ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ, ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΜΟΝΑ ΑΣ ΡΕΥΣΤΟΣΤΕΡΕΑΣ ΚΛΙΝΗΣ ΜΕ ΑΝΑΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ ΚΑΤΑΛΥΤΗ ΓΙΑ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΗ ΠΥΡΟΛΥΣΗ ΒΟΜΑΖΑΣ

Transcript

1 ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ, ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΜΟΝΑ ΑΣ ΡΕΥΣΤΟΣΤΕΡΕΑΣ ΚΛΙΝΗΣ ΜΕ ΑΝΑΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ ΚΑΤΑΛΥΤΗ ΓΙΑ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΗ ΠΥΡΟΛΥΣΗ ΒΟΜΑΖΑΣ Σ.Σ.Βουτετάκης, Α.Α.Λάππας, Ε.Α. Αντωνάκου και Ι.Α.Βασάλος Ινστιτούτο Τεχνικής Χηµικών ιεργασιών, 6ο χλµ. Χαριλάου-Θέρµης, Τ.Θ. 361, Θέρµη, Θεσσαλονίκη ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται ο σχεδιασµός και η κατασκευή µιας πιλοτικής µονάδας ρευστοστερεάς κλίνης µε ανακυκλοφορία καταλύτη που πραγµατοποιήθηκε στο Εργαστήριο Περιβαλλοντικών Καυσίµων και Υδρογονανθράκων του ΙΤΧΗ. Περιγράφεται αναλυτικά η µονάδα και το σύστηµα αυτόµατου ελέγχου και δίνονται τα πρώτα πειραµατικά αποτελέσµατα πυρόλυσης βιοµάζας. ίνεται επίσης µια σύγκριση των πρώτων αποτελεσµάτων της µονάδας σε σχέση µε µονάδα εργαστηριακής κλίµακας σταθερής κλίνης που λειτουργεί ήδη στο εργαστήριο. Το κύριο συµπέρασµα από τη µέχρι σήµερα λειτουργία της µονάδας είναι ότι αυτή µπορεί να λειτουργεί ικανοποιητικά παρουσία αδρανούς στερεού υλικού και να δώσει ικανοποιητικά ισοζύγια µάζας. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η πυρόλυση είναι η βασική θερµοχηµική διαδικασία µετατροπής της βιοµάζας σε υγρό καύσιµο. Περιλαµβάνει τη θέρµανση απουσία οξυγόνου, ή την καύση µε περιορισµένη παροχή οξυγόνου και οδηγεί στην παραγωγή ενός αερίου µίγµατος υδρογονανθράκων, ενός ελαιώδους υγρού και ενός στερεού υπολλείµατος µεγάλης περιεκτικότητας σε άνθρακα [1]. Η χρήση καταλυτών µπορεί να βελτιώσει την ποιότητα των υγρών προϊόντων ελαττώνοντας την ποσότητα των καρβονυλίων και αυξάνοντας τη σταθερότητα των προϊόντων. Η πυρόλυση βιοµάζας έχει µέχρι στιγµής µελετηθεί σε διάφορους τύπους αντιδραστήρων, όπως: ρευστοστερεάς κλίνης, κυκλονικοί και αντιδραστήρες κενού [2,3]. Οι µεγάλης κλίµακας εφαρµογές είναι γενικά περιορισµένες εξαιτίας των σηµαντικών λειτουργικών προβληµάτων που έχουν εµφανίσει αλλά και του υψηλού κόστους που απαιτείται για την αναβάθµιση των προϊόντων της πυρόλυσης [4]. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Περιγραφή πειραµατικής µονάδας Η πιλοτική µονάδα αναβάθµισης προιόντων βιοµάζας κατασκευάστηκε και λειτουργεί στις εγκαταστάσεις του ΕΙΤΧΗ. Η κατασκευή βασίστηκε σε εξοπλισµό µιας µονάδας Retort της εταιρίας Amoco Oil. Το σύστηµα αυτοµατοποίησης και ελέγχου επανασχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε σύµφωνα µε σύγχρονα συστήµατα αυτοµατισµού διεργασιών. Η µονάδα αποτελείται από µια σειρά ρευστοστερεών κλινών όπου το στερεό υλικό µεταφέρεται από κλίνη σε κλίνη προµηθεύοντας θερµότητα για τις αντιδράσεις που πραγµατοποιούνται µέσα στην µονάδα. Ακολουθεί αναλυτική περιγραφή των διαφόρων µερών της µονάδας ενώ στο Σχήµα 1 απεικονίζεται το απλοποιηµένο διάγραµµα ροής της διεργασίας. Tροφοδοσία καταλύτη ή αδρανών στερεών Πρόκειται για ένα δοχείο 8 lt που περιλαµβάνει στερεό υπό µορφή ρευστοστερεάς κλίνης ικανού όγκου ώστε να παρέχει τροφοδοσία στερεών προς τον αντιδραστήρα για περίπου 2

2 ώρες. Έχει τη δυνατότητα να θερµάνει αυτό το στερεό στους 1500 ο F. Μια σειρά θερµοστοιχείων χρησιµοποιούνται για τη µέτρηση της θερµοκρασίας των στερεών. Ο έλεγχος και η θέρµανση του δοχείου πραγµατοποιούνται µε ηλεκτρικές αντιστάσεις που σχηµατίζουν δυο θερµαντικές ζώνες και ελέγχονται από ανεξάρτητους ελεγκτές. Η ποσότητα του στερεού µέσα στο δοχείο µετράται έµεσα µε τη χρήση διαφορικών στοιχείων µέτρησης πίεσης. Στην βάση του δοχείου υπάρχει ειδική βάνα στερεών που ελέγχει τη ροή µε βάση την επιθυµητή θερµοκρασία αντίδρασης προς τον αντιδραστήρα. HEAT CARRIER VESSEL STRIPPER/ DISENGAGER CYCLONE FILTER TO PRODUCT RECOVERY RISER FLUIDIZING GAS STRIPPING GAS SLIDE SLIDE VALVE FEED TANK BIOMASS VALVE SCREW FEEDER INJECTOR SPENT CATALYS T LIFT GAS SPENT MATERIAL TANK Σχήµα 1. Σχηµατική αναπαράσταση πιλοτικής µονάδας Τροφοδοσία αερίου ρευστοαιώρησης Το σύστηµα που υποστηρίζει τη ρευστοαιώρηση στα δοχεία της µονάδας αποτελείται από έναν σύνολο 20 ροοµέτρων που παρέχουν άζωτο µε δύο σκοπούς: την υποβοήθηση της ρευστοαιώρησης στα τµήµατα των αντιδραστήρων και την εξασφάλιση διαρκούς γραµµής µετάδοσης της πίεσης στα διαφορικά µανόµετρα. Παράλληλα µε την τροφοδοσία του αζώτου, το σύστηµα παρέχει σε ορισµένα σηµεία της µονάδας τη δυνατότητα τροφοδοσίας αέρα αντί αζώτου όταν απαιτείται από τις συνθήκες της µονάδας π.χ. αναγέννηση του στερεού µετά την χρήση στο δοχείο τροφοδοσίας στερεού. Το ίδιο σύστηµα έχει τη δυνατότητα τροφοδοσίας δύο γραµµών ατµού χρησιµοποιώντας αντίστοιχα δύο αντλίες θετικής εκτοπίσεως. Ο ατµός παράγεται όταν το νερό από τις αντλίες τροφοδοτείται µέσω δύο ηλεκτρικών φούρνων. Σύστηµα τροφοδοσίας βιοµάζας Το σύστηµα αποτελείται από ένα δοχείο αναρτηµένο σε στοιχείο ζύγισης το οποίο µεταδίδει συνεχώς το βάρος του δοχείου. Η βιοµάζα τροφοδοτείται σε µορφή σκόνης αναµιγµένη µε ποσότητα στερεού. Με τη βοήθεια µιας αντλίας τύπου κοχλία η στερεή βιοµάζα µεταφέρεται στη βάση του αντιδραστήρα της µονάδας. Αντιδραστήρας Η µονάδα περιλαµβάνει ένα αντιδραστήρα τύπου riser που αποτελείται από σωλήνα διαστάσεων 15ft*3/8. Στη βάση του αντιδραστήρα και σε ειδικά σχεδιασµένο δοχείο ανάµιξης εισάγεται η βιοµάζα και εισέρχεται σε άµεση επαφή µε το στερεό. Ενώ το τµήµα αυτό θερµαίνεται από ηλεκτρικές αντιστάσεις, η θερµοκρασία στην είσοδο του σωλήνα του αντιδραστήρα ελέγχεται από την ροή των στερεών του δοχείου τροφοδοσίας στερεών.

3 Σύστηµα διαχωρισµού στερεών / ατµών Αυτό το τµήµα της µονάδας αποτελείται από δοχείο απογύµνωσης του οποίου η κεφαλή αποτελεί κυκλώνα ενώ το κατώτερο µέρος περιλαµβάνει ρευστοστερεά κλίνη. Στη βάση του δοχείου υπάρχει βάνα ελέγχου της ροής των στερεών. Ο σχεδιασµός αυτός επιτρέπει τον έλεγχο του χρόνου παραµονής των στερεών στο δοχείο. Στην έξοδο των αερίων από την κορυφή του δοχείου υπάρχουν επίσης µια σειρά από δοχεία κυκλώνα και φίλτρου για την αποµάκρυνση των ελαφρότερων στερεών από το ρεύµα εξόδου. Σύστηµα παραλαβής υγρών προιόντων Το τµήµα αυτό αποτελείται από αερόψυκτο εναλλάκτη που οδηγείται από την έξοδο των φίλτρων προς το δοχείο σταθεροποίησης των προιόντων. Το δοχείο αυτό έχει ψυχόµενη κεφαλή που, µε τη χρήση ψυκτικού συστήµατος, συµβάλει στην υγροποίηση των προιόντων ενώ το ίδιο δοχείο αποτελεί το δοχείο συλλογής και σταθεροποίησης έχοντας εσωτερική επαναροή. Τα αέρια που εξέρχονται από το δοχείο αυτό παγιδεύονται σε µια σειρά από εναλλάκτες χαµηλής θερµοκρασίας και τέλος δεσµεύονται από φίλτρα ενεργού άνθρακα ώστε πρακτικά το ρεύµα εξόδου να καθαρίζεται πλήρως. Ενας συµπιεστής στη συνεχεια µπορεί να επιστρέψει το ρεύµα αυτό που περιέχει σχεδόν αποκλειστικά άζωτο προς την είσοδο της µονάδας. Το τµήµα αυτό περιλαµβάνει τα δοχεία δειγµατοληψίας αερίου καθώς και την δυνατότητα σύνδεσης µε αέριο χρωµατογράφο. Σύστηµα παραλαβής στερεών µε άλλα υποστηρικτικά συστήµατα Τα χρησιµοποιούµενα στερεά από την βάση του δοχείου απογύµνωσης µεταφέρονται, αφού περάσουν την βάνα ελέγχου των στερεών και έναν εναλλάκτη αέρα, σε ένα ζυγιζόµενο δοχείο από όπου µπορούν να ανακυκλωθούν χειρονακτικά προς το δοχείο τροφοδοσίας στερεών. Σύστηµα ελέγχου Το σύστηµα ελέγχου αποτελείται κυρίως από µεγάλο αριθµό ψηφιακών ελεγκτών PID που υλοποιούνται από το υπολογιστικό σύστηµα που υποστηρίζει την µονάδα τεχνολογίας SCADA (fix intellection). Ο έλεγχος της µονάδας πραγµατοιείται µέσα από µια σειρά γραφικών απεικονίσεων του διαγράµµατος ποής ή µιµικούς ελεγκτές PID. Ανεξάρτητο σύστηµα ασφαλούς λειτουργίας επιτηρεί τις θερµοκρασίες σε όλη τη µονάδα, καθώς και την αδιάκοπη λειτουργία του Η/Υ. Η παροχή ρεύµατος στο σύστηµα αυτοµατισµού υποστηρίζεται από σύστηµα αδιάκοπής παροχής (UPS). Η θερµότητα παρέχεται σε όλη τη µονάδα από ηλεκτρικές αντιστάσεις, ενώ η θερµοκρασία ελέγχεται από ανεξάρτητους ρυθµιστές υλοποιηµένους στο λογισµικό. Η πίεση της µονάδας ελέγχεται κατά όµοιο τρόπο από κατάλληλη βάνα τοποθετηµένη στην έξοδο από την κορυφή του δοχείου στερεών. Η κυκλοφορία στην µονάδα εξασφαλίζεται από τη διαφορά πίεσης που ελέγχεται από τη βάνα που βρίσκεται στην έξοδο της γραµµής των αερίων προιόντων. Η ροή των στερεών από το δοχείο τροφοδοσίας στερεών ελέγχεται µε βάση την επιθυµητή θερµοκρασία αντίδρασης, ενώ η ροή των στερεών στην έξοδο της µονάδας ελέγχεται από τον επιθυµητό χρόνο παραµονής των στερεών στο δοχείο απογύµνωσης. Πειραµατική ιαδικασία Η προετοιµασία της µονάδας για την πειραµατική διαδικασία περιλαµβάνει θέρµανση των διαφόρων ζωνών στις επιθυµητές θρµοκρασίες, την εισαγωγή του αδρανούς υλικού στο δοχείο τροφοδοσίας, τη φόρτωση της βιοµάζας και την αλλαγή του φέροντος αερίου από αέρα σε άζωτο. Το αδρανές υλικό που χρησιµοποιείθηκε στα µη-καταλυτικά πειράµατα είναι silica sand (100µm, 1.56gr/cc bulk density). Η βιοµάζα που χρησιµοποιήθηκε είναι µίγµα 50% Lignocel HBS ( µm, 0.3gr/cc bulk density) σε silica sand. Κατά τη διάρκεια του πειράµατος η ροή του αδρανούς υλικού από το δοχείο τροφοδοσίας διατηρήθηκε σταθερή

4 στα 180 g/min και η ροή της βιοµάζας στα 58 g/min. Ο χρόνος του πειράµατος διατηρήθηκε στα 23min. Πειραµατικά Αποτελέσµατα Το ισοζύγιο µάζας ενός τυπικού, µη-καταλυτικού πειράµατος που πραγµατοποιήθηκε στην πιλοτική µονάδα δίνεται παρακάτω. Πίνακας 1. Iσοζύγιο µάζας πειράµατος πυρόλυσης βιοµάζας (% κ.β. σε βιοµάζα) Μάζα (gr) Τροφοδοσία Απόδοση Υγρά Προϊόντα Υγρά Προϊόντα από συλλέκτη Παγίδα Άνθρακα Αέρια Προϊόντα Κωκ Spent Material Coke Filter Solids Coke Ολικά Προϊόντα Για την ανάλυση της σύστασης των αερίων και των υγρών προϊόντων της πυρόλυσης, χρησιµοποιήθηκε χρωµατογραφία GC και GC/MS. Στους πίνακες που ακολουθούν τα αποτελέσµατα συγκρίνονται µε τα προϊόντων της πυρόλυσης, κάτω από συγκρίσιµες συνθήκες σε αντιδραστήρα σταθερής κλίνης εργαστηριακής κλίµακας, που λειτουργεί ήδη στο εργαστήριο για τη µελέτη της πυρόλυσης της βιοµάζας. Πίνακας 2. Σύσταση υγρών και αερίων προϊόντων µη-καταλυτικού πειράµατος πυρόλυσης βιοµάζας Σύσταση υγρών προϊόντων (% κ.β. σε υγρό οργ. προϊόν) Πιλοτική µονάδα Μονάδα εργαστ. κλιµακας Σύσταση αερίων προϊόντων (% κ.ο. στο σύνολο των παραγώµενων αερίων) Πιλοτική µονάδα Μονάδα εργαστ. κλιµακας Οξέα/Εστέρες H Φαινολικές ενώσεις CO Υδρογονάνθρακες C2= Αλκοόλες C Φουράνια CH Καρβονυλικές ενώσεις CO Βαριές ενώσεις C3s Πολυκ. Υδρογονάνθρακες C4-C6s Βρέθηκε ότι τα προϊόντα των δυο µονάδων είναι συγκρίσιµα και οι µεταξύ τους διαφορές θα αξιολογηθούν περαιτέρω µετά την βελτιστοποίηση της πιλοτικής µονάδας. Γενικά, από τα πρώτα πειράµατα που έγιναν φαίνεται ότι η µονάδα µπορεί να λειτουργεί ικανοποιητικά µε ορισµένες βελτιώσεις στο σύστηµα συλλογής προϊόντων και τροφοδοσίας βιοµάζας. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Demidras A., Env. Conv. Manag. 42:1357 (2001) [2] Samolada M.C., PapafoticaA.K. and Vasalos I.A., Energy Fuel 14:1161 (2000). [3] Lappas A.A., Samolada M.C.,Iatridis D.K.,Voutetakis S.S.and Vasalos I.A., Fuel 81:2087 (2002). [4] Samolada M.C., and Vasalos I.A., EU project, JOR3-CT , Final Report (1998).

5

6