Εισαγωγή στην αεριοποίηση βιομάζας

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Εισαγωγή στην αεριοποίηση βιομάζας"

Σωφρονία Αλεξιάδης
8 χρόνια πριν
Προβολές:

ΕΘΝΙΚΟ ΚΕΝΤΡΟ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΙΝΣΤΙΤΟΥΤΟ ΧΗΜΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ & ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΩΝ ΠΟΡΩΝ Κεντρικό: 6 ο χλμ. oδού Χαριλάου-Θέρμης Τ.Θ. 60361 570 01 Θέρμη, Θεσσαλονίκη Τηλ.

1 ΕΘΝΙΚΟ ΚΕΝΤΡΟ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΙΝΣΤΙΤΟΥΤΟ ΧΗΜΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ & ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΩΝ ΠΟΡΩΝ Κεντρικό: 6 ο χλμ. oδού Χαριλάου-Θέρμης Τ.Θ Θέρμη, Θεσσαλονίκη Τηλ.: Fax: Web: certh@certh.gr Γραφείο Αθήνας: Αιγιαλείας Μαρούσι Τηλ Fax: isfta@certh.gr Εισαγωγή στην αεριοποίηση βιομάζας Δρ Κυριάκος Πανόπουλος * 4 Ιουνίου 2015 Centre for Research & Technology Hellas / Chemical Process and Energy Resources Institute Thessaloniki Laboratories: 6th km. Charilaou-Thermis GR Thermi Thessaloniki Thessaloniki Tel: , Athens Tel: , Mob: panopoulos@certh.gr

gr Εισαγωγή στην αεριοποίηση βιομάζας Δρ Κυριάκος Πανόπουλος * 4 Ιουνίου 2015 Centre for Research & Technology Hellas / Chemical Process and Energy Resources Institute

2 Η παρόν κείμενο σκοπό έχει να ενημερώσει γενικά για την τεχνολογία της ηλεκτροπαραγωγής από αεριοποίηση βιομάζας καθώς η τεχνολογία αυτή έχει βρει μεγάλο ενδιαφέρον με αιτήσεις για ηλεκτροπαραγωγή στην Ελλάδα. Το κείμενο αυτό θα εμπλουτίζεται σταδιακά. Η παρούσα έκδοση είναι η 1.0 και θα ενημερώνεται τακτικά με περισσότερες πληροφορίες. Το ΕΚΕΤΑ έχει πολύ μεγάλη εμπειρία στην τεχνολογία της αεριοποίησης έχοντας αναπτύξει τεχνογνωσία, δυνατότητα μετρήσεων, σχεδιασμού και λειτουργίας ολοκληρωμένων συστημάτων και επιμέρους υποσυστημάτων αεριοποίησης βιομάζας. Επιπλέον διαθέτει διαπιστευμένο κατά ISO17025 εργαστήριο ανάλυσης στερεών καυσίμων και μεγάλες πιλοτικές μονάδες αεριοποίησης όπου δοκιμάζονται νέες τεχνολογίες κυρίως στο τομέα του καθαρισμού του αερίου και στη απρόσκοπτη λειτουργία των αεριοποιητών. Α. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η αεριοποίηση είναι η θερμική διεργασία που μετατρέπει τα στερεά καύσιμα σε ένα αέριο καύσιμο μίγμα χαμηλής ή μέσης θερμογόνου ικανότητας με τη βοήθεια οξειδωτικού όπως αέρας (Ο 2 ) ή υδρατμός (H 2 O). Η διαφορά της αεριοποίησης με αέρα και της καύσης είναι πρακτικά μόνο η διαφορά στο λόγο αέρα, που στην πρώτη περίπτωση είναι υποστοιχειομετρικός (λ<1) ενώ στη δεύτερη υπερστοιχειομετρικός (λ 1), σε σχέση με το απαιτούμενο οξυγόνο για πλήρη καύση. Η αεριοποίηση της βιομάζας μπορεί να πραγματοποιηθεί σε αντιδραστήρες σταθερής, κινούμενης ή ρευστοποιημένης κλίνης σε θερμοκρασίες άνω 700 o C. Πολλές από τις αντιδράσεις που συντελούνται κατά την αεριοποίηση είναι ενδόθερμες και η απαιτούμενη θερμική ενέργεια μπορεί να προσδοθεί άμεσα με μερική οξείδωση των αντιδρώντων συστατικών, όπως συμβαίνει αν το οξειδωτικό μέσο είναι αέρας/οξυγόνο ή έμμεσα με μεταφορά θερμότητας από εξωτερική πηγή θερμότητας αν το οξειδωτικό μέσο είναι ατμός. Στην πρώτη περίπτωση η διεργασία καλείται αυτοθερμική ενώ στη δεύτερη αλλοθερμική. 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, κτλ), ενώσεις βαρέων υδρογονανθράκων (πίσσες), ενώ απομένει κάποιο ποσοστό στερεού εξανθρακώματος και τέφρας (κυρίως μεταλλικά ανόργανα συστατικά). Σε μικρότερα συστήματα η αεριοποίηση μπορεί να συνδυαστεί με οποιαδήποτε τεχνολογία ηλεκτροπαραγωγής που χρησιμοποιεί αέριο καύσιμο. Η αποκλειστική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στα μικρής κλίμακας συστήματα εφαρμόζεται σε περιπτώσεις που υπάρχει ανάγκη για άμεση παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας αλλά τα συστήματα αυτά προσφέρονται και για συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας με χρήση μηχανών εσωτερικής καύσεως (ΜΕΚ) ενώ

Το ΕΚΕΤΑ έχει πολύ μεγάλη εμπειρία στην τεχνολογία της αεριοποίησης έχοντας αναπτύξει τεχνογνωσία, δυνατότητα μετρήσεων, σχεδιασμού και λειτουργίας ολοκληρωμένων συστημάτων και επιμέρους

3 προτείνεται και η χρήση του αερίου σε μικροστροβίλους αερίου με ηλεκτρικές αποδόσεις 20-30% ως προς την κατώτερη θερμογόνο ικανότητα της βιομάζας. Οι μηχανές εσωτερικής καύσεως προσφέρουν υψηλότερη ηλεκτρική απόδοση (έως και 40%) με μειωμένες όμως δυνατότητες συμπαραγωγής και υψηλά επίπεδα αέριων εκπομπών ρύπων. Οι περισσότερες εφαρμογές του παραγόμενου αερίου της αεριοποίησης βιομάζας πλην της απλής καύσης του, απαιτούν καθαρό αέριο από πίσσα, σωματίδια οξείδια αλκαλικών μετάλλων, ενώσεις αλογόνων και θείου Η τέφρα που ενδέχεται να περιέχει υψηλά ποσοστά άνθρακα (εξανρθάκωμα). Αυτό το υλικό μπορεί να βρει κάποιες χρήσεις ως εδαφοβελτιωτικό ή υλικό πλήρωσης μετά από σχετική μελέτη και ανάλυση. Η σημαντικότερη πρόσμιξη του παραγόμενου αερίου είναι οι βαρείς συμπυκνώσιμοι υδρογονάνθρακες (πίσσα), οι οποίοι είναι ένα μίγμα οξυγονούχων οργανικών ενώσεων με έντονο αρωματικό χαρακτήρα που παράγονται κυρίως ως δευτερογενή προϊόντα από τις ενώσεις που εκλύονται κατά το στάδιο της πυρόλυσης της βιομάζας. Οι ενώσεις που περνούν στην αέρια φάση είτε υπόκεινται σε περαιτέρω διάσπαση προς το σχηματισμό σταθερών αερίων είτε συμμετέχουν σε μια σειρά αντιδράσεων προς σχηματισμό πισσών. Σύμφωνα με ένα γενικά αποδεκτό ορισμό, πίσσα είναι το σύνολο των οργανικών μορίων με μοριακά βάρη μεγαλύτερα από το βάρος του βενζολίου (ΜΒ βενζολίου = 78). Η σύσταση της πίσσας είναι πολύπλοκη και εξαρτάται άμεσα από τις συνθήκες στις οποίες λαμβάνει χώρα η αεριοποίηση και, κυρίως, από τη θερμοκρασία και το χρόνο παραμονής στον αντιδραστήρα. Οι κυριότερες κατηγορίες ενώσεων πίσσας και η διαλυτότητά / συμπύκνωσή τους όταν το αέριο κατέλθει σε θερμοκρασίες κάτω των 100 οc περιγράφεται ως ακολούθως: Ετεροκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες Ελαφρύς αρωματικοί υδρογονάνθρακες όπως είναι το βενζόλιο και το τουλουένιο: Αν και έχει βρεθεί ότι σε υψηλές συγκεντρώσεις στο παραγόμενο αέριο, εξαιτίας της θερμοκρασίας δρόσου αυτοί οι υδρογονάνθρακες παραμένουν στην αέρια φάση. Ελαφρύς πολυαρωματικοί υδρογονάνθρακες αποτελούμενοι από δύο και τρεις δακτυλίους: Σε χαμηλές συγκεντρώσεις αυτοί οι υδρογονάνθρακες είναι στην

Οι περισσότερες εφαρμογές του παραγόμενου αερίου της αεριοποίησης βιομάζας πλην της απλής καύσης του, απαιτούν καθαρό αέριο από πίσσα, σωματίδια οξείδια αλκαλικών μετάλλων, ενώσεις αλογόνων και θείου

4 αέρια φάση αλλά αποτελούν αιτία για δημιουργία επικαθίσεων και φράξεις των σωληνώσεων των εγκαταστάσεων σε υψηλότερες συγκεντρώσεις. Βαριοί πολυαρωματικοί υδρογονάνθρακες αποτελούμενοι πάνω από τρεις δακτύλους: Ακόμη και σε πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις, η συμπύκνωση αυτών των μειγμάτων λαμβάνει χώρα σε θερμοκρασίες άνω των 100 ο C. Το μίγμα των πισσών δεν πρέπει να συγχέεται με τα στερεά υπολείμματα όπως η τέφρα και το εξανθράκωμα της αεριοποίησης. Η ποσότητα και η σύνθεση των πισσών εξαρτάται από τους ακόλουθους παράγοντες: Τύπος και ιδιότητες της βιομάζας (υγρασία, μέγεθος), συνθήκες αεριοποίησης πίεση, θερμοκρασία, χρόνος παραμονής. Τα προβλήματα που δημιουργεί η περιεχόμενη πίσσα εντοπίζονται κυρίως όταν συμπυκνωθεί σε ψυχρές επιφάνειες δημιουργώντας αποθέσεις και φράξιμο των σωληνώσεων, επιφανειών και συσκευών. Η μείωση της θερμοκρασίας του προκαλεί το σχηματισμό αερολυμάτων πίσσας, των οποίων η απομάκρυνση είναι επιτακτική για την ομαλή λειτουργία των μηχανών. Οι προδιαγραφές των ΜΕΚ ως προς τα επιτρεπτά επίπεδα πίσσας στο αέριο είναι αρκετά ελαστικές. Απομάκρυνση των πισσών από το αέριο πριν από τη χρήση του μπορεί να επιτευχθεί με: διατάξεις έκπλυσης αερίου, ηλεκτροστατικούς διαχωριστές (με ψύξη του αερίου), με χημική ή καταλυτική διάσπαση των πισσών προς σχηματισμό σταθερών αερίων, τόσο μέσα στον αντιδραστήρα αεριοποίησης όσο και μετά την έξοδο του αερίου από αυτόν. Ανάλογα με την τεχνολογία καθαρισμού του αερίου που εφαρμόζεται σε κάθε περίπτωση, μέρος των πισσών καταστρέφεται εντός του αντιδραστήρα και το υπόλοιπο αυτών απομακρύνεται ως ένα υγρό μείγμα / απόβλητο. Εφόσον χρησιμοποιηθεί συμπύκνωση ή καταιονισμός / έκπλυση (scrubbing) του αερίου για απομάκρυνση των πισσών χωρίς να γίνει άλλη διαχείρισή του το υγρό μείγμα πισσών νερού που προκύπτει χρειάζεται ειδική διαχείριση καθώς έχει μεγάλο οργανικό φορτίο (TOC) και πολλές από τις ενώσεις που αποτελούν το μίγμα των πισσών είναι τοξικές απέναντι σε βιολογικούς παράγοντες που χρησιμοποιούνται σε βιολογικούς καθαρισμούς όπως επίσης ενδέχεται λόγω του έντονου αρωματικού χαρακτήρα του των ενώσεων το μίγμα σερ εκτεταμένη επαφή με τον οργανισμό να είναι καρκινογόνο. Εφόσον μια μονάδα παράγει υγρό πισσών / νερού ως απόβλητο

Το μίγμα των πισσών δεν πρέπει να συγχέεται με τα στερεά υπολείμματα όπως η τέφρα και το εξανθράκωμα της αεριοποίησης.

5 (και δεν ακολουθεί προηγμένες τεχνικές καταλυτικής διάσπασης αυτών) η ποσότητα πίσσας αυτή παρότι μικρή σε σχέση με την ποσότητα βιομάζας βρίσκεται σε ένα μείγμα με πολλαπλάσιο νερό που έχει προέλθει από την συμπύκνωση του παραγόμενου αερίου, πρέπει είτε να υπάρξει διαχείρισή της πχ: 1) μέριμνα για την ορθή περιβαλλοντική διαχείριση της εντός της μονάδας (για παράδειγμα συστήματα καύσης της ή επανατροφοδοσία σε αντιδραστήρες που το επιτρέπουν (πχ ρευστοποιηένες κλίνες) ή 2) διαχείριση της από ειδικές εταιρίες διαχείρισης αποβλήτων (με ειδική άδεια για αυτό). Το ΕΚΕΤΑ διαθέτει μεγάλη πείρα από τη συμμετοχή του σε πολλά σχετικά Ευρωπαϊκά προγράμματα στην ανάπτυξη τεχνολογιών μείωσης, κατακράτησης και διαχείρισης των πισσών με ορθολογικό τρόπο (καταστροφή τους). 3) Στον ακόλουθο Πίνακα 1 παρουσιάζονται εκτιμήσεις για τη συγκέντρωση πισσών στο αέριο αεριοποίησης ανά είδος τελικής εφαρμογής, οι οποίες αποτελούν ενδεικτικά όρια ασφάλειας για ομαλή λειτουργία. Πρωταρχική επιδίωξη είναι η ελαχιστοποίηση της παραγωγής βαρέων υδρογονανθράκων. Η επιλογή τύπου αντιδραστήρα αεριοποίησης αποτελεί παράμετρο που επηρεάζει την ποσότητα των παραγόμενων πισσών όπως φαίνεται και στον ακόλουθο Πίνακα 2. Πίνακας 1. Εκτιμώμενα όρια συγκέντρωσης πισσών για ασφαλή λειτουργία ανά εφαρμογή Εφαρμογή / τελική χρήση Προτεινόμενη συγκέντρωση πισσών Καυστήρες Μικρές απαιτήσεις καθαριότητας Μηχανές εσωτερικής καύσης <100 mg/nm 3 Αεριοστρόβιλοι <0.5 mg/nm 3 Συμπιεστές mg/nm 3 Πίνακας 2. Συγκεντρώσεις παραγόμενων πισσών για διάφορους τύπους αντιδραστήρων Τύπος αντιδραστήρα Συγκέντρωση πισσών (g/nm 3 ) Μέγιστη Ελάχιστη Εύρος Καθοδικού ρεύματος Ανοδικού ρεύματος Ρευστοποιημένη κλίνη 23 < Ρευστοποιημένη κλίνη με ανακυκλοφορία 30 <1 1-15

επανατροφοδοσία σε αντιδραστήρες που το επιτρέπουν (πχ ρευστοποιηένες κλίνες) ή 2) διαχείριση της από ειδικές εταιρίες διαχείρισης αποβλήτων (με ειδική άδεια για αυτό).

6 Οι τεχνολογίες παραγωγής ισχύς από αέριο προερχόμενο από αεριοποίηση βιομάζας μπορούν έχουν μειωμένους ρύπους εφόσον έχουν τα απαραίτητα σχετικά τεχνικά χαρακτηριστικά και είναι η λειτουργία τους ρυθμισμένη ορθά. Η ορθή λειτουργία και οι περιβαλλοντικά αποδεκτές εκπομπές ρύπων πρέπει να είναι αντικείμενο μετρήσεων που πρέπει να πραγματοποιούνται στις μονάδες αυτές σε τακτά χρονικά διαστήματα από εξειδικευμένα εργαστήρια.

ορθά. Η ορθή λειτουργία και οι περιβαλλοντικά αποδεκτές εκπομπές ρύπων πρέπει να είναι αντικείμενο

Σχετικά έγγραφα

Συνδυασµός Θερµοχηµικής και Βιοχηµικής

Συνδυασµός Θερµοχηµικής και Βιοχηµικής Εθνικό Κέντρο Έρευνας & Τεχνολογικής Ανάπτυξης Ινστιτούτο Τεχνολογίας & Εφαρµογών Στερεών Καυσίµων (ΕΚΕΤΑ / ΙΤΕΣΚ) Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Εργαστήριο Ατµοπαραγωγών & Θερµικών Εγκαταστάσεων (ΕΜΠ / ΕΑ&ΘΕ