ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ:

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ II ΑΝΑΛΥΣΗ, ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ & ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΚΑΙ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: «Θερμοδυναμική Προσομοίωση και Τεχνικοοικονομική Μελέτη της Αεριοποίησης Πλάσματος για την Επεξεργασία Στερεών Αστικών Απορριμμάτων» Φοιτητής: Νικολάου Ανδρέας Επιβλέπων Καθηγητής: Επαμεινώνδας Βουτσάς Αθήνα, Ιούλιος 2010

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ...3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ...4 ΕΙΣΑΓΩΓΗ...6 1. ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑΣ ΑΕΡΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΠΛΑΣΜΑΤΟΣ...9 1.1 Περιγραφή διαγράμματος ροής...11 1.2 Αντιδραστήρας αεριοποίησης...12 1.2.1 Αντιδραστήρες κινούμενης κλίνης...12 1.2.2 Πυρσοί πλάσματος...15 1.3 Ξηραντήρας Εναλλάκτης θερμότητας...18 1.4 Συστήματα καθαρισμού...19 1.4.1 Κυκλώνας...19 1.4.2 Θάλαμος ψεκασμού νερού...20 1.4.3 Διαχωριστής venturi...20 1.4.4 Υγροί ηλεκτροστατικοί διαχωριστές...21 1.4.5 Πύργος απορρόφησης και χημικής αντίδρασης όξινων αερίων...21 1.4.6 Πύργος απορρόφησης H 2 S...21 1.5 Συστήματα ανάκτησης ενέργειας...22 1.5.1 Γενικά...22 1.5.2 Μηχανές αερίου...23 Βιβλιογραφία...24 2. ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΑΕΡΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΠΛΑΣΜΑΤΟΣ...26 2.1 Κανόνας των φάσεων του Gibbs...26 2.2 Επιλογή αριθμού συστατικών...27 2.3 Καθορισμός ανεξάρτητων αντιδράσεων...27 2.4 Θερμοδυναμικά δεδομένα...29 2.5 Προσδιορισμός σταθερών χημικής ισορροπίας...30 2.6 Ισοζύγια μάζας Ισοζύγιο ενέργειας...32 2.6.1 Ισοζύγια μάζας...32 2.6.2 Ισοζύγιο ενέργειας...33 2.7 Ανάλυση βαθμών ελευθερίας του συστήματος...34 2.8 Επίλυση του μοντέλου...35 2.9 Συνθήκες ισορροπίας...36 2.10 Σχηματισμός υπολειμμάτων στερεού άνθρακα...37 2.11 Επικύρωση θερμοδυναμικού μοντέλου...39 2.12 Αποτελέσματα...47 2.12.1 Ορισμός συστάσεων...47 2.12.2 Ενθαλπία σχηματισμού απορρίμματος...48 2.12.3 Παραμετρική ανάλυση της διεργασίας...48 Βιβλιογραφία...59 3. ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑΣ ΑΕΡΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΠΛΑΣΜΑΤΟΣ...60 3.1 Ανάλυση ενεργειακών μεγεθών...60 3.2 Ενεργειακή βελτιστοποίηση...61 3.2.1 Παραδοχές...62 3.2.2 Επίδραση της θερμοκρασίας...63 3.2.3 Επίδραση οξυγόνου και υγρασίας...65 1

3.3 Αποτελέσματα βελτιστοποίησης...70 3.4 Ενέργεια υαλοποίησης...73 3.5 Συνοπτική παρουσίαση αποτελεσμάτων βελτιστοποίησης...75 3.5.1 Σύσταση κατά mol και κατά μάζα αερίου σύνθεσης...75 3.5.2 Ενεργειακά μεγέθη...76 Βιβλιογραφία...77 4. ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑΣ ΑΕΡΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΠΛΑΣΜΑΤΟΣ...78 4.1 Διαστασιολόγηση εξοπλισμού...78 4.1.1 Διάταξη εναλλάκτη θερμότητας ξηραντήρα...79 4.1.2 Αντιδραστήρας αεριοποίησης...83 4.1.3 Συστήματα καθαρισμού...84 4.1.4 Μηχανές εσωτερικής καύσης...84 4.2 Εκτίμηση πάγιου κόστους εξοπλισμού...85 4.3 Εκτίμηση ετήσιου λειτουργικού κόστους...88 4.4 Οικονομική αξιολόγηση της επένδυσης...90 Εκτός από το σενάριο αναφοράς μελετήθηκε και σενάριο κρατικής επιχορήγησης της επένδυσης σε ποσοστό 40% (Σενάριο Επιχορήγησης). Χρησιμοποιήθηκε για την περίπτωση αυτή τέλος διάθεσης απορριμμάτων (gate fee) ίσο με 70 ευρώ ανά τόνο απορρίμματος...93 Στο διάγραμμα 22 δίνονται οι χρονικά αναπροσαρμοσμένες καθαρές ταμειακές ροές για το σενάριο επιχορήγησης ενώ στο διάγραμμα 23 παρουσιάζεται ο χρόνος επιστροφής της επένδυσης, ο οποίος ανέρχεται στα 13 χρόνια....93 4.5 Οικονομική παραμετρική ανάλυση...94 4.5.1 Τιμή πώλησης ηλεκτρικής ενέργειας...94 4.5.2 Τιμή διάθεσης απορριμμάτων ανά τόνο...95 4.5.3 Ποσοστό επιχορήγησης της επένδυσης...95 4.5.4 Επίδραση του ετήσιου κόστους λειτουργίας στην καθαρή παρούσα αξία 97 Βιβλιογραφία...98 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...99 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ...101 Διαγράμματα...101 Εικόνες...102 ΜΟΝΤΕΛΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ... Error! Bookmark not defined. 2

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διπλωματική εργασία έγινε υπό την επίβλεψη και καθοδήδηση του καθηγητή κ. Επαμεινώνδα Βουτσά και αφορά στην θερμική διαχείρηση στερεών αστικών απορριμμάτων με την τεχνολογία της αεριοποίησης πλάσματος. Η εργασία αυτή αντιπροσωπεύει συνεχείς προσπάθειες πολλών μηνών. Μέσω αυτής θεωρώ ότι έθεσα γερά θεμέλια σε βασικές αρχές της Χημικής Μηχανικής με τις οποιές είχα έρθει σε επαφή κατά τη διάρκεια των προπτυχιακών μου σπουδών στη σχολή Χημικών Μηχανικών του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου. Επιπλέον, η εμπιστοσύνη που μου έδειξε ο καθηγητής μου κ. Επαμεινώνδας Βουτσάς αλλά και η καίρια καθοδήγηση του όχι μόνο έκαναν δυνατή την εκπλήρωση της εργασίας αλλά μου έδωσαν κίνητρο να ασχοληθώ σε βάθος και με φαντασία με την αεριοποίηση πλάσματος. Για αυτό και για πολλά ακόμα τον ευχαριστώ πολύ. Την ευγνωμοσύνη μου εκφράζω επίσης στον καθηγητή κ. Δημήτρη Τασσιό για τις πολύτιμες συμβουλές του και το ενδιαφέρον που έδειξε για την εργασία μου, αλλά και στον Αντώνη Μουντούρη του οποίου η διδακτορική διατριβή αποτέλεσε ακρογωνιαίο λίθο της διπλωματικής μου εργασίας. Ακόμα, θα ήθελα να ευχαριστήσω όλα τα μέλη του εργαστηρίου Θερμοδυναμικής και Φαινομένων Μεταφοράς και ιδιαίτερα τους υποψήφιους διδάκτορες για την προθυμία τους να βοηθήσουν σε κάθε στάδιο της εργασίας μου και για το πολύ ωραίο κλίμα που έχουν δημιουργήσει στο εργαστήριο. Χαίρομαι πολύ που συμμέτειχα και εγώ σε αυτήν την ομάδα έστω και για αυτό το λίγο χρονικό διάστημα. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω τους γονείς μου για την αμέριστη συμπαράσταση τους (υλική και άυλη) σε όλα αυτά τα χρόνια των σπουδών μου. 3

ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα διπλωματική εργασία στόχο έχει τη μελέτη της αεριοποίησης πλάσματος για την επεξεργασία αστικών στερεών απορριμμάτων (ΑΣΑ) προς παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Αρχικά καταστρώνεται θερμοδυναμικό μοντέλο χημικής ισορροπίας το οποίο προβλέπει τη σύσταση του παραγόμενου αερίου σύνθεσης στα CO,H 2, CH 4, H 2 O,CO 2, N 2,S, H 2 S, Cl 2 ΗCl. Το μοντέλο αυτό αποτελεί προέκταση του θερμοδυναμικού μοντέλου Gasifeq, το οποίο «έστησε» ο Αντώνης Μουντούρης σε συνεργασία με τους Ε. Βουτσάς και Δ. Τασσιός. Έπειτα, επειδή μελετάται η περίπτωση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, γίνεται ενεργειακή βελτιστοποίηση σε σταθερή θερμοκρασία και με παραμέτρους την υγρασία και το οξυγόνο. Τελικά, χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα της ενεργειακής βελτιστοποίησης, διαστασιολογείται ο εξοπλισμός και πραγματοποιείται προκαταρκτική οικονομική ανάλυση της εν λόγω διεργασίας η οποία καταλήγει στον καθορισμό της καθαρής παρούσας αξίας της επένδυσης για μονάδα αεριοποίησης πλάσματος. Οι οικονομική ανάλυση έγινε για επεξεργασία 750 τόνων ανά ημέρα ελληνικών αστικών απορριμμάτων. Στο πρώτο μέρος παρουσιάζεται η τεχνολογία της αεριοποίησης. Δίνεται το διάγραμμα ροής της συνολικής διεργασίας και αναλύονται τα κύρια τμήματα του χρησιμοποιούμενου εξοπλισμού. Πιο συγκεκριμένα γίνεται περιγραφή του τομέα της αεριοποίησης (αντιδραστήρας αεριοποίησης, πυρσοί πλάσματος), των συστημάτων καθαρισμού και των συστημάτων ανάκτησης ενέργειας. Στο δεύτερο μέρος παρουσιάζεται η θερμοδυναμική ανάλυση της διεργασίας, η οποία αποτελεί τον πυρήνα της μελέτης της αεριοποίησης πλάσματος. Το μέρος αυτό επικεντρώνεται στον αντιδραστήρα και στις διεξαγόμενες σε αυτόν αντιδράσεις. Ξεκινώντας από την αρχή της ελαχιστοποίησης της ελεύθερης ενέργειας Gibbs και συνθέτοντας τα ισοζύγια μάζας και ενέργειας προκύπτει η επίλυση του θερμοδυναμικού μοντέλου ως προς τη σύσταση του παραγόμενου αερίου σύνθεσης και ως προς την καταναλισκόμενη ηλεκτρική ενέργεια. Έπειτα, γίνεται παραμετρική ανάλυση ως προς τις βασικές μεταβλητές που εμπλέκονται στη διεργασία (θερμοκρασία, οξυγόνο, υγρασία). Στο τρίτο μέρος της εργασίας γίνεται η ενεργειακή ανάλυση της διεργασίας. Παρουσιάζονται τα ενεργειακά μεγέθη που εμπλέκονται και γίνεται ενεργειακή βελτιστοποίηση ως προς την καθαρή παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η μελέτη αφορά στην επίδραση της θερμοκρασίας, του οξυγόνου και της υγρασίας. Η ενεργειακή βελτιστοιοποίηση έδειξε ότι παράγονται 633 kwh ανά τόνο απορρίμματος (καθαρή παραγωγή ενέργειας). Στο τέταρτο μέρος γίνεται η οικονομική αξιολόγηση της διεργασίας αεριοποίησης πλάσματος. Χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα του τρίτου μέρους γίνεται η διαστασιολόγηση του εξοπλισμού. Έπειτα πραγματοποιείται η εκτίμηση του πάγιου κόστους εγκατάστασης και του ετήσιου λειτουργικού κόστους οπότε η μελέτη οδηγείται στη κατάστρωση επενδυτικού σχεδίου και έπειτα στο καθορισμό 4

της καθαρής παρούσας αξίας της εγκατάστασης. Η οικονομική ανάλυση έδειξε ότι το πάγιο κόστος εγκατάστασης για την αεριοποίηση πλάσματος ανέρχεται στα 7800 Ευρώ ανά παραγόμενο kw. Το λειτουργικό κόστος ανήλθε στα 59 Ευρώ ανά τόνο ενώ η επένδυση κρίθηκε σε πρώτη φάση αντιοικονομική. Η μελέτη της επίδρασης των σημαντικότερων οικονομικών παραμέτρων (τιμή πώλησης παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, τέλος διάθεσης απορριμμάτων, επιχορήγηση) έδειξε ότι η επένδυση σε μονάδα επεξεργασίας στερεών αστικών απορριμμάτων με αεριοποίηση πλάσματος μπορεί να γίνει συμφέρουσα με κατάλληλες πολιτικές προώθησης από το κράτος. 5

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ανέκαθεν ο άνθρωπος είχε απόλυτη εξάρτηση από τις ενεργειακές του πηγές. Στις μέρες μας αυτή η εξάρτηση έχει μεγιστοποιηθεί αφού η ενεργειακή επάρκεια μιας χώρας είναι αναγκαία συνθήκη για την ευημερία της. Πλέον η κάλυψη των ενεργειακών αναγκών γίνεται με αποδοτικό τρόπο ως προς τους φυσικούς πόρους αλλά και με φιλική διάθεση ως προς το περιβάλλον. Η βιώσιμη ανάπτυξη είναι ένα από τα μεγαλύτερα στοιχήματα που καλείται να κερδίσει ο σύγχρονος άνθρωπος. Στις μέρες μας, ένα άλλο σημαντικό πρόβλημα, το οποίο σχετίζεται με τη συνεχή αύξηση του πληθυσμού και με τη βελτίωση του βιοτικού επιπέδου, είναι αυτό της διάθεσης των απορριμμάτων. Καθημερινά παράγονται τεράστιες ποσότητες σκουπιδιών ως αποτέλεσμα των ανθρώπινων δραστηριοτήτων. Βιομηχανία και γεωργία, εμπόριο και υπηρεσίες και ο οικιακός τομέας συμβάλλουν στην συγκέντρωση απορριμμάτων τα οποία πρέπει να εναποτεθούν με ασφαλή τρόπο για τον άνθρωπο και το περιβάλλον. Αρκεί να αναφερθεί ότι στην περιοχή της Αττικής παράγονται κάθε μέρα 7300 τόνοι σκουπιδιών. Αυτό το ποσό αντιστοιχεί σε 1,5 κιλό απορρίμματα ανά κάτοικο ανά ημέρα ή σε μισό τόνο ανά κάτοικο ανά έτος και αποτελεί σοβαρότατο ζήτημα που απαιτεί έξυπνες λύσεις και σωστές αποφάσεις. Μέχρι τώρα η κυρίαρχη μέθοδος διάθεσης των απορριμμάτων ήταν αυτή της υγειονομικής ταφής (ΧΥΤΑ). Η παραγωγή μεθανίου (αέριο του θερμοκηπίου), η διαρροή βαρέων μετάλλων και διοξινών στον υδροφόρο ορίζοντα και οι απαιτήσεις σε μεγάλες εκτάσεις για τα ΧΥΤΑ οδήγησαν σταδιακά στην απαξίωση τους και στην προώθηση νέων μεθόδων επεξεργασίας. Αναμφισβήτητα, η ανακύκλωση αποτελεί ένα πολύ σημαντικό και αναντικατάστατο μέρος των διαθέσιμων τεχνολογιών επεξεργασίας απορριμμάτων. Εκεί ανακτώνται χρήσιμα και ακριβά υλικά τα οποία επαναχρησιμοποιούνται. Εκτός αυτού η ανάκτηση μέρους των απορριμμάτων οδηγεί και στην ελάττωση του όγκου που καταλήγει στα ΧΥΤΑ. Για τους παραπάνω λόγους δίνεται έμφαση στη συγκεκριμένη τεχνική. Όπως μπορεί να φανεί στην εικόνα 1, η Ελλάδα βρίσκεται σε πρώιμα στάδια όσο αφορά στην ανακύκλωση ενώ το 90% σχεδόν των παραγόμενων απορριμμάτων καταλήγουν σε ΧΥΤΑ και χωματερές. Στην Ευρώπη παράλληλα με την ανακύκλωση αναπτύσσονται και οι θερμικές μέθοδοι επεξεργασίας απορριμμάτων προς παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Οι θερμικές μέθοδοι έχουν διττό στόχο. Από τη μία συντελούν στην επεξεργασία μέρους των παραγόμενων απορριμμάτων και από την άλλη προσφέρουν ηλεκτρική ενέργεια στο εθνικό ηλεκτρικό δίκτυο. Συνδράμουν έτσι και στο ζήτημα των απορριμμάτων και στο ενεργειακό ζήτημα. Η ιδιότητα αυτή των θερμικών μεθόδων έχει γίνει κατανοητή από διάφορους φορείς όπως η Ευρωπαϊκή Ένωση η οποία προωθεί αυτές τις τεχνολογίες έναντι των συμβατικών ΧΥΤΑ. 6

Στις θερμικές μεθόδους εντάσσονται η καύση και η αεριοποίηση, οι οποίες λειτουργούν ανταγωνιστικά. Μέχρι τώρα η καύση προτιμάται από την αεριοποίηση αφού είναι πιο απλή μέθοδος από την αεριοποίηση και το πρόβλημα των αερίων εκπομπών έχει επιλυθεί με τη χρήση σύγχρονων συστημάτων καθαρισμού. Η αεριοποίηση είναι περιβαλλοντικά πιο φιλική μέθοδος από την καύση. Από τα απορρίμματα παράγεται το αέριο σύνθεσης αποτελούμενο κυρίως από CO και Η 2, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (συστήματα καύσης, κυψέλες υδρογόνου) είτε για την παραγωγή χημικών (μεθανόλη, diesel). Η αεριοποίηση πλάσματος προσφέρει επιπλέον υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας και για αυτό, το υπόλειμμα της διεργασίας της αεριοποίησης είναι ένα αδρανές υαλοποιημένο υλικό το οποίο μπορεί να εναποτεθεί με ασφάλεια στο περιβάλλον ή ακόμα και υπό συνθήκες να χρησιμοποιηθεί ως κατασκευαστικό υλικό. Βασικό μειονέκτημα της αεριοποίησης πλάσματος είναι η κατανάλωση υψηλής ποιότητας ενέργειας (ηλεκτρική ενέργεια) για την διεξαγωγή των επιτελούμενων αντιδράσεων Τέλος, αναφορά πρέπει να γίνει και στις βιολογικού τύπου διεργασίες (αερόβια αναερόβια ζύμωση, κομποστοποίηση). Οι βιολογικές διεργασίες χρησιμοποιούν το βιοαποικοδομήσιμο κλάσμα των απορριμμάτων για παραγωγή ενέργειας. Το βασικό τους μειονέκτημα είναι ότι απαιτούν αυστηρό διαχωρισμό των αποβλήτων προς επεξεργασία. Εικόνα 1 : Συμμετοχή τεχνολογιών επεξεργασίας/διάθεσης απορριμμάτων σε χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Eurostat (2008) 7

Στη παρούσα διπλωματική εργασία έγινε ανάλυση της αεριοποίησης πλάσματος στερεών αστικών απορριμμάτων. Χρησιμοποιήθηκε και επεκτάθηκε το θερμοδυναμικό μοντέλο Gasifeq το οποίο έχει αναπτυχθεί από το εργαστήριο Φαινομένων μεταφοράς και θερμοδυναμικής του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής του Α. Μουντούρη. Εκτός από τη θερμοδυναμική προσομοίωση το μοντέλο περιλαμβάνει ενεργειακή βελτιστοποίηση και προκαταρκτική τεχνικοοικονομική μέλετη μονάδας επεξεργασίας στερεών αστικών απορριμμάτων με αεριοποίηση πλάσματος. 8

1. ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑΣ ΑΕΡΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΠΛΑΣΜΑΤΟΣ Η αεριοποίηση πλάσματος έχει στόχο την επεξεργασία στερεών απορριμμάτων προς παραγωγή καύσιμου αεριού γνωστού ως αέριο σύνθεσης και αδρανούς υαλώδους στερεού υπολείμματος. Το καύσιμο αέριο μπορεί να γίνει ενεργειακά εκμεταλλεύσιμο σε μηχανές αερίου ή άλλο ενεργειακό σύστημα ενώ το υαλώδες υπόλειμμα, το οποίο έχει υποπολλαπλάσιο όγκο από το αρχικό σκουπίδι, μπορεί είτε να εναποτεθεί σε ΧΥΤΑ είτε ακόμα να χρησιμοποιηθεί ως φθηνό οικοδομικό υλικό. Από τα παραπάνω φαίνεται ο διπλός ρόλος που έχει ο αντιδραστήρας πλάσματος: Από τη μία, το οργανικό μέρος της τροφοδοσίας συμμετέχει σε ενδόθερμες αντιδράσεις αεριοποίησης προς παραγωγή του καύσιμου αερίου και από την άλλη το ανόργανο μέρος τήκεται και υαλοποιείται. Τόσο η αεριοποίηση όσο και η υαλοποίηση απαιτούν ενέργεια για να πραγματοποιηθούν. Η ενέργεια αυτή παρέχεται με τη μορφή ηλεκτρισμού μέσω των πυρσών πλάσματος. Από τους πυρσούς διέρχεται αέριο μέσο, όπως ο ατμοσφαιρικός αέρας ή το καθαρό οξυγόνο. Λόγω των ηλεκτρικών εκκενώσεων που οφείλονται στη διαφορά δυναμικού ανόδου καθόδου του πυρσού, το αέριο ιονίζεται και γίνεται πλάσμα σε θερμοκρασίες που τοπικά μέσα στον πυρσό υπερβαίνουν τους 7000 C. Οι υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας που μπορούν να επιτευχθούν συμβάλλουν θετικά στην όλη διεργασία τόσο περιβαλλοντικά όσο και ενεργειακά. Εκτός από το αέριο μέσο που εισέρχεται με τη μορφή πλάσματος στον αντιδραστήρα, η αεριοποίηση απαιτεί και νερό, το οποίο εισέρχεται ως υγρασία του απορρίμματος. Η τιμή της υγρασίας ρυθμίζεται στα επιθυμητά επίπεδα από ξηραντήρα άμεσης επαφής, ο οποίος λειτουργεί εκμεταλλευόμενος την αισθητή θερμότητα του εξερχόμενου από τον αντιδραστήρα θερμού αερίου σύνθεσης. Συνοψίζοντας τα παραπάνω προκύπτει ότι οι μαζικές ροές εισόδου στον αντιδραστήρα είναι τρεις: απορρίμματα, αέρας και υγρασία ενώ υπάρχει μία ενεργειακή ροή εισόδου, αυτή της ηλεκτρικής ενέργειας που προσδίνεται μέσω των πυρσών. Επιπλέον υπάρχουν και δυο μαζικές ροές εξόδου: το αέριο σύνθεσης και το υαλώδες υλικό. Το αέριο σύνθεσης που παράγεται στον αντιδραστήρα διέρχεται από σειρά συστημάτων καθαρισμού για την απομάκρυνση στερεών σωματιδίων και όξινων αερίων και έπειτα μεταβαίνει στα συστήματα ανάκτησης ενέργειας όπου και καίγεται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Για το σκοπό αυτό μπορούν να χρησιμοποιηθούν απλό κύκλο ατμού, συνδυασμένο κύκλο και μηχανές εσωτερικής καύσης. Η θερμογόνος δύναμη του αερίου σύνθεσης είναι ιδιαίτερα χαμηλή (περίπου το ένα τρίτο αυτής του φυσικού αερίου) και για αυτό απαιτούνται εξειδικευμένες μηχανές για την καύση του. Στα συστήματα συνδυασμένου κύκλου χρησιμοποιείται και το θερμικό περιεχόμενο των καυσαερίων του αεριοστρόβιλου για την παραγωγή ατμού και χρήση του σε ατμοστρόβιλο. Με αυτόν τον τρόπο αυξάνεται σημαντικά η ενεργειακή απόδοση της διεργασίας. 9

Παρακάτω δίνεται το διάγραμμα ροής της διεργασίας: Εικόνα 2: Διάγραμμα ροής της διεργασίας αεριοποίησης πλάσματος για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας 10

1.1 Περιγραφή διαγράμματος ροής Η τροφοδοσία της μονάδας εισέρχεται αρχικά σε ξηραντήρα όπου και αφαιρείται ένα μέρος της υγρασίας της. Η ξήρανση πραγματοποιείται με την άμεση επαφή θερμού αέρα και απορρίμματος. Ο αέρας, προτού εισέλθει στον ξηραντήρα, θερμαίνεται σε εναλλάκτη θερμότητας. Το ρεύμα που θερμαίνει τον αέρα είναι το εξερχόμενο από τον αντιδραστήρα αέριο σύνθεσης. Το ξηρό πλέον απόρριμμα, εισέρχεται μέσω ειδικού συστήματος αεροστεγούς τροφοδότησης στην κάμινο πλάσματος, όπου και πραγματοποιούνται οι διεργασίες της αεριοποίησης και της υαλοποίησης. Λαμβάνεται έτσι από την κορυφή του αντιδραστήρα το αέριο σύνθεσης και από τον πυθμένα το τηγμένο ανόργανο υλικό. Το παραγόμενο αέριο, εξερχόμενο από τον αντιδραστήρα, διέρχεται από κυκλώνα κατακράτησης στερεών σωματιδίων και έπειτα εισέρχεται στον εναλλάκτη θερμότητας όπου και ψύχεται από τη θερμοκρασία αεριοποίησης (1000 o C) στη θερμοκρασία των 500 o C. Ύστερα, από τον εναλλάκτη θερμότητας, το αέριο σύνθεσης διέρχεται με τη σειρά από θάλαμο ψεκασμού με νερό και από διάταξη venturi. Σκοπός των δύο αυτών συστημάτων είναι αφενός η απότομη ψύξη του αερίου σύνθεσης για να μην επανασχηματιστούν διοξίνες και φουράνια και αφετέρου η απομάκρυνση στερεών σωματιδίων τα οποία έχουν παραμείνει στην κύρια μάζα του αερίου. Έπειτα, το αέριο σύνθεσης εισέρχεται σε σύστημα απομάκρυνσης μικρομερών σωματιδίων το οποίο λειτουργεί με ηλεκτρικό ρεύμα (wet electrostatic precipitator) και στη συνέχεια μεταβαίνει, αρχικά σε πύργο με πληρωτικό υλικό και έπειτα σε στήλη με δίσκους. Στον πύργο έρχεται σε επαφή κατά αντιρροή με διάλυμα NaOH όπου και απομακρύνονται τα όξινα αέρια όπως το HCl. Η στήλη με δίσκους χρησιμοποιείται για την απομάκρυνση του υδρόθειου που περιέχεται στο αέριο σύνθεσης. [2] Εγκαταλείποντας τα συστήματα καθαρισμού το αέριο σύνθεσης είναι έτοιμο για καύση. Αποθηκεύεται σε δεξαμενή από όπου και τροφοδοτείται στις μηχανές εσωτερικής καύσης. Εκεί πραγματοποιείται η καύση του αερίου με περίσσεια σε ατμοσφαιρικό αέρα και παράγεται ηλεκτρική ενέργεια. Από τη συνολικά παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια, ένα μέρος καταναλώνεται στον αντιδραστήρα για την κάλυψη των ενεργειακών απαιτήσεων αεριοποίησης υαλοποίησης, ενώ το υπόλοιπο πωλείται στο ηλεκτρικό δίκτυο. 11

1.2 Αντιδραστήρας αεριοποίησης Σε πραγματική κλίμακα έχουν αναπτυχθεί και χρησιμοποιούνται δύο βασικές κατηγορίες αντιδραστήρων: οι αντιδραστήρες κινούμενης κλίνης (moving bed reactor) και οι αντιδραστήρες ρευστοποιημένης κλίνης (fluidized bed reactor). Τα τελευταία χρόνια χρησιμοποιούνται στην αεριοποίηση λιγνίτη και αντιδραστήρες γνωστοί στην ξένη βιβλιογραφία ως entrained flow reactors. Οι αντιδραστήρες ρευστοποιημένης κλίνης δεν προσφέρονται στην αεριοποίηση πλάσματος επειδή το πηκτό τηγμένο υλικό δεν επιτρέπει τη διέλευση επαρκούς ποσότητας αέρα εμποδίζοντας έτσι τη ρευστοποίηση της κλίνης απορριμμάτων. [1] Ο πιο χρησιμοποιημένος τύπος αντιδραστήρας είναι αυτός της κινούμενης κλίνης και θα παρουσιαστεί παρακάτω. 1.2.1 Αντιδραστήρες κινούμενης κλίνης Οι αντιδραστήρες κινούμενης κλίνης είναι οι πρώτοι που χρησιμοποιήθηκαν στην αεριοποίηση. Μπορούν να λειτουργούν σε θερμοκρασίες κοντά στους 1000 o C ή και υψηλότερες, ενώ αναλόγως με τον τρόπο εισαγωγής του αερίου μέσου αεριοποίησης χωρίζονται στους αντιδραστήρες αντιρροής (updraft) και σε αυτούς ομορροής (downdraft). Εκτός από αυτούς τους δύο τύπους έχουν αναπτυχθεί και αντιδραστήρες όπου τροφοδοσία και αέρας εισέρχονται κατά αντιρροή από τα πλευρικά τοιχώματα του δοχείου [1]. Εικόνα 3: Ζώνες διεργασιών σε αντιδραστήρα (α) αντιρροής (updraft) και (β) ομορροής (downdraft). [7] 12

Και στις δύο υποκατηγορίες αντιδραστήρων τα στερεά απορρίμματα εισέρχονται συνεχώς από την κορυφή, κατέρχονται λόγω βαρύτητας και καταναλώνονται κατά την κάθοδο τους στον αντιδραστήρα. Τα οργανικά συστατικά καταναλώνονται προς αέρια προϊόντα τα οποία κινούνται προς την κορυφή του αντιδραστήρα ενώ τα ανόργανα τήκονται και εγκαταλείπουν το θάλαμο αντίδρασης κινούμενα προς τα κάτω σε θάλαμο ψύξης και υαλοποίησης. Έτσι συνεχώς καταναλώνεται ένα στρώμα υλικού και αναπληρώνεται από το αμέσως επάνω λόγω της επίδρασης της βαρύτητας. Στους αντιδραστήρες αντιρροής, το μέσο αεριοποίησης εισέρχεται από τον πάτο και διαμορφώνονται έτσι «ζώνες διεργασιών». Πιο συγκεκριμένα, στον πάτο του αντιδραστήρα, λόγω της υψηλής συγκέντρωσης σε οξυγόνο και των υψηλών θερμοκρασιών που επιβάλλουν οι πυρσοί πλάσματος ευνοούνται οι αντιδράσεις καύσης του οργανικού μέρους του απορρίμματος. Η καύση είναι επιθυμητή διεργασία παρόλο που καταναλώνει ύλη η οποία θα μπορούσε να αεριοποιηθεί. Η ενέργεια που απελευθερώνεται λόγω των εξώθερμων φαινομένων χρησιμοποιείται από τις ενδόθερμες αντιδράσεις αεριοποίησης. Με αυτόν τον τρόπο μειώνονται οι απαιτήσεις σε παροχή ηλεκτρικής ενέργειας στην κάμινο πλάσματος. Πάνω από τη ζώνη καύσης βρίσκεται η ζώνη αεριοποίησης. Το οξυγόνο που φθάνει σε αυτήν την περιοχή μέσω της ζώνης καύσης δεν είναι αρκετό για να κάψει τα συστατικά του σκουπιδιού αλλά δεν είναι και λίγο για να δημιουργήσει συνθήκες πυρόλυσης. Η ποσότητα του οξυγόνου είναι κατάλληλη για την πραγματοποίηση της αεριοποίησης. [7, 9] Τέλος, πάνω από τη ζώνη αεριοποίησης βρίσκεται η ζώνη πυρόλυσης και προθέρμανσης της τροφοδοσίας. Το οξυγόνο που απελευθερώνεται από τους πυρσούς πλάσματος έχει καταναλωθεί πρωτογενώς στη καύση και δευτερογενώς στην αεριοποίηση οπότε ελάχιστες ποσότητες οξυγόνου φθάνουν στο επάνω τμήμα της κλίνης σκουπιδιών. Οι συνθήκες είναι κατάλληλες για πυρόλυση. Η πυρόλυση οδηγεί σε παραγωγή ελαφρών υδρογονανθράκων (tars chars) οι οποίοι ανιχνεύονται στο αέριο σύνθεσης και πρέπει να απομακρυνθούν από αυτό. Επιπλέον είναι πιθανή η παράσυρση στερεών σωματιδίων απορρίμματος από το εξερχόμενο αέριο σύνθεσης. Από τα παραπάνω είναι εμφανές ότι η πυρόλυση είναι παράπλευρο ανεπιθύμητο φαινόμενο. Εκτός από την πυρόλυση πραγματοποιείται ψύξη του αερίου σύνθεσης λόγω άμεσης επαφής με το κατερχόμενο απόρριμμα το οποίο προθερμαίνεται προτού φτάσει στη ζώνη αεριοποίησης. Σε αυτή τη ζώνη ένα μικρό μέρος της τροφοδοσίας παρασύρεται από το αέριο σύνθεσης, παρακρατείται από τον κυκλώνα και επιστρέφει στον αντιδραστήρα. [7] Είναι εμφανές ότι στους αντιδραστήρες αντιρροής πραγματοποιούνται διεργασίες ομαλά συνδεδεμένες μεταξύ. Για παράδειγμα η προθέρμανση της τροφοδοσίας γίνεται αρχικά στο επάνω μέρος του αντιδραστήρα όπου συναντώνται οι χαμηλότερες θερμοκρασίες. Έπειτα η προθερμασμένη τροφοδοσία αεριοποιείται στη ζώνη αεριοποίησης και το εναπομένον υλικό όντας ακόμη 13

θερμότερο λόγω της επαφής με το παραγόμενο αέριο σύνθεσης κινείται στη ζώνη καύσης. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι οι αντιδραστήρες αυτού του τύπου έχουν το μειονέκτημα της εμφάνισης ακαθαρσιών στο αέριο σύνθεσης, οι οποίες πρέπει να αφαιρεθούν στα συστήματα καθαρισμού. Επίσης εμφανίζουν μειωμένες ενεργειακές αποδόσεις αφού το αέριο σύνθεσης κατά την άνοδο του στην κορυφή του αντιδραστήρα ψύχεται θερμαίνοντας την τροφοδοσία. [1] Εικόνα 4: Δομή του δοχείου διεξαγωγής της αεριοποίησης και της υαλοποίησης. [1] Στους αντιδραστήρες ομορροής το αέριο μέσο αεριοποίησης κινείται στην ίδια κατεύθυνση με την τροφοδοσία. Οι βασικές διαφορές με τους αντιδραστήρες ομορροής είναι οι εξής [1]: 1. Το αέριο σύνθεσης εξέρχεται από τον αντιδραστήρα σε υψηλότερες θερμοκρασίες από ότι στη περίπτωση της αντιρροής αφού δεν προθερμαίνει τη τροφοδοσία και αυξάνει έτσι τη θερμική απόδοση της διεργασίας. 14

2. Η πυρόλυση δεν ευνοείται στην περίπτωση της ομορροής και έτσι οι υδρογονάνθρακες είναι σχεδόν ανύπαρκτοι στη σύσταση του αερίου σύνθεσης. Η χρήση του πλάσματος συμβάλλει στην αντιμετώπιση των προβλημάτων θερμικής απόδοσης και καθαρότητας του αεριού σύνθεσης. Λόγω των υψηλών θερμοκρασιών, οι αντιδράσεις αεριοποίησης πραγματοποιούνται με πολύ ταχείς ρυθμούς επιτρέποντας τη γρήγορη αποσύνθεση του απορρίμματος (ως και 10000 φορές γρηγορότερα από τη συμβατική καύση). Τα καθαρότερα προϊόντα και οι υψηλότερες ενεργειακές αποδόσεις λόγω επίτευξης υψηλών θερμοκρασιών κάνουν την τεχνολογία αεριοποίησης πλάσματος ανταγωνιστική, τουλάχιστον σε τεχνικό περιβαλλοντικό επίπεδο. [12] Αναφορά πρέπει να γίνει και στα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά αντιδραστήρων κινούμενης κλίνης. των Λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που αναπτύσσονται απαιτούνται πολύ ακριβά υλικά κατασκευής όπως κεραμικά και κράματα υψηλής περιεκτικότητας σε χρώμιο και νικέλιο. Επιπλέον αποτελούνται από διπλό τοίχωμα όπου ανάμεσα ρέει νερό ψύξης ώστε να διατηρεί τα τοιχώματα σε χαμηλές θερμοκρασίες. Ο χώρος ανάμεσα στα τοιχώματα μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την προθέρμανση του αέρα που εισέρχεται στον αντιδραστήρα. Στην κορυφή και στον πυθμένα του αντιδραστήρα υπάρχουν αντίστοιχα συστήματα εισόδου του απορρίμματος και εξόδου του τηγμένου υλικού τα οποία εξασφαλίζουν την αεροστεγή μετάβαση των υλικών προς και από τον αντιδραστήρα. Ο αντιδραστήρας αποτελείται στην ουσία από τα 2 παραπάνω συστήματα, το θάλαμο αντίδρασης και το θάλαμο ψύξης και υαλοποίησης του ανόργανου υλικού όπως φαίνεται στην εικόνα 4. Τέλος, κάτω από το σύστημα τροφοδοσίας τοποθετούνται διανομείς του σκουπιδιού ώστε να διαμοιράζεται όσο το δυνατόν ομοιόμορφα η τροφοδοσία και να επιτυγχάνεται έτσι καλή επαφή αερίου στερεού. 1.2.2 Πυρσοί πλάσματος Το πλάσμα είναι γνωστό ως η τέταρτη κατάσταση της ύλης, συνέχεια των υπόλοιπων φάσεων: της στερεάς, της αέριας και της υγρής. Ο συνήθης τρόπος δημιουργίας πλάσματος είναι η παροχή ηλεκτρικού ρεύματος σε δυο αντίθετα φορτισμένα ηλεκτρόδια και ταυτόχρονη διέλευση κάποιου αερίου μέσου, μέσω αυτών. Οι υψηλές θερμοκρασίες που αναπτύσσονται προκαλούν τη διάσπαση των μορίων του αερίου σε ελεύθερα άτομα και έπειτα τον ιονισμό των ατόμων σε θετικά φορτισμένα ιόντα και σε αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια. Η κατάσταση αυτή ιονισμού είναι η φάση του πλάσματος και αναλόγως με την ηλεκτρική 15

ενέργεια που προσδίδεται επιτυγχάνεται και διαφορετικός βαθμός ιονισμού και άρα διαφορετικής ποιότητας πλάσμα. Η ενέργεια που απαιτείται για την μετάβαση από την αέρια φάση στη φάση του πλάσματος είναι 10 φορές μεγαλύτερη από αυτήν της ενθαλπίας βρασμού και έτσι το πλάσμα περιέχει περισσότερη ενέργεια συγκριτικά με τα αέρια ή τα υγρά. Επιπλέον, οι υψηλές θερμοκρασίες που επιβάλλονται στις χημικές διεργασίες που περιλαμβάνουν πλάσμα, προκαλούν πλήρη αποσύνθεση πολύπλοκων χημικών ενώσεων και άρα καθαρότερα προϊόντα. Αυτό το στοιχείο είναι ιδιαίτερα σημαντικό για την περίπτωση της θερμικής επεξεργασίας σκουπιδιών αφού αυτά περιέχουν τοξικές ουσίες όπως οι διοξίνες και τα φουράνια οι οποίες πρέπει να καταστρέφονται για να μην συμμετέχουν στη σύσταση του παραγόμενου καύσιμου αερίου. [12] Στις σύγχρονες εφαρμογές χρησιμοποιούνται πυρσοί πλάσματος, συσκευές οι οποίες μεταδίδουν ηλεκτρικό ρεύμα σε αέριο μέσο, μέσω ηλεκτρικών εκκενώσεων που οφείλονται στη διαφορά δυναμικού 2 ηλεκτροδίων ανόδου καθόδου. Δημιουργείται έτσι τόξο πλάσματος (plasma arc) και μετατρέπεται το αέριο σε πλάσμα. Ανάλογα με τη διάταξη των ηλεκτροδίων οι πυρσοί πλάσματος διαχωρίζονται στους πυρσούς μεταβίβασης και στους πυρσούς μη μεταβίβασης. Στους πυρσούς μεταβίβασης αναπτύσσεται διαφορά δυναμικού ανάμεσα στο ηλεκτρόδιο εσωτερικά του πυρσού και σε κάποιο άλλο αγώγιμο υλικό εκτός πυρσού. Το υλικό αυτό μπορεί είτε να βρίσκεται εκ κατασκευής στα τοιχώματα του αντιδραστήρα πλάσματος είτε να υπάρχει αυτούσιο στα απορρίμματα τροφοδοσίας. Το τόξο πλάσματος δημιουργείται εντός του αντιδραστήρα και το αέριο που καταλαμβάνει το χώρο ανάμεσα στα ηλεκτρόδια περνάει στη φάση του πλάσματος. Ως αέριο μέσο μπορεί να χρησιμοποιηθεί καθαρό οξυγόνο, ήλιο, αργό και άλλα αέρια αλλά προτιμάται ο αέρας λόγω χαμηλού κόστους. [5] Στους πυρσούς μη μεταβίβασης το τόξο πλάσματος δημιουργείται εντός του πυρσού αφού τα ηλεκτρόδια (άνοδος, κάθοδος) βρίσκονται μέσα σε αυτόν. Το αέριο εισέρχεται στον πυρσό μέσω του θαλάμου εισαγωγής. Στον πυρσό βρίσκονται δυο κυλινδρικά ηλεκτρόδια ανάμεσα στα οποία πραγματοποιούνται εκκενώσεις. Το αέριο μέσο διέρχεται μέσα από το ηλεκτρικό πεδίο και γίνεται πλάσμα εντός του πυρσού. Έπειτα εισέρχεται στον αντιδραστήρα. Τα ηλεκτρόδια ψύχονται με νερό το οποίο κινείται στα εξωτερικά τοιχώματα του πυρσού. Για αυτόν τον λόγο οι πυρσοί μη μεταβίβασης έχουν ενεργειακές απώλειες και δεν πραγματοποιείται 100% μετατροπή του ηλεκτρικού ρεύματος σε χρήσιμη θερμική ενέργεια. Η απόδοση του πυρσού κυμαίνεται από 75 ως 95%. [5, 8] 16

Εικόνα 5: Πυρσός πλάσματος της εταιρίας Europlasma Αναλόγως την εφαρμογή μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε ο ένας είτε ο άλλος τύπος. Στην περίπτωση του πυρσού μεταβίβασης χρησιμοποιείται ηλεκτρόδιο (συνήθως γραφίτη) εντός του αντιδραστήρα το οποίο πρέπει να αντικαθίσταται επειδή καταναλώνεται λόγω του χημικού περιβάλλοντος του αντιδραστήρα. Από την άλλη, οι πυρσοί μεταβίβασης τοποθετούνται εκτός του αντιδραστήρα και έχουν έτσι λιγότερες απαιτήσεις σε συντήρηση. Μπορούν επίσης να τοποθετηθούν περισσότεροι από ένας πυρσοί μη μεταβίβασης στο ίδιο δοχείο αντίδρασης αν και η επίτευξη υψηλών θερμοκρασιών και άριστων αποδόσεων μετατροπής του άνθρακα απαιτεί τη ταυτόχρονη χρήση και των 2 τύπων πυρσών. Εικόνα 6: Σχηματική παράσταση της αρχής λειτουργίας πυρσού πλάσματος μη μεταβίβασης. [8] 17

Εικόνα 7: Πυρσοί (α) μη μεταβίβασης (β) μεταβίβασης 1.3 Ξηραντήρας Εναλλάκτης θερμότητας Το απόρριμμα εισέρχεται σε ξηραντήρα πριν την είσοδο του στον αντιδραστήρα. Οι τύποι ξηραντήρων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν είναι αυτοί μεταφορικής ταινίας και οι περιστροφικοί ξηραντήρες. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθούν και κοχλιωτοί ξηραντήρες, οι οποίοι όμως δεν προσφέρονται για μεγάλες τροφοδοσίες. [13] Από τις υπαρκτές επιλογές αποκλείστηκε ο κοχλιωτός ξηραντήρας, παρόλο που είναι ο καταλληλότερος, επειδή θα σχεδιαστεί μονάδα επεξεργασίας στερεών απορριμμάτων μεγάλης δυναμικότητας (750 τόνοι ανά ημέρα) την οποία δεν υποστηρίζουν αυτού του τύπου οι ξηραντήρες. Από τους εναπομείναντες δύο επιλέχθηκε ο περιστροφικός ξηραντήρας λόγω των υψηλότερων συντελεστών μεταφοράς θερμότητας. Το απόρριμμα εισέρχεται έχοντας αρχική υγρασία 35,2% και εξέρχεται σε ποσοστό 11% από αυτόν. Η τελική υγρασία του απορρίμματος προκύπτει από την ενεργειακή βελτιστοποίηση του συστήματος όπως θα φανεί στα επόμενα (κεφάλαιο 3). Για την ξήρανση χρησιμοποιείται ατμοσφαιρικός αέρας, ο οποίος θερμαίνεται σε υψηλή θερμοκρασία από εναλλάκτη αερίου αερίου που βρίσκεται στην έξοδο του αντιδραστήρα. Το σύστημα ξηραντήρα εναλλάκτη θερμότητας αποτελεί μια συνολική διεργασία αφού η παροχή και η θερμοκρασία του αερίου σύνθεσης επηρεάζει άμεσα την παροχή και τη θερμοκρασία του αέρα ο οποίος χρησιμοποιείται για ξήρανση. Η ξήρανση πραγματοποιείται συνήθως σε θερμοκρασίες από 30 ως 180 C αλλά για τη συγκεκριμένη περίπτωση η ξήρανση θα γίνεται σε ακόμα υψηλότερες θερμοκρασίες λόγω της υψηλής θερμοκρασίας του αεριού σύνθεσης. Ο καταλληλότερος τύπος εναλλάκτη θερμότητας είναι ο περιστρεφόμενος ανακομιστής. Η επιφάνεια επαφής του, μπορεί να έχει εύρος από 1200 3000 m 2, άρα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές μεγάλης δυναμικότητας. Εδώ πρέπει 18

να σημειωθεί ότι απαιτούνται υλικά κατασκευής ίδια με αυτά του αντιδραστήρα για να εξασφαλισθεί η αντοχή στις υψηλές θερμοκρασίες και στη χημική διάβρωση. 1.4 Συστήματα καθαρισμού Τα συστήματα καθαρισμού είναι ζωτικός τομέας της μονάδας αεριοποίησης αφού μέσω αυτών αφαιρούνται σωματίδια και ανεπιθύμητες ουσίες. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται η ασφαλής καύση του αερίου σύνθεσης ως προς την προστασία τόσο του περιβάλλον όσο και των συστημάτων παραγωγής ενέργειας. Ειδικά η χρήση αεριοστρόβιλου προϋποθέτει καύσιμο αέριο υψηλής καθαρότητας. Με τη σειρά το αέριο σύνθεσης εισέρχεται σε κυκλώνα κατακράτησης σωματιδίων, σε θάλαμο ψεκασμού με νερό, σε θάλαμο venturi, σε ηλεκτροστατικό διαχωριστή και τέλος σε πύργο επαφής για την απομάκρυνση όξινων αερίων και σε πύργο απορρόφησης υδρόθειου. 1.4.1 Κυκλώνας Οι κυκλώνες βρίσκονται μετά την έξοδο του αερίου σύνθεσης στον αντιδραστήρα. Σκοπό έχουν τη συλλογή και επαναφορά στον αντιδραστήρα σωματιδίων που περιέχονται στο ρεύμα του αερίου με επιβολή φυγόκεντρων δυνάμεων. Η απόδοση των κυκλώνων είναι ικανοποιητική για σωματίδια κυρίως τέφρας διαμέτρου μεγαλύτερη από 10 μm. Η χρήση τους έγκειται στην απομάκρυνση των μεγαλύτερων σε μέγεθος σωματιδίων ώστε να μεταβεί το αέριο στα υπόλοιπα πιο εξειδικευμένα συστήματα κατακράτησης σωματιδίων με μικρότερο «φόρτο» σε σωματίδια. Εξασφαλίζεται έτσι η σωστή λειτουργία των εξειδικευμένων συστημάτων τα οποία είναι πολύ πιο ακριβά από τους κυκλώνες και μη λειτουργικά σε υπερβολικές ποσότητες σωματιδίων. Επιπλέον, η ανακύκλωση των στερεών βελτιώνει τη χημική μετατροπή του αντιδραστήρα. Για την μεγιστοποίηση της διαχωριστικής απόδοσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί συστοιχία μικρότερων κυκλώνων συνδεδεμένων παράλληλα αφού η απόδοση είναι αντιστρόφως ανάλογη με τη διάμετρο του κυκλώνα. [2] Εικόνα 8: Αρχή λειτουργίας κυκλώνα 19