης Συστατικό Σύνθεση % κατ όγκο Αέριο από ξύλα Αέριο από κάρβουνα Άζωτο (N 2 ) Διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) Μονοξείδιο του άνθρακα (CO) Υδρογόνο (H 2 ) Μεθάνιο (CH 4 ) Θερμογόνος δύναμη (MJ/m 3 ) 5-5,9 4,5-5,6 Αναλόγως το μέσο αεριοποίησης, τις συνθήκες και τον τρόπο αεριοποίησης που θα χρησιμοποιήσουμε μπορούμε να επιτύχουμε αέριο αεριοποίησης διαφορετικής θερμογόνου δύναμης. Όταν χρησιμοποιούμε αέρα ως μέσο αεριοποίησης τότε προκύπτει αέριο χαμηλής θερμογόνου δύναμης (4 6 MJ/Nm 3 ) λόγω του αζώτου. Όταν χρησιμοποιούμε οξυγόνο τότε προκύπτει αέριο μεγαλύτερης θερμογόνου δύναμης (10 15 MJ/Nm 3 ) ενώ μπορούμε να αυξήσουμε ακόμη περισσότερο τη θερμογόνο δύναμη αν χρησιμοποιήσουμε μείγμα οξυγόνου και ατμού (13 20 MJ/Nm 3 ). Τέλος αν χρησιμοποιήσουμε υδρογόνο λαμβάνουμε αέριο με την υψηλότερη δυνατή θερμογόνο δύναμη (40 MJ/Nm 3 ). Από όλα τα παραπάνω περισσότερο χρησιμοποιείται ο αέρας ως μέσο αεριοποίησης λόγω του σημαντικά μικρότερου κόστους. Η θερμική του όμως αξία δεν είναι αρκετά υψηλή ώστε να δικαιολογεί την κατανάλωση ενέργειας για την συμπίεσή του ή την κατασκευή ειδικών σωληνώσεων (τα οποία ελαχιστοποιούν τις διαρροές) για τη μεταφορά του, όπως του φυσικού αερίου. Η κατανάλωση δηλαδή του αερίου είναι πιο συμφέρουσα όταν γίνεται στο σημείο στο οποίο παράγεται. Εάν το αέριο αεριοποίησης που προκύπτει είναι μέσης ή υψηλής θερμογόνου δύναμης, μπορεί εκτός από καύσιμο να χρησιμοποιηθεί και για την παραγωγή χημικών ουσιών όπως το μεθάνιο και η μεθανόλη. Οι περισσότερες αντιδράσεις που συντελούνται κατά τη αεριοποίηση είναι ενδόθερμες έτσι διακρίνουμε τους αντιδραστήρες αεριοποίησης οι οποίοι παρέχουν την αναγκαία θερμότητα αποκλειστικά από την καύση των αντιδρώντων συστατικών, όπως συμβαίνει αν το οξειδωτικό μέσο είναι αέρας ή οξυγόνο και αυτούς που λαμβάνουν θερμότητα και από εξωτερική πηγή, αν χρησιμοποιούμε και ατμό. Στην πρώτη περίπτωση οι αντιδραστήρες ονομάζονται αυτοθερμικοί (πιο συνηθισμένη περίπτωση) και στη δεύτερη περίπτωση αλλοθερμικοί. [48, 49]

123 3.3 Χαρακτηριστικά καυσίμου κατάλληλου για αντιδραστήρες αεριοποίησης Υγρασία: Η περιεκτικότητα σε υγρασία της βιομάζας θα πρέπει να είναι μεταξύ 10 % - 15 % του βάρους της, πριν την αεριοποίηση. Όταν η εισαγόμενη βιομάζα περιέχει αυξημένα ποσοστά υγρασίας (π.χ άνω του 30 %) τότε παρουσιάζονται δυσκολίες κατά την ανάφλεξή της ενώ παρατηρείται και μείωση της θερμογόνου δύναμης του παραγόμενου αερίου. Αυτό οφείλεται εν μέρει στην ανάγκη να εξατμιστεί η επιπλέον υγρασία πριν την έναρξη των επόμενων διεργασιών καύσης και αεριοποίησης. Ακόμη, υψηλές περιεκτικότητες σε υγρασία μειώνουν τη θερμοκρασία που επικρατεί στη ζώνη καύσης με αποτέλεσμα να μειώνεται η έκλυση αερίων κατά τη διαδικασία της πυρόλυσης και συνεπώς η ποσότητα του CO που περιέχεται στο παραγόμενο αέριο να είναι μειωμένη. Βέβαια, υψηλές περιεκτικότητες σε υγρασία ενισχύουν την παραγωγή Η 2 σύμφωνα με την εξίσωση αεριοποίησης (3) η οποία με τη σειρά της ενισχύει την παραγωγή CH 4 σύμφωνα με την εξίσωση αεριοποίησης (4). Παρόλη όμως την αύξηση της περιεκτικότητας του παραγόμενου αερίου σε Η 2 και CH 4 η θερμογόνος δύναμή του εμφανίζεται μειωμένη με αύξηση της υγρασίας της εισαγόμενης βιομάζας. Για τους παραπάνω λόγους επιδιώκεται η μείωση της υγρασίας της εισαγόμενης βιομάζας με ξηραντές που χρησιμοποιούν την απορριπτόμενη θερμότητα από τα καυσαέρια και τα συστήματα ψύξης της μηχανής. Οι ατμοί που εκλύονται από τη βιομάζα κατά τη διάρκεια της ξήρανσης περιέχουν διάφορες πτητικές οργανικές ενώσεις, κυρίως τερπένια. Γι αυτό το λόγο είναι απαραίτητη η επεξεργασία αυτών των ατμών πριν ελευθερωθούν στην ατμόσφαιρα. Τέφρα: Ως τέφρα ορίζουμε τα στερεά μη οργανικά συστατικά της βιομάζας που παραμένουν μετά την ολοκλήρωση της καύσης. Η περιεκτικότητα σε τέφρα ποικίλει ανάλογα με το είδος της βιομάζας από 0,1 % στα ξύλα μέχρι και 15 % σε ορισμένες περιπτώσεις βιομάζας αγροτικής προέλευσης. Σε αντιδραστήρες αεριοποίησης συνιστάται να είναι λιγότερο από 5 %. Ο σχεδιασμός του αντιδραστήρα και ιδίως το σύστημα συλλογής και απομάκρυνσης της τέφρας, θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη την περιεκτικότητα τέφρας της βιομάζας που πρόκειται να χρησιμοποιηθεί. Η χημική σύνθεση της τέφρας έχει μεγάλη σημασία διότι καθορίζει το σημείο τήξης. Αν η θερμοκρασία καύσης υπερβεί το σημείο τήξης της τέφρας τότε δημιουργούνται ανεπιθύμητες επικαθίσεις στο χώρο του αντιδραστήρα. Μέγεθος σωματιδίων εισερχόμενης βιομάζας: Το μέγεθος των σωματιδίων της βιομάζας που τροφοδοτούμε τον αντιδραστήρα αεριοποίησης συνήθως κυμαίνεται μεταξύ mm και εξαρτάται από τη διάμετρο της εστίας του αντιδραστήρα. Εάν τα σωματίδια βιομάζας είναι μεγαλύτερων διαστάσεων τότε δυσχεραίνουν το σύστημα τροφοδοσίας ενώ αν είναι μικρότερων τότε δεν επιτρέπουν τη δημιουργία απαραίτητων για τη λειτουργία του αντιδραστήρα, περασμάτων αέρα. Πυκνότητα σωματιδίων εισερχόμενης βιομάζας : Γενικά παρατηρούνται μεγάλες διακυμάνσεις πυκνότητας στα είδη βιομάζας που χρησιμοποιούνται για αεριοποίηση ( kg/m 3 ) που εξαρτάται και από τον τρόπο που διατίθεται η βιομάζα (σε τσιπς, σε δέματα, χύμα). Όταν η βιομάζα διατίθεται σε μικρή πυκνότητα τότε δημιουργούνται δυσχέρειες στην αποθήκευση, μεταφορά και γενικά στο χειρισμό της. Επίσης, βιομάζα μικρής πυκνότητας συχνά οδηγεί σε μη ολοκληρωμένη αεριοποίηση και με αυτόν τον τρόπο σε περιορισμό των δυνατοτήτων του αντιδραστήρα. Πτητικά : Βιομάζα με υψηλή περιεκτικότητα πτητικών είναι πιο δραστική και μετατρέπεται ευκολότερα σε αέρια καύσιμα, είναι δηλαδή κατάλληλη για αεριοποίηση, όμως το αέριο καύσιμο που παράγεται διακρίνεται από υψηλή περιεκτικότητα σε πίσσες που δυσχεραίνει τον καθαρισμό του. [49]

124 3.4 Είδη αντιδραστήρων αεριοποίησης βιομάζας Οι πιο συνηθισμένοι αντιδραστήρες αεριοποίησης είναι αυτοί του ενός σταδίου, δηλαδή χρησιμοποιούν αποκλειστικά ένα αντιδραστήρα για να μετατρέψουν το καύσιμο σε αέριο και είναι οι πλέον απλοί στην κατασκευή τους. Η ποιότητα όμως του αερίου που δίνουν δεν είναι ιδιαίτερα υψηλή, καθώς περιέχει αρκετές προσμίξεις και άκαυστα. Για αυτό το λόγο δημιουργήθηκαν οι αντιδραστήρες αεριοποίησης πολλαπλών σταδίων, οι οποίοι πραγματοποιούν πρώτα την πυρόλυση και στη συνέχεια σε ένα δεύτερο στάδιο πραγματοποιούν την αεριοποίηση των προϊόντων της πυρόλυσης. Οι αντιδραστήρες αυτοί μπορεί να είναι παράλληλοι ή σε σειρά. Παρακάτω περιγράφονται οι τύποι αντιδραστήρων του ενός σταδίου που εμφανίζονται στις περισσότερες εφαρμογές. Το είδος του αντιδραστήρα που πρέπει κάποιος να επιλέξει εξαρτάται από το διαθέσιμο καύσιμο και τη χρήση του παραγόμενου αερίου αεριοποίησης. 3.5 Αντιδραστήρες αεριοποίησης σταθερής κλίνης ή πυκνής μορφής (fixed bed reactors) Οι αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου σταθερής κλίνης ή αλλιώς πυκνής μορφής είναι οι πρώτοι που δημιουργήθηκαν. Κύριο χαρακτηριστικό τους είναι ότι η καύσιμη ύλη καλύπτει όλο σχεδόν το χώρο του αντιδραστήρα σε αντίθεση με τους αντιδραστήρες αεριοποίησης αραιής μορφής όπου το καύσιμο καλύπτει ένα μικρό μέρος μόνο του αντιδραστήρα. Οι αντιδραστήρες αυτοί είναι οι μόνοι κατάλληλοι για εγκαταστάσεις μικρής κλίμακας. Μπορούν να χωριστούν ανάλογα με τη σχετική κίνηση που ακολουθούν το καύσιμο και το μέσο αεριοποίησης. Έτσι, διακρίνουμε τους παρακάτω βασικούς τύπους:

125 3.5.1 Αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου ανοδικής ροής (updraft) ή αντιροής Εικόνα 3.2 : Αντιδραστήρας αεριοποίησης τύπου ανοδικής ροής και θερμοκρασιακό προφίλ Ο συγκεκριμένος τύπος αντιδραστήρα είναι ο απλούστερος αντιδραστήρας αεριοποίησης και ο πρώτος που κατασκευάστηκε. Συνήθως σε αυτούς χρησιμοποιούνται καύσιμα που παράγουν μικρές ποσότητες πίσσας, όπως κάρβουνο. Η βιομάζα εισέρχεται στον αντιδραστήρα από το άνω μέρος και μετακινείται προς το κάτω μέρος καθώς αυτή μετατρέπεται σταδιακά σε αέριο αεριοποίησης και τέφρα. Το μέσο αεριοποίησης (συνήθως ατμοσφαιρικός αέρας) εισέρχεται στον αντιδραστήρα από το κάτω μέρος και συμμετέχει στις αντιδράσεις οξείδωσης. Επειδή πολλές φορές στη βάση του αντιδραστήρα αναπτύσσεται υψηλή θερμοκρασία που μπορεί να καταστρέψει τη σχάρα, εισάγουμε ποσότητες ατμού ή CO 2 όταν θέλουμε να τη μειώσουμε. Το παραγόμενο αέριο αεριοποίησης εξέρχεται από το άνω μέρος του αντιδραστήρα. Δηλαδή η ροή της βιομάζας και αυτή του αέρα εισόδου ακολουθούν αντίθετες κατευθύνσεις (αντιδραστήρες αντιροής). Η βιομάζα καθώς μετακινείται προς το κάτω μέρος του αντιδραστήρα, διέρχεται διαδοχικά από 4 περιοχές όπου λαμβάνουν χώρα οι αντίστοιχες διεργασίες : Ξήρανση, Πυρόλυση, Αεριοποίηση και Καύση. Στην περιοχή της ξήρανσης η βιομάζα χάνει μέρος της υγρασίας της. Στη ζώνη πυρόλυσης η βιομάζα διασπάται σε διάφορα πτητικά αέρια, πίσσα και σε στερεά ανθρακούχα υπολείμματα. Η θερμότητα που απαιτείται στη ζώνη ξήρανσης, πυρόλυσης και αεριοποίησης εξασφαλίζεται κυρίως από τα θερμά ανοδικά αέρια (θέρμανση με συναγωγή) που προέρχονται από τη ζώνη καύσης. Στη ζώνη αεριοποίησης διάφορες αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα με αποτέλεσμα την παραγωγή κυρίως υδρογόνου και μονοξειδίου του άνθρακα. Τέλος στη ζώνη καύσης τα στερεά ανθρακούχα υπολείμματα καίγονται παράγοντας την απαιτούμενη θερμότητα, διοξείδιο του άνθρακα και υδρατμούς που χρειάζονται στα παραπάνω στάδια. Τα κύρια πλεονεκτήματα αυτών των αντιδραστήρων αεριοποίησης είναι η απλότητα της κατασκευής τους και ο υψηλός βαθμός απόδοσης που παρουσιάζουν λόγω του ότι η θερμοκρασία του παραγόμενου αερίου αεριοποίησης στην έξοδο δε λαμβάνει υψηλές τιμές. Επίσης στους συγκεκριμένους αντιδραστήρες μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε βιομάζα με αυξημένα ποσοστά υγρασίας (π.χ 60 %). Ακόμη οι αντιδραστήρες ανοδικής ροής επιτρέπουν μία σχετική ανομοιογένεια στο μέγεθος των σωματιδίων της εισερχόμενης βιομάζας

126 Ένα σημαντικό μειονέκτημα που παρουσιάζουν οι συγκεκριμένοι αντιδραστήρες είναι οι αυξημένες ποσότητες πίσσας στο παραγόμενο αέριο αεριοποίησης. Αυτό συμβαίνει διότι τα προϊόντα της πυρόλυσης δε διέρχονται από τη ζώνη καύσης ώστε να οξειδωθούν. Οι αυξημένες ποσότητες πίσσας αποτελούν πρόβλημα όταν το αέριο αεριοποίησης τροφοδοτεί μία μηχανή εσωτερικής καύσης. Σε αυτή την περίπτωση είναι απαραίτητη μία επεξεργασία καθαρισμού του αερίου πριν τη χρήση του. Τέλος, οι αντιδραστήρες ανοδικής ροής δε μπορούν να προσαρμοστούν γρήγορα σε αλλαγές στη ζήτηση του παραγόμενου αερίου λόγω της σχετικά μεγάλου μεγέθους ζώνης καύσης. [45,46,47,49,51]

127 3.5.2 Αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου καθοδικής ροής (downdraft) ή ομοροής Εικόνα 3.3: Αντιδραστήρας αεριοποίησης τύπου καθοδικής ροής και θερμοκρασιακό προφίλ Στους αντιδραστήρες καθοδικής ροής η βιομάζα εισέρχεται στον αντιδραστήρα από το άνω μέρος του ενώ ο αέρας εισάγεται χαμηλότερα από τα πλαϊνά τοιχώματά του. Συνήθως στην περιοχή εισαγωγής του αέρα διαμορφώνεται μία στένωση η οποία συμβάλει ώστε η θερμοκρασία στη ζώνη καύσης να διατηρείται σταθερή αλλά και στην κίνηση του παραγόμενου αερίου. Το παραγόμενο αέριο αεριοποίησης εξέρχεται από τη βάση του αντιδραστήρα και η ροή του έχει την ίδια κατεύθυνση με αυτή της βιομάζας (ομοροής). Οι συγκεκριμένοι αντιδραστήρες είναι οι πιο κατάλληλοι για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ο χρόνος προσαρμογής τους σε αλλαγές του φορτίου είναι μεγαλύτερος από αυτόν ενός αντιδραστήρα διασταυρούμενης ροής αλλά μικρότερος από αυτόν ενός αντιδραστήρα ανοδικής ροής. Η βιομάζα καθώς μετακινείται προς τη βάση του αντιδραστήρα διέρχεται διαδοχικά από τη ζώνη ξήρανσης και στη συνέχεια από τη ζώνη πυρόλυσης. Αυτές περιοχές θερμαίνονται κυρίως με ακτινοβολία προερχόμενη από τη ζώνη καύσης που ακολουθεί όπου καίγεται ένα ποσοστό από τα στερεά ανθρακούχα υπολείμματα και τα παραγόμενα αέρια από τη ζώνη πυρόλυσης. Το ποσοστό των αερίων πυρόλυσης που θα καούν στη ζώνη καύσης εξαρτάται από το σχεδιασμό του αντιδραστήρα, το είδος της βιομάζας και τις ρυθμίσεις λειτουργίας από τον χειριστή. Μετά τη ζώνη καύσης τα στερεά ανθρακούχα υπολείμματα καθώς και τα παραγόμενα αέρια καύσης, διοξείδιο του άνθρακα και υδρατμοί, εισέρχονται στη ζώνη αεριοποίησης όπου και σχηματίζονται ποσότητες CO και H 2. Το κυριότερο πλεονέκτημα των αντιδραστήρων αεριοποίησης καθοδικής ροής είναι ότι το παραγόμενο αέριο αεριοποίησης έχει μικρή περιεκτικότητα σε πίσσες που το κάνει κατάλληλο για χρήση σε μηχανές εσωτερικής καύσης. Στην πράξη βέβαια, δεν είναι δυνατόν να παραχθεί ένα αέριο αεριοποίησης το οποίο να μην περιέχει καθόλου πίσσες στη σύνθεσή του. Αυτό συμβαίνει διότι πάντα υπάρχουν ορισμένες μικρές ποσότητες πίσσας οι οποίες δεν προλαβαίνουν να καούν όταν αυτές διέρχονται από τη ζώνη καύσης. Στην πλήρη φόρτιση του αντιδραστήρα όπου η θερμοκρασία είναι υψηλότερη από τη θερμοκρασία σε μερική φόρτιση, παρατηρούνται μειωμένες συγκεντρώσεις πίσσας στο παραγόμενο αέριο. Αυτού του είδους οι αντιδραστήρες αεριοποίησης χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές που κυμαίνονται από 80 μέχρι 500 kw el

128 Ένα βασικό μειονέκτημα των αντιδραστήρων αεριοποίησης καθοδικής ροής είναι η μεγάλη περιεκτικότητα του παραγόμενου αερίου σε τέφρα και σωματίδια σκόνης λόγω της διέλευσής του από τη ζώνη καύσης λίγο πριν την έξοδό του από τον αντιδραστήρα. Ακόμη, η τέφρα περιέχει σχετικά υψηλές ποσότητες άκαυστων ανθρακούχων σωματιδίων. Επίσης, στους αντιδραστήρες αυτού του τύπου το μέγεθος των σωματιδίων της εισερχόμενης βιομάζας θα πρέπει να είναι ορισμένων προδιαγραφών και να κυμαίνεται μεταξύ 4 και 10 cm έτσι ώστε να μην εμποδίζεται η ροή των αερίων πυρόλυσης προς το κάτω μέρος του αντιδραστήρα και η ροή θερμότητας από τη ζώνη καύσης προς το άνω μέρος του αντιδραστήρα. Γι αυτό το λόγο η βιομάζα συνηθίζεται να εισάγεται σε αυτούς τους αντιδραστήρες σε μορφή πέλετ ή μπρικέτας. Το περιεχόμενο σε υγρασία της εισερχόμενης βιομάζας θα πρέπει να είναι λιγότερο από 25%. Τέλος, η σχετικά υψηλή θερμοκρασία του αερίου αεριοποίησης κατά την έξοδό του από την αντιδραστήρα έχει ως αποτέλεσμα μικρότερο βαθμό απόδοσης της διαδικασίας αεριοποίησης. [45, 47, 49, 51]

129 3.5.3 Αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου διασταυρούμενης ροής (sidedraft) Εικόνα 3.4: Αντιδραστήρας αεριοποίησης τύπου διασταυρούμενης ροής Οι αντιδραστήρες αεριοποίησης διασταυρούμενης ροής συνήθως χρησιμοποιούνται για τη αεριοποίηση βιομάζας μικρής περιεκτικότητας σε πίσσες και πτητικά, όπως για παράδειγμα κάρβουνο και μόνο σε πολύ μικρές εγκαταστάσεις (< 10 KW el ). Η αεριοποίηση του κάρβουνου σε συνδυασμό με τη μεγάλη ταχύτητα με την οποία εισάγεται το μέσο αεριοποίησης μέσω ενός στομίου στα πλαϊνά του αντιδραστήρα, οδηγεί σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες σε μία μικρή ζώνη οξείδωσης (>1500 ο C). Παράγεται έτσι ένα αέριο αεριοποίησης χαμηλής περιεκτικότητας σε πίσσες επιτρέποντας τη χρήση του σε μία μηχανή εσωτερικής καύσης. Η βιομάζα καύσιμο και η στάχτη προσφέρουν μία θερμική μόνωση στα τοιχώματα του αντιδραστήρα επιτρέποντας την κατασκευή τους από μαλακό χάλυβα. Μόνο το στόμιο και η σχάρα θα πρέπει να είναι κατασκευασμένα από πυρίμαχα υλικά ή να έχουν κάποιο σύστημα ψύξης με αέρα ή νερό. Λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που αναπτύσσονται το καύσιμο θα πρέπει να έχει μικρή περιεκτικότητα σε τέφρα ώστε να αποφεύγονται οι επικαθίσεις που δημιουργούνται κατά τη τήξη της. Επίσης σε αυτούς τους αντιδραστήρες πρέπει να χρησιμοποιείται υψηλής ποιότητας καύσιμο που να μην παράγει μεγάλες ποσότητες πίσσας. Το μέγεθος των σωματιδίων βιομάζας που εισάγεται μέσα στον αντιδραστήρα θα πρέπει να επιτρέπει μία ομαλή ροή της βιομάζας προς το κάτω μέρος του αντιδραστήρα. Όταν δημιουργούνται εμπόδια βιομάζας τα οποία πέφτουν απότομα στη ζώνη καύσης χωρίς να έχουν μείνει στη ζώνη πυρόλυσης όσο χρειάζεται οδηγούμαστε στιγμιαία στην παραγωγή αερίου αεριοποίησης υψηλής περιεκτικότητας σε πίσσα. Οι συγκεκριμένοι αντιδραστήρες μπορούν να προσαρμοστούν πιο γρήγορα από κάθε άλλον αντιδραστήρα σε αυξομειώσεις στη ζήτηση του παραγόμενου αερίου αεριοποίησης λόγου του μικρού σχετικά μεγέθους της ζώνης καύσης. [45, 47, 49, 51]

130 3.5.4 Αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου ανοιχτής κορυφής (open core) Εικόνα 3.5 : Αντιδραστήρας αεριοποίησης τύπου ανοιχτής κορυφής Οι αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου ανοιχτής κορυφής είναι μεταγενέστερης κατασκευής από τους προηγούμενους και χρησιμοποιούνται για αεριοποίηση βιομάζας μεγάλης περιεκτικότητας σε τέφρα. Τα σωματίδια βιομάζας που εισάγονται από το πάνω μέρος επιλέγεται να είναι μικρών διαστάσεων και με μικρή πυκνότητα. Στην πράξη, στους συγκεκριμένους αντιδραστήρες έχουν χρησιμοποιηθεί μόνο σωματίδια βιομάζας από φλοιό ρυζιού. Ο αντιδραστήρας τύπου ανοιχτής κορυφής παρουσιάζει ομοιότητες με τον αντιδραστήρα καθοδική&si