«PRORAES : Προώθηση των δυνατοτήτων των ανανεώσιμων γεωργικών ενεργειακών πηγών»

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΧΗΜΙΚΩΝ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ Ομάδα Βιομάζας & Aπορριμμάτων Επιστημονικός Υπεύθυνος Αναστασία Ζαμπανιώτου, Επικ. Καθ. Ομάδα Τηλ: , ΦΑΞ: Βασιλική Σκουλού Ουρανία Ιωαννίδου WWW : ΤΕΧΝΙΚΗ ΕΚΘΕΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΕΡΓΟΥ «PRORAES : Προώθηση των δυνατοτήτων των ανανεώσιμων γεωργικών ενεργειακών πηγών» Θεσσαλονίκη, εκέμβριος 2006

2 2 Εργο PRORAES SMART Αντικείμενο και στόχοι Επιλεγμένα συσσωματώματα υπολειμμάτων αγροτικών ή/ και ενεργειακών καλλιεργειών χρησιμοποιήθηκαν ως στερεά βιοκαύσιμα τροφοδοσίας σε έναν αντιδραστήρα ταχείας πυρόλυσης βιομάζας. Οι συμβατικές μονάδες καύσης βιομάζας που υπάρχουν σε μερικές ελληνικές αγροβιομηχανίες, (συμβατικοί καυστήρες με λέβητες) και που αξιοποιούν ενεργειακά τα υπολείμματα τους, παράγουν σημαντικά ποσά CO 2. Η ανάπτυξη περιβαλλοντικών μονάδων αεριοποίησης / πυρόλυσης (αντί της μη αποδεκτής περιβαλλοντικά,πλέον, καύσης σύμφωνα με το Πρωτόκολλο του Κιότο) και η χρήση των συσσωματωμάτων αγροτικών υπολειμμάτων (πελλετών) θα ελαττώσουν την παραγωγή CO 2 και θα συμβάλλουν θετικά στην αποφυγή του φαινομένου του θερμοκηπίου. Σύμφωνα με εκτιμήσεις εάν η Ελλάδα αποτύχει στην εναρμόνιση με τις απαιτήσεις της Ευρωπαϊκής Ένωσης στο πλαίσιο των δεσμεύσεων του

3 3 Πρωτοκόλλου του Κιότο, εκτιμάται ότι μετά το 2010, θα αναγκάζεται να καταβάλλει τουλάχιστον /έτος σε πρόστιμα ή αγορά δικαιωμάτων εκπομπής αερίων ρύπων. Αντικείμενο του έργου αποτέλεσε: H μελέτη της λειτουργίας των συστημάτων θερμοχημικής μετατροπής - αεριοποίησης και πυρόλυσης - για την παραγωγή βιοενέργειας και υλικών με τροφοδοσία συσσωματωμάτων στερεών βιοκαυσίμων (από μικτά υπολείμματα αγροτικών καλλιεργειών και ξύλου), ΦΑΣΕΙΣ 1 η Φάση: Προσαρμογή των υφιστάμενων μονάδων θερμοχημικής μετατροπής βιομάζας (πυρόλυσης - αεριοποίησης) Προκαταρκτικά πειράματα λειτουργίας των υφιστάμενων μονάδων θερμοχημικής μετατροπής βιομάζας (πυρόλυσης & αεριοποίησης) για τον έλεγχο λειτουργίας τους με τροφοδοσία τα συσσωματώματα υπολειμμάτων αγροτικών καλλιεργειών. 2η Φάση: Μελέτη της αεριοποίησης/ πυρόλυσης των συσσωματωμάτων υπολειμμάτων αγροτικών και ενεργειακών καλλιεργειών για την παραγωγή ενέργειας ιεξήχθησαν πειραματικές μετρήσεις πυρόλυσης, για την διερεύνηση της καταλληλότητας των υπολειμμάτων των επιλεγμένων αγροτικών καλλιεργειών

4 4 για την παραγωγή ενέργειας. Έγιναν αναλύσεις του παραγόμενου αερίου και μετρήσεις CO 2. Παραδοτέα: Αποτελέσματα πειραματικών μετρήσεων και μελέτης καταλληλότητας συσσωματωμάτων υπολειμμάτων αγροτικών καλλιεργειών για την παραγωγή ενέργειας.

5 5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. Εισαγωγή 6 2. Καινοτομία 9 3. Οικονομικά οφέλη Κοινωνικοοικονομικά οφέλη Περιβαλλοντικά Οφέλη Μεθοδολογία Συσσωματώματα που χρησιμοποιήθηκαν Περιγραφή της πειραματικής διάταξης που χρησιμοποιήθηκε Αντιδραστήρας πυρόλυσης Ηλεκτρικό κύκλωμα θέρμανσης Παγίδα συλλογής αερίων Ανάλυση αερίων προϊόντων Αποτελέσματα 20

6 6 ΤΕΛΙΚΗ ΕΚΘΕΣΗ 1. Εισαγωγή Τις τελευταίες δεκαετίες ένας συνδυασμός αστάθμητων παραγόντων όπως: οι ανεξέλεγκτες αυξομειώσεις στην τιμή του πετρελαίου, οι περιπλοκές στην διανομή του πετρελαίου, αλλά και φυσικού αερίου, μέσω αγωγών, όπως επίσης και η αύξηση των ενεργειακών αναγκών του πλανήτη απασχολεί την εξασφάλιση της παγκόσμιας ενεργειακής αυτονομίας. Όλα αυτά, σε συνδυασμό με τα αυξημένα περιβαλλοντικά προβλήματα ρύπανσης της ατμόσφαιρας που συνδέονται άμεσα με: α) τις εθνικές δεσμεύσεις έναντι των εταίρων μας στην Ε.Ε. περί της χρήσης βιοκαυσίμων (Οδηγία 2003/30/ΕΚ), β) της υποκατάστασης μέρους της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές και βιομάζα (οδηγία 2001/77/EC : 20,1 % ως το 2010) και γ) της ευθυγράμμιση της χώρας μας με τις υποχρεώσεις που απορρέουν από την υπογραφή του Πρωτοκόλλου του Κιότο (να μην υπερβεί την αύξηση κατά 25% Μt ισοδύναμου CO 2 - στην απελευθέρωση αερίων θερμοκηπίου την πρώτη περίοδο εφαρμογής του Πρωτοκόλλου δηλ. τα έτη ) οδηγούν στην άμεση αναζήτηση βιώσιμων λύσεων. Δημιουργούνται όμως και οι ιδανικές

7 ευκαιρίες για την αξιοποίηση και ανάπτυξη των στερεών (υπολείμματα αγροτικών καλλιεργειών) και υγρών βιοκαυσίμων (βιοντίζελ, βιοελαίου). 7 Συγκεκριμένα η βιομάζα που προκύπτει από την αγροτική δραστηριότητα τομέα ιδιαίτερα ανεπτυγμένο στην Ελλάδα - και ακόμα περισσότερο τα υπολείμματα των αγροτικών (και των πρόσφατα αξιοποιήσιμων στην Ελλάδα ενεργειακών) καλλιεργειών είναι γνωστό ότι θα μπορούσαν να συμβάλουν στην παραγωγή ενέργειας με ανανεώσιμο και φιλικό προς το περιβάλλον τρόπο. Επιλεγμένες αγροτικές καλλιέργειες, χαρακτηριστικές για την Ελλάδα και την περιοχή της Ανατολικής Μακεδονίας - Θράκης, καλλιεργούμενες σε μεγάλες εκτάσεις και μετά την συγκομιδή της σοδειάς τους παράγουν σημαντικές ποσότητες παραπροϊόντων προς αξιοποίηση. Ως σήμερα όμως, αντιμετωπίζονται σε μεγάλο βαθμό σαν υποπροϊόντα της αγροτικής δραστηριότητας προς απόρριψη και όχι σαν υλικά υψηλής προστιθέμενης αξίας. Στο Σχήμα 1, παρουσιάζονται τα κυριότερα υπολείμματα αγροτικών καλλιεργειών σε διαθεσιμότητα (ξηρών τόνων /έτος) προς αξιοποίηση στην Ελλάδα *Πηγή : European Bioenergy Networks Κλαδέματα ελιάς Μίσχοι βαμβακιού Άχυρο σκληρού σίτου Κλαδέματα καλαμποκιού Άχυρο μαλακού σίτου Κλαδέματα αμπελιού Ελαιοπυρηνόξυλο Ρόκα καλαμποκιού Φύλλα ζαχαρότευτλου Άχυρο κριθαριού Κλαδέματα πορτοκαλιάς Κλαδέματα μηλιάς Άχυρο ρυζιού Κλαδέματα ροδακινιάς Υπολείμματα εκκ.βάμβακος Κλαδέματα αμυγδαλιάς Άχυρο βρώμης Κλαδέματα λεμονιάς Κλαδέματα ηλίανθου Κλαδέματα αχλαδιάς Ορυζοφλοιός Κλαδέματα κερασιάς Στελέχη καπνού Σχήμα 1. Διαθεσιμότητα χαρακτηριστικών υπολειμμάτων αγροτικών καλλιεργειών στην Ελλάδα (τόνοι/ έτος).

8 8 Ακόμα και τα υπολείμματα των ενεργειακών καλλιεργειών, που εκτιμάται ότι θα αναπτυχθούν ταχύτατα τα επόμενα χρόνια, μπορούν να αντιμετωπιστούν σαν στερεά, πλέον, βιοκαύσιμα και να διερευνηθεί η δυνατότητα παραγωγής ενέργειας ή/ και ενεργών ανθράκων μέσω της θερμοχημικής μετατροπής τους. Ταυτόχρονα, όμως, συνυπάρχει και η ανάγκη επίλυσης των προβλημάτων μεταφοράς, αποθήκευσης και διάθεσης (logistics) της βιομάζας με φιλικότερο προς το περιβάλλον τρόπο, καθώς και η τυποποίηση των στερεών βιοκαυσίμων με σκοπό την μακροπρόθεσμη και βιώσιμη εκμετάλλευση τους. Σύμφωνα με τις Ευρωπαϊκές Οδηγίες 2001/77/ΕΚ και 2003/30/ΕΚ, σχετικά με την προώθηση και χρήση βιοκαυσίμων και την ευθυγράμμιση των χωρών μελών της Ευρωπαϊκής Ένωσης με τις δεσμεύσεις του Πρωτοκόλλου Κιότο, είναι επιτακτική η άμεση αναζήτηση βιώσιμων λύσεων παραγωγής και χρήσης στερεών βιοκαυσίμων. Μέχρι τώρα, η παραγωγή συσσωματωμάτων υπολειμμάτων αγροτικών καλλιεργειών στοχεύει σε ένα επικεντρωμένο μέρος της ελληνικής αγοράς που αφορά στις ήδη υπάρχουσες συμβατικές μονάδες καύσης βιομάζας σε μερικές ελληνικές αγροβιομηχανίες (συμβατικοί καυστήρες με λέβητες), οι οποίες αξιοποιούν ενεργειακά με αυτόν τον τρόπο τα υπολείμματα τους. Η χρήση, όμως, αυτή δεν αρκεί για την μακροπρόθεσμη δυναμική των αγορών αυτών, ενώ η ανάπτυξη περιβαλλοντικών μονάδων αεριοποίησης / πυρόλυσης (αντί της μη αποδεκτής, περιβαλλοντικά πλέον καύσης σύμφωνα με το Πρωτόκολλο του Κιότο) θα συμβάλλει σημαντικά στην διεύρυνση και βιωσιμότητα των αγορών στερεών βιοκαυσίμων. Ταυτόχρονα η ανάπτυξη αυτή θα ενισχύσει και την ολοκληρωμένη διαχείριση των αγροτικών καλλιεργειών για την παραγωγή βιοενέργειας τόσο σε μικρής κλίμακας αποκεντρωμένους καταναλωτές όσο και σε μεγάλης κλίμακας εγκατεστημένες βιομηχανικές εφαρμογές.

9 9 Μερικά από τα προβλήματα που επιλύει η συσσωμάτωση βιομάζας σε αντίθεση με την τροφοδοσία της βιομάζας ως έχει σε συστήματα αξιοποίησης του ενεργειακού περιεχομένου της είναι : Η αντιμετώπιση της ανομοιογένειας Η βελτίωση της ποιότητας Ο καλύτερος έλεγχος του παραγομένου υπό μορφή συσσωματώματος στερεού βιοκαυσίμου Η σταθεροποίηση των ιδιοτήτων του Η αποφυγή αποικοδόμησης της βιομάζας λόγω της ανάπτυξης μικροβιακής δραστηριοποίησης (εξαιτίας της ξήρανσης και συμπίεσης) Η μείωση του όγκου και η διευκόλυνση της μεταφοράς και αποθήκευσης τους Η εξασφάλιση νέων τρόπων μεταφοράς τους ακόμα και σε μακρινές αποστάσεις και η εξάλειψη του προβλήματος διάθεσης της βιομάζας ακόμα και σε αστικά κέντρα όπου συναντάται επικεντρωμένη και βιομηχανική δραστηριότητα. και η πιθανή μεγαλύτερη ενεργειακή απόδοση και μείωση εκπομπών αερίων /στερεών ρύπων που ακόμα βρίσκεται υπό μελέτη (και πρόκειται να διερευνηθεί από το προτεινόμενο πρόγραμμα) 2. Καινοτομία Η πρωτοτυπία / καινοτομία της μελέτης αφορά στο γεγονός ότι μελετά την αξιοποίηση συσσωματωμάτων βιομάζας κατά τη θερμοχημική μετατροπή τους, γεγον ος το οποίο επιλύει το κρίσιμο πρόβλημα τροφοδοσίας στις περιβαλλοντικές μονάδες παραγωγής βιοενέργειας και υλικών.

10 10 3. Οικονομικά οφέλη Σύμφωνα με εκτιμήσεις (Εφημερίδα Το Βήμα, Βιοκαύσιμα 14/5/2005) το συναλλαγματικό όφελος που θα επιφέρει στην χώρα μας η αξιοποίηση βιοκαυσίμων έως και το 2010 θα φτάσει τα , το δε κέρδος από την μείωση που θα επέλθει από τις εκπομπές του CO2 στην ατμόσφαιρα εκτιμάται στα , ενώ το κέρδος από την ανάπτυξη της βιομηχανίας παραγωγής βιοκαυσίμων και την δημιουργία νέων, βιώσιμων θέσεων εργασίας στον τομέα αυτόν εκτιμάται στα Επίσης, εάν η χώρα μας δεν επιτύχει να εναρμονισθεί με τις απαιτήσεις της Ευρωπαϊκής Ένωσης στο πλαίσιο των δεσμεύσεων του Πρωτοκόλλου του Κιότο, εκτιμάται ότι μετά το 2010, θα αναγκάζεται να καταβάλλει, ετησίως, τουλάχιστον σε πρόστιμα ή αγορά δικαιωμάτων εκπομπής αερίων ρύπων. Επιπλέον, μετά την ψήφιση του Νόμου 3423/2005 για την ανάπτυξη των βιοκαυσίμων στην χώρα μας, έχει ήδη δρομολογηθεί η ίδρυση βιομηχανικών μονάδων που θα παράγουν βιοκαύσιμα (περίπτωση παραγωγής βιοντίζελ εταιρίες ΕΛΒΥ και ΕΛΙΝΟΙΛ). Αλλά και στην περιοχή δημιουργίας στερεών βιοκαυσίμων αναμένεται να επικεντρωθεί ιδιαίτερο ενδιαφέρον και συνολικά οι επιδοτήσεις αναμένεται να αγγίξουν τα Ιδιαίτερα, για τα νεοεισερχόμενα ενεργειακά φυτά στην αγροτική δραστηριότητα της Ελλάδας, μια εκτίμηση κέρδους από την καλλιέργεια τους αγγίζει τα επί ετήσιας βάσης και πολλαπλάσια κινούνται και οι εκτιμήσεις κέρδους ενεργειακής αξιοποίησης των υπολειμμάτων ελληνικών αγροτικών καλλιεργειών (Εφημερίδα Το Βήμα, Βιοκαύσιμα 14/5/2005). 4. Κοινωνικοοικονομικά οφέλη Πολλά κοινωνικοοικονομικά οφέλη θα προκύψουν από την δημιουργία θέσεων εργασίας, αυξάνοντας την απασχόληση του αγροτικού πληθυσμού της χώρας και την παράλληλη

11 ενίσχυση των αγροτικών εισοδημάτων, ενώ απόρροια αυτού θα αποτελέσει και η αναζωογόνηση των αγροτικών περιοχών της χώρας Περιβαλλοντικά Οφέλη Ένα από τα βασικότερα πλεονεκτήματα της χρήσης των πελλετών υπολειμμάτων αγροτικών καλλιεργειών στην Πυρόλυση & Αεριοποίηση είναι η μηδαμινή συνεισφορά τους στην αύξηση των αερίων του θερμοκηπίου, και ιδιαίτερα του CO 2 σύμφωνα με το Πρωτόκολλο Κιότο (Σχήμα 2). Σχήμα 2. Εκπομπές CO2 6. Μεθοδολογία Στα πλαίσια της προτεινόμενης μελέτης επιλέχθηκαν κατάλληλα υπολείμματα αγροτικών καλλιεργειών που παρουσιάζουν ελκυστικά φυσικοχημικά χαρακτηριστικά, όσον αφορά στην παραγωγή συσσωματωμάτων από αυτά. 7. Συσσωματώματα που χρησιμοποιήθηκαν

12 12 Στα πλαίσια της μελέτης χρησιμοποιήθηκαν συσσωματώματα που παρέλαβε το Εργαστήριο Τεχνολογίας Χημικών Εγκαταστάσεων ΑΠΘ (Ομάδα Βιομάζας) από το ΤΕΙ Καρδίτσας, Τμήμα Σχεδιασμού και Τεχνολογίας Ξύλου και Επίπλου και συγκεκριμένα από τον καθ. Κο Νταλό. Τα συσσωματώματα έγιναν από κατάλληλα υπολείμματα αγροτικών καλλιεργειών χαρακτηριστικών για την ελληνική γεωργία. Τα δείγματα που μελετήθηκαν είναι τα εξής: 1) Μπρικέτα (briquette) με υπολείμματα κατεργασίας ξύλου (50%) και υπολείμματα καλλιέργειας βαμβακιού (50%) 2) Μπρικέτα με υπολείμματα κατεργασίας ξύλου (50%) και υπολείμματα καλλιέργειας καλαμποκιού (στελέχη)(50%) 8. Περιγραφή της πειραματικής διάταξης που χρησιμοποιήθηκε Η διάταξη που χρησιμοποιήθηκε για την διεξαγωγή των πειραμάτων πυρόλυσης των μπρικέτων φαίνεται στο Σχήμα 3 (Φωτ.1). Η διάταξη αυτή παρουσιάζει τα εξής πλεονεκτήματα: Ανεξάρτητη μεταβολή και έλεγχο παραμέτρων όπως η τελική θερμοκρασία του δείγματος, ο ρυθμός θέρμανσης, ο χρόνος παραμονής του δείγματος στην τελική θερμοκρασία και το μέγεθος του δείγματος, ώστε να είναι δυνατή η μελέτη των επιδράσεών τους στα τελικά προϊόντα. Πολύ καλή μεταφορά θερμότητας στο δείγμα. Σχεδόν μηδενικό χρόνο παραμονής των αερίων προϊόντων στην τελική θερμοκρασία, διότι εγκαταλείπουν τη θερμική επιφάνεια πυρόλυσης ακαριαία.

13 13 Γρήγορη ψύξη των αερίων προϊόντων καθότι ο χώρος στο εσωτερικό του αντιδραστήρα δεν υπερβαίνει σημαντικά τη θερμοκρασία περιβάλλοντος ακόμη και σε πειράματα μεγάλης χρονικής διάρκειας. Δυνατότητα λειτουργίας σε μεγάλο εύρος πιέσεων, από απόλυτο κενό έως και 100 atm. Ολική συλλογή προϊόντων για άμεση μέτρηση υλικών και κατάστρωση των στοιχειακών και ολικών ισοζυγίων. Η αρχή λειτουργίας της διάταξης είναι η εξής: Το δείγμα τοποθετείται σε πλέγμα από ανοξείδωτο χάλυβα το οποίο εφαρμόζει μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων μέσα στον αντιδραστήρα και σε αδρανή ατμόσφαιρα αερίου γνωστής πίεσης. Η μεταφορά θερμότητας στο πλέγμα γίνεται από ένα απλό ηλεκτρικό κύκλωμα εναλλασσόμενου ρεύματος. Η όλη διάταξη αποτελείται από 6 τμήματα: 1. Τον αντιδραστήρα πυρόλυσης 2. Το ηλεκτρικό κύκλωμα θέρμανσης 3. Τον ψύκτη αερίων προϊόντων 4. Την παγίδα υγρασίας 5. Το σύστημα συλλογής αερίων προϊόντων 6. Το σύστημα ανάλυσης των αερίων προϊόντων

14 14 Σχήμα 3. Σχηματική παράσταση πειραματικής διάταξης ταχείας πυρόλυσης βιομάζας Φωτογραφία 1. Διάταξη που χρησιμοποιήθηκε

15 15 9. Αντιδραστήρας πυρόλυσης Ο αντιδραστήρας είναι ένα κυλινδρικό δοχείο κατασκευασμένο από Plexiglas διαμέτρου 7 cm και ύψους 12 cm. Το δοχείο κλείνεται με δύο ζεύγη φλαντζών από τα δύο άκρα. Το επάνω ζεύγος φλαντζών αποτελείται από δύο φλάντζες, μια μπρούντζινη και μια από ανοξείδωτο χάλυβα SS316, ανάμεσα στις οποίες προσαρμόζεται ένα λαστιχένιο δαχτυλίδι (o-ring) για στεγανοποίηση του εσωτερικού του αντιδραστήρα. Η φλάντζα από ανοξείδωτο χάλυβα έχει διάμετρο 12 cm και πάχος 1 cm. Στο κέντρο έχει σπειροειδή οπή 1 / 8 in για την έξοδο των αερίων, πάνω στην οποία προσαρμόζεται ο υποδοχέας και το φίλτρο συλλογής της πίσσας, καθώς και οι παγίδες Π 1 και Π 2 των υγρών H/C. Φέρει ακόμη μια σπειροειδή οπή 1 / 8 in, πάνω στην οποία προσαρμόζεται μανόμετρο για μέτρηση της πίεσης στο εσωτερικό του αντιδραστήρα. Επιπλέον φέρει 3 οπές συμμετρικά στα άκρα, διαμέτρου D=8 mm, μέσα από τις οποίες περνούν μπουλόνια συνδέοντάς την με την μπρούντζινη φλάντζα, η οποία φέρει και αυτή 3 οπές ίδιας διάστασης. Η μπρούντζινη φλάντζα είναι δακτυλιοειδής της οποίας η εσωτερική διάμετρος είναι 7 cm. Στην άκρη της εσωτερικής διαμέτρου υπάρχει μία ελαφρά αυλάκωση για την εφαρμογή του o-ring. Το κάτω ζεύγος φλαντζών αποτελείται από δύο δακτυλιοειδείς φλάντζες, εξωτερικής και εσωτερικής διαμέτρου 12 και 7 cm αντίστοιχα, μία μπρούτζινη και μία από ανοξείδωτο χάλυβα SS316. Φέρουν τρεις οπές διαμέτρου D=8 mm μέσα από τις οποίες περνάνε μπουλόνια συνδέοντάς τες με το πάνω μέρος φλαντζών και στηρίζοντας τον αντιδραστήρα πάνω στη βάση του. Ανάμεσα από το ζεύγος φλαντζών εφαρμόζεται o- ring όπως αναφέρθηκε παραπάνω. Η φλάντζα από ανοξείδωτο χάλυβα φέρει μία εσωτερική αυλάκωση διαμέτρου D=3 mm στην οποία εφαρμόζεται o-ring το οποίο

16 16 στεγανοποιεί το εσωτερικό του αντιδραστήρα, αφού έρχεται σε επαφή με τη βάση στήριξης η οποία είναι καλυμμένη με φύλλο teflon. Η βάση στήριξης του αντιδραστήρα είναι τετράγωνη πλευράς 13.5 cm και στις τέσσερις γωνίες της φέρει οπές για τη στήριξη και σταθεροποίηση του αντιδραστήρα πάνω σε έδρανο Dexion. Είναι κατασκευασμένη από plexiglass και φέρει επιπλέον οκτώ οπές από τις οποίες, τέσσερις χρησιμοποιούνται για την στήριξη των ηλεκτροδίων (D=5 mm), τρεις για την σύνδεση και τη στήριξη του αντιδραστήρα (D=8 mm) ενώ η άλλη φέρει εσωτερικό σπείρωμα (D=10 mm) για την σύνδεση με το σωλήνα μεταφοράς του αδρανούς αερίου. Τα ηλεκτρόδια είναι κατασκευασμένα από ορείχαλκο με επίστρωση νικελίου. Το καθένα αποτελείται από δύο τμήματα που έχουν σχήμα πρίσματος με κυκλική βάση. Το κάτω τμήμα κάθε ηλεκτροδίου φέρει δύο οπές διαμέτρων D=4 mm με εσωτερικό σπείρωμα, στις οποίες προσαρμόζονται δύο κοχλίες. Το πάνω τμήμα φέρει οπές διαμέτρων D=5 mm στις ίδιες θέσεις ώστε να διέρχονται οι δύο κοχλίες και να επιτυγχάνεται η σύνδεση των δύο τμημάτων. Ανάμεσα σε αυτά τα δύο τμήματα συγκρατείται και σταθεροποιείται το πλέγμα που περιέχει το δείγμα. Τα τμήματα της συσκευής είναι τοποθετημένα σε σκελετό από Dexion που αποτελείται από δύο πατώματα. Στο κάτω πάτωμα βρίσκεται το ηλεκτρικό κύκλωμα και στο πάνω πάτωμα ο αντιδραστήρας. Σε ειδικό πίνακα είναι τοποθετημένος ο διακόπτης του ηλεκτρικού κυκλώματος, ο ρυθμιστής, ο διακόπτης έναρξης και λήξης του πειράματος, η ασφάλεια του ηλεκτρικού κυκλώματος, ο διακόπτης λειτουργίας της τρίοδης ηλεκτροβάνας (ΤΒ) και μία μικρομετρική βάνα ρύθμισης ροής του αερίου.

17 17 Φωτογραφία 2. Αντιδραστήρας που χρησιμοποιήθηκε 10. Ηλεκτρικό κύκλωμα θέρμανσης Το ηλεκτρικό κύκλωμα θέρμανσης της διάταξης αποτελείται από τα εξής τμήματα: Έναν μετασχηματιστή Εναν μεταβλητό μετασχηματιστή (Variac) με το οποίο γίνεται ρύθμιση της επιθυμητής έντασης ρεύματος που διέρχεται από το πλέγμα Ένα Solid State Relay (SSR) με το οποίο γίνεται διακοπή του κυκλώματος θέρμανσης όταν φτάσουμε στην επιθυμητή θερμοκρασία πυρόλυσης Ένα αμπερόμετρο το οποίο δείχνει την ένταση του ρεύματος που διέρχεται από το πλέγμα Έναν διακόπτη Ο μετασχηματιστής έχει πρωτεύον πηνίο 220V, δευτερεύον 26V και ισχύ 2,5 KW. Το variac χρησιμοποιείται για τη θέρμανση του πλέγματος. Το αμπερόμετρο είναι συνδεδεμένο σε σειρά με το κύκλωμα θέρμανσης και έχει κλίμακα από 0-80 Α.

18 Το κύκλωμα ελέγχου, ρύθμισης και καταγραφής της θερμοκρασίας αποτελείται από τα εξής: 18 Θερμοστοιχείο Ρυθμιστή Ηλεκτρονικό υπολογιστή (Η/Υ) Το θερμοστοιχείο είναι τύπου Κ (διαμέτρου 0,001 in) και είναι συνδεδεμένο με τον ρυθμιστή. Ο ρυθμιστής της θερμοκρασίας είναι PID τύπου UT15 και συνδέεται με το θερμοστοιχείο και με το SSR το οποίο διακόπτει το κύκλωμα θέρμανσης όταν η θερμοκρασία φτάσει στην επιθυμητή τιμή. Ο Η/Υ είναι συνδεδεμένος με τον ρυθμιστή και καταγράφει την θερμοκρασία μέσω μιας κάρτας δειγματολειψίας τύπου PCL 711B, με τη βοήθεια ενός λογισμικού προγράμματος. Φωτογραφία 3. Ηλεκτρικό κύκλωμα 11. Παγίδα συλλογής αερίων Η παγίδα συλλογής αερίων είναι μια διάταξη κατασκευασμένη από plexiglass. Αποτελείται από ένα κυλινδρικό δοχείο δια μέτρου (D=11,5 cm) και ύψους 22 cm το

19 19 οποίο είναι ερμητικά κλειστό και πληρωμένο με νερό. Στο πάνω μέρος του δοχείου υπάρχουν τρεις σπειροειδείς οπές διαμέτρου 1 / 4 in όπου στη μία προσαρμόζεται ογκομετρικός κύλινδρος από plexiglass 400 ml με βάνα στο κάτω μέρος (Β1), στην άλλη προσαρμόζεται η τρίοδη βάνα (Β2) και στην τρίτη ο αγωγός εκτόπισης του νερού. Η τρίοδη ηλεκτροβάνα (ΤΒ) είναι μια σύνθετη βάνα η οποία λειτουργεί με ηλεκτρικό ρεύμα. Ανάλογα με τη θέση του διακόπτη λειτουργίας της, κατευθύνει το αέριο σε δύο διαφορετικές εξόδους (Ε2 και Ε3). `Οταν το αέριο οδηγείται στη έξοδο Ε3 (η έξοδος Ε2 παραμένει κλειστή) εισέρχεται στο εσωτερικό της παγίδας μέσω της τρίοδης βάνας Β2, εκτοπίζοντας έτσι ανάλογο όγκο νερού το οποίο οδηγείται στον ογκομετρικό κύλινδρο μέσα από τον κάθετο αγωγό εκτόπισης.`ετσι μετρείται με ακρίβεια ο όγκος του παγιδευμένου αερίου. Η τρίοδη βάνα Β2 έχει δύο εξόδους, την Ε5 στην οποία προσαρμόζεται η σακκούλα συλλογής αερίων και την Ε6 η οποία οδηγεί στο εσωτερικό της παγίδας. 12. Ανάλυση αερίων προϊόντων Η χρωματογραφική ανάλυση των αερίων γίνεται σε αέριο χρωματογράφο Perkin- Elmer Sigma 300 HWD (Hot Wire Detector).Επειδή τα αέρια προϊόντα που θα αναλυθούν είναι μέσα σε αδρανές αέριο He, χρησιμοποιείται το ίδιο φέρον αέριο (He) και για τη χρωματογραφική ανάλυση για διευκόλυνση των υπολογισμών ολοκλήρωσης.. Ο χρωματογράφος διαθέτει στήλη ανάλυσης πληρωμένη με το απορροφητικό υλικό Porapak QS. Το δείγμα αερίου προς ανάλυση (0,4 ml) εισάγεται στη στήλη με υάλινη σύριγγα 7 cm. Ο χρωματογράφος είναι συνδεδεμένος με Η/Υ όπου γίνεται η καταγραφή του σήματος εξόδου μέσω ειδικής κάρτας τύπου HP 35900D A/D και λογισμικού προγράμματος της HP (HP 3365 Series II ChemStations), δίνοντας έτσι το χρωματογράφημα του δείγματος. Το ίδιο λογισμικό πρόγραμμα δίνει τη δυνατότητα

20 20 ολοκλήρωσης του χρωματογραφήματος εμφανίζοντας τον χρόνο εμφάνισης των κορυφών (peaks), την επιφάνεια και το ύψος των, καθώς και τον ποσοτικό προσδιορισμό των αερίων προϊόντων, σύμφωνα με διάφορες μεθόδους όπως % Normalization Method (%Norm), External Standard (ESTD), Internal Standard (ISTD). Η τελευταία δυνατότητα του προγράμματος προϋποθέτει κατάλληλη ρύθμισή του, η οποία θα αναφερθεί παρακάτω. Φωτογραφία 4. Αέριος χρωματογράφος που χρησιμοποιήθηκε 13. Αποτελέσματα Στη διεργασία της πυρόλυσης η θερμοκρασία και ο ρυθμός θέρμανσης έχουν καθοριστικό ρόλο στην ποιότητα των προϊόντων. Στο Διάγραμμα 1 φαίνεται η επίδραση της θερμοκρασίας στις αποδόσεις των προϊόντων από πυρόλυση μπρικέτας ξύλου με καλαμπόκι (1 ο δείγμα), οι οποίες έχουν την ίδια συμπεριφορά και με το 2ο δείγμα.(ξύλο με βαμβάκι) Διάγραμμα 2. Με την αύξηση της θερμοκρασίας το ποσοστό του εξανθρακώματος μειώνεται σε αντίθεση με του αερίου που αυξάνεται. Το ποσοστό των υγρών προϊόντων (υδρογονάνθρακες, πίσσα και νερό πυρόλυσης) είναι σχετικά αυξημένο συγκρινόμενο με το αντίστοιχο ποσοστό που παράγεται όταν η πρώτη ύλη είναι αγροτικά

21 21 υπολείμματα καλαμποκιού ως έχουν. Το αποτέλεσμα ήταν προβλέψιμο αλλά και αναμενόμενο εξαιτίας της υψηλής περιεκτικότητας του ξύλου σε λιγνίνη, στην οποία οφείλεται η παραγωγή υγρών προϊόντων. Προτείνεται, λοιπόν, για μελέτη για παραγωγή bio-diesel. Το εξανθράκωμα από την πυρόλυση των μπρικετών προτείνεται για περαιτέρω μελέτη στην παραγωγή ενεργού άνθρακα, καθώς οι αποδόσεις σε στερεό υπόλειμμα ήταν μεγαλύτερες συγκριτικά με αυτές από την πυρόλυση αγροτικών υπολειμμάτων ως έχουν. Η επίδραση της θερμοκρασίας στις συγκεντρώσεις του αέριου προϊόντος από την πυρόλυση του 1 ου δείγματος φαίνεται στο Διάγραμμα 3. Παρατηρείται ότι η υψηλή θερμοκρασία ευνοεί την διάσπαση των υδρογονανθράκων και ης πίσσας στην αέρια φάση ευνοώντας το σχηματισμό H 2 και CO, και του CH 4. Τα ποσοστά του διοξειδίου του άνθρακα είναι αρκετά χαμηλά, και υπάρχουν επίσης ίχνη αιθυλενίου και αιθανίου. Παρόμοια αποτελέσματα (Διάγραμμα 4) προέκυψαν και από το 2 ο δείγμα (μπρικέτα ξύλου με βαμβάκι). Η θερμογόνος δύναμη του αέριου προϊόντος υπολογίστηκε από την εξίσωση (1) και τα ποσοστά κατ όγκο των CO, H 2, CH 4 και των υδρογονανθράκων C 2 H 4 και C 2 H 6. LHV = (30.0 x CO+25.7 x H x CH x CnHm) x 4.2, MJ m -3 (1) Όπως φαίνεται και στο Διάγραμμα 5 η θερμογόνος δύναμη κυμαίνεται μεταξύ M J m -3. Σύμφωνα με μελέτες το αέριο αυτής της κλίμακας ανήκει στην μεσαία κατηγορία αέριων καυσίμων και μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας σε μηχανές, τουρμπίνες και λέβητες για παραγωγή ενέργειας.

22 22 60 %κβ Αποδόσεις προϊόντω Θερμοκρασία ( o C) Gas Char Liquid Διάγραμμα 1. Αποδόσεις προϊόντων πυρόλυσης μπρικέτας ξύλου με καλαμπόκι (1 ο δείγμα) %κβ Αποδόσεις προϊόντω Θερμοκρασία ( o C) Gas Char Liquid Διάγραμμα 2. Αποδόσεις προϊόντων πυρόλυσης μπρικέτας ξύλου με βαμβάκι (2 ο δείγμα).

23 23 70 H2 CO CH4 CO % V/V Θερμοκρασία ( o C) Διάγραμμα 3. Συγκεντρώσεις αερίων πυρόλυσης 1 ου δείγματος. CO H2 CH4 CO2 % v/v Θερμοκρασία ( o C) Διάγραμμα 4. Συγκεντρώσεις αερίων πυρόλυσης 2 ου δείγματος.

24 24 Θερμογόνος Δύναμη (MJ/m wood&cotton wood&corn Θερμοκρασία ( o C) Διάγραμμα 5. Θερμογόνος δύναμη αέριου προϊόντος και των δύο δειγμάτων. Συμπεράσματα Από όλα όσα προαναφέρθηκαν φαίνεται ότι τα συσσωματώματα από αγροτικά υπολείμματα αποτελούν μια σημαντική ανανεώσιμη πηγή ενέργειας και από άποψης περιβαλλοντικής προστασίας και αειφόρου ανάπτυξης και είναι κατάλληλα για αεριοποίηση και πυρόλυση γιατί δεν δημιουργούν περιβαλλοντικά προβλήματα με τα οποία ως γνωστόν συνδέεται η καύση, όπως αύξηση της συγκέντρωσης του CO 2 στην ατμόσφαιρα, απελευθέρωση αερίων θερμοκηπίου, αύξηση συγκέντρωσης σωματιδίων στην ατμόσφαιρα και πολλά άλλα. Η παρούσα μελέτη αφορά την ταχεία πυρόλυση δύο δειγμάτων μπρικετών στους o C σε εργαστηριακής κλίμακας αντιδραστήρα σε ατμοσφαιρική πίεση. Τα προϊόντα της πυρόλυσης υγρά, στερεά αλλά και αέρια μπορούν να αξιοποιηθούν ανάλογα. Τα υγρά και τα αέρια ως βιοκαύσιμα, και το εξανθράκωμα στην παραγωγή υλικών προστιθέμενης αξίας (ενεργού άνθρακα).

25 25 Το αέριο προïόν περιέχει υψηλά ποσοστά CO και H 2, ενώ οι συγκεντρώσεις του CO 2 είναι αρκετά χαμηλές συγκρινόμενες με αυτές που λαμβάνονται με τη χρήση της καύσης. Εξαιτίας του ενεργειακού περιεχομένου τους τα συσσωματώματα που εξετάσθηκαν θεωρούνται κατάλληλα για παραγωγή ενέργειας.