ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών Μάθημα: «ΘΕΩΡΙΑ ΚΑΥΣΗΣ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΥΣΗΣ» Τεχνολογίες αξιοποίησης βιομάζας Καθ. Μ. Φούντη Δ. Γιαννόπουλος, Μηχ.Μηχ Μηχ., MSc
Περιεχόμενα Διεργασίες ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας Θερμικές διεργασίες Στόχοι Τεχνικές (Περιγραφή Εφαρμογές Συν Πλην) Περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις Βιολογικές διεργασίες
Διεργασίες ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας Θερμικές διεργασίες Καύση (με ή χωρίς προεπεξεργασία της βιομάζας τεμαχισμός, συμπίεση, ξήρανση κ.α.).) Αεριοποίηση Πυρόλυση Βιολογικές διεργασίες Αερόβια ζύμωση (Composting) Αναερόβια χώνευση (παραγωγή βιαερίου)
Διεργασίες ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας ΠΡΩΤΕΣ ΥΛΕΣ ΕΝΔΙΑΜΕΣΑ ΠΡΟΪΟΝΤΑ ΤΕΛΙΚΑ ΠΡΟΪΟΝΤΑ ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ Καλλιέργειες λαδιού, σταφύλια, ηλιόσποροι Φυτικά λάδια Πολτοποίηση Μεθυλεστέρες (βιο-diesel) Εστεροποίηση Υγρά βιοκάυσιμα Μεταφορές Σακχαρότευτλα, σιτηρά Ζάχαρη Αιθανόλη Ηλεκτρισμός Εκχύλιση - υδρόλυση Ζύμωση Καύση «Ξηρή» βιομάζα Πυρόλυση Αναερόβια ζύμωση Πυρολυτικά έλαια Παράγωγο αέριο Αεριοποίηση Θερμότητα Ατμός Κάλυψη αντίστοιχων φορτίων «Υγρή» βιομάζα (ζωικά απόβλητα) Βιοαέριο
Θερμικές διεργασίες - Στόχοι Παραγωγή αξιοποιήσιμης ενέργειας με το βέλτιστο βαθμό απόδοσης Η παραγωγή αδρανών καταλοίπων, αν είναι δυνατόν με δυνατότητες αξιοποίησης Τήρηση όλων των κανονισμών που αφορούν εκπομπές ρύπων, με έμφαση στις διοξίνες Πλήρης καύση των καυσίμων συστατικών της βιομάζας (μόνο στις περιπτώσεις τεχνολογιών άμεσης καύσης)
Θερμικές διεργασίες - Στόχοι Σταθερές συνθήκες λειτουργίας εγκατάστασης Ευχέρεια προσαρμογής σε ποιοτικές διακυμάνσεις της τροφοδοσίας Εξασφάλιση πλήρους ελέγχου των ρύπων Ελαχιστοποίηση κόστους εγκατάστασης και λειτουργίας
Τεχνικές θερμικής αξιοποίησης (Ι) Καύση σε εσχάρα Καύση σε ρευστοποιημένη κλίνη
Διάγραμμα τυπικής εγκατάστασης Σ.Η.Θ. με καύση βιομάζας
Καύση σε εσχάρα (Grate firing) Η παλαιότερη και πιο διαδεδομένη τεχνική Θερμοκρασία θαλάμου καύσης 800-900 900 C Περίσσεια αέρα 50-60% % Οξυγόνο στα καυσαέρια 6-8% Πρωτογενής αέρας 60-70% Δευτερογενής αέρας 40-30% Θερμικό φορτίο στην εσχάρα Θερμικό φορτίο στο θάλαμο καύσης 8-9 GJ/(m 2 *h) 450-500 500 ΜJ/(m 3 *h)
Πλεονεκτήματα - μειονεκτήματα Συσσωρευμένη εμπειρία εφαρμογών Δοκιμασμένη και αξιόπιστη τεχνολογία Απλότητα και ασφάλεια διεργασιών Χαμηλά κόστη λειτουργίας και εγκατάστασης Προβληματική περιβαλλοντική επίδοση Χαμηλοί βαθμοί απόδοσης Μη εξελίξιμη τεχνολογία
Καύση σε ρευστοποιημένη κλίνη (ΡΚ) Fluidised Bed Combustion (FBC) Νεότερη μέθοδος, με γύρω στα 30 χρόνια εφαρμογών Θερμοκρασία λειτουργίας: : 800-950 950 C «Αναβράζουσα» ΡΚ (Bubbling Fluidised Bed Combustion - BFBC) ΡΚ με ανακυκλοφορία (Circulating Fluidised Bed Combustion CFBC) Αύξηση δυναμικότητας με υπερπίεση στον θάλαμο καύσης: Pressurised Fluidised Bed Combustion PFBC)
Πλεονεκτήματα - μειονεκτήματα Μικρότερες διαστάσεις από εσχάρα Ιδανικές συνθήκες καύσης (Δυνατότητα απορρόφησης μεγάλων διακυμάνσεων στην ποιότητα του καυσίμου) Ανυπαρξία κινούμενων μερών Η μεγάλη θερμική αδράνεια επιτρέπει διακοπές στην λειτουργία Προβληματική περιβαλλοντική επίδοση (σαφώς βελτιωμένη από την καύση σε εσχάρα) Απαιτήσεις προστασίας επιφανειών συναλλαγής θερμότητας
Διάκριση θερμικών διεργασιών Θερμοκρασία C Αδρανής ατμόσφαιρα <150 Ξήρανση <500 Πυρόλυση σε χαμηλή θερμοκρασία Μικρές ποσότητες αέρα Ξήρανση Περίσσεια οξυγόνου Ξήρανση - - 500-800 Πυρόλυση - - >800 Πυρόλυση σε υψηλή θερμοκρασία Αεριοποίηση Καύση
Τεχνικές θερμικής αξιοποίησης (ΙΙ) Εφαρμογή αεριοποίησης
Αεριοποίηση (Gasification) Η μετατροπή ενός στερεού καυσίμου σε αέριο φορέα ενέργειας Προσθήκη 30-50% του στοιχειομετρικού αέρα καύσης.
Πλεονεκτήματα - μειονεκτήματα Πολύ καλή περιβαλλοντική επίδοση (αδρανή κατάλοιπα) Δυνατότητα αυξημένων βαθμών ηλεκτρικής απόδοσης (λόγω συνδυασμένου κύκλου) Πληθώρα δυνατοτήτων αξιοποίησης παραγόμενου καυσίμου αερίου Δυνατότητα συνδυασμού με ΡΚ Μικρή εμπειρία εφαρμογών Συγκριτικά μεγαλύτερα κόστη εγκατάστασης και λειτουργίας (πιλοτικός χαρακτήρας εφαρμογών) Αυξημένη επικινδυνότητα, λόγω διακίνησης του καυσίμου αερίου
Τεχνικές θερμικής αξιοποίησης (ΙΙΙ) Εφαρμογή πυρόλυσης
Πυρόλυση (Pyrolysis) Θερμική αποσύνθεση σε συνθήκες απουσίας οξειδωτικού Παραγωγή καυσίμου αερίου, πυρολυτικών υγρών και στερεού υπολείμματος (οι εκάστοτε συνθήκες καθορίζουν τις αναλογίες)
Πλεονεκτήματα - μειονεκτήματα Πολύ καλή περιβαλλοντική επίδοση (αδρανή κατάλοιπα με υψηλές πιθανότητες αξιοποίησης) Δυνατότητα αυξημένων βαθμών ηλεκτρικής απόδοσης (λόγω συνδυασμένου κύκλου) Δυνατότητα παραγωγής πυρολυτικών ελαίων υποκατάσταστο πετρελαίου Πληθώρα δυνατοτήτων αξιοποίησης παραγόμενου καυσίμου αερίου Αέριο υψηλότερης Θ.Δ. από αεριοποίηση Μικρή εμπειρία εφαρμογών (σε μικρότερο βαθμό και από αεριοποίηση) Συγκριτικά μεγαλύτερα κόστη εγκατάστασης και λειτουργίας (πιλοτικός χαρακτήρας εφαρμογών) Αυξημένη επικινδυνότητα, λόγω διακίνησης του καυσίμου αερίου
Περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις Σημαντικότερη πλευρά θεωρείται αυτή των αέριων ρύπων, για τους οποίους υπάρχουν και νομοθετημένα όρια Σωματίδια HCl HF SO 2 NO x CO Hg Cd TOC PCDD/F ΜΟΝΑΔΕΣ 89/369/EOK 94/67/EE ΓΕΡΜΑΝΙΑ ΟΛΛΑΝΔΙΑ mg/m 3 30 10 10 5 mg/m 3 50 10 10 10 mg/m 3 2 1 1 1 mg/m 3 300 50 50 40 mg/m 3 - - 200 70 mg/m 3 100 50 50 50 mg/m 3 0,2 0,05 0,05 0,05 mg/m 3 0,2 0,05 0,05 0,05 mg/m 3 20 10 10 10 ng/m 3-0,1 0,1 0,1
Περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις Αέριοι ρύποι Εσωτερικοί ρυπαντές (Intrinsic Pollutants) Ουσίες που απελευθερώνονται κατά τη διάρκεια της καύσης Πυροχημικοί ρυπαντές Σχηματίζονται κατά τη διάρκεια της καύσης εξάρτηση από συνθήκες καύσης.. (Προϊόντα( ατελούς καύσης) «Προπομποί» (Precursors) Ουσίες που σχηματίζουν (σε επόμενο στάδιο της καύσης) άλλους ρυπαντές
Περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις Αέριοι ρύποι Σωματίδια - Particles Κυρίως ανόργανα άλατα και οξείδια μετάλλων Αντιμετωπίζονται με: Φυγοκεντρικό διαχωρισμό πρώτο στάδιο (για σχετικά μεγάλες διαμέτρους σωματιδίου) Σακόφιλτρα Η/Σ φίλτρα Υγρές πλυντηρίδες (wet scrubber)
Περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις Αέριοι ρύποι Μονοξείδιο άνθρακα (CO)* Προϊόν ατελούς καύσης Στοιχειομετρία Αντιμετωπίζεται με: Καύσιμο απαλλαγμένο από υγρασία Ομοιόμορφη απολαβή θερμότητας Ομοιόμορφη κατανομή καυσίμου - οξειδωτικού Συγ κέντ ρωσ η CΟ % Έλλειμμα Ο 2 Περίσσεια Ο 2 6% 10% Συγκέντρωση Ο 2 %
Περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις Αέριοι ρύποι Οξείδια αζώτου (ΝO x ) Ορίζονται ως το σύνολο μονοξειδίου και διοξειδίου Αρχικά παράγεται ΝΟ, το οποίο διαχωρίζεται σε: Θερμικό - Thermal NO Οφείλεται στην αντίδραση του ατμοσφαιρικού αζώτου με οξυγόνο. Παράγεται κυρίως όταν η θερμοκρασία της φλόγας υπερβεί τους 1540 C NO Καυσίμου (Fuel) Παράγεται μέσω οξείδωσης του περιεχόμενου αζώτου (όπως και των νιτρικών ριζών) στο καύσιμο
Περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις Αέριοι ρύποι Τυπικές μέθοδοι απονίτρωσης : Επιλεκτική καταλυτική αναγωγή Selective Catalytic Reduction (SCR) Άνυδρη αμμωνία μετατρέπει μέσω καταλύτη τα NO x σε μοριακό άζωτο Επιλεκτική μη καταλυτική αναγωγή Selective Νοn n Catalytic Reduction (SNCR) H μετατροπή σε άζωτο γίνεται μέσω των υψηλών θερμοκρασιών στο ανώτερο σημείο του λέβητα Μη Επιλεκτική καταλυτική αναγωγή Non Selective Catalytic Reduction (NSCR) Αέριο καύσιμο εγχύεται περιμετρικά του λέβητα προς δέσμευση του πλεονάζοντος Ο 2 Εφαρμογή scrubbers
Περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις Αέριοι ρύποι Διοξείδιο Θείου (SO 2 ) Προέρχεται από οξείδωση του στοιχειακού θείου που περιέχεται στο καύσιμο Οι εκπομπές αντιμετωπίζονται με: Επεξεργασία του καυσίμου μη εφαρμόσιμο για ΑΣΑ Απορρόφηση μέσω πρόσθετου δολομίτη (CaMg(CO 3 ) 2 ) ή ασβεστόλιθου (CaCO 3 )
Περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις Αέριοι ρύποι Υδραλογόνα (HCl,, HF) Προέρχεται από αντιδράσεις με το στοιχειακό χλώριο ή φθόριο του καυσίμου, όπως επίσης και από χλωριωμένους ή φθοριωμένους υδρογονάνθρακες Οι εκπομπές αντιμετωπίζονται με τρόπο αντίστοιχο με το SO 2 Βαρέα μέταλλα στα καυσαέρια Προέρχονται από έντυπα (Zn) Zn), λάστιχα (Cr) Cr), μπαταρίες (Hg) και άλλες πηγές Τα μέταλλα που βρίσκονται σε αέρια φάση στερεοποιούνται στην ιπτάμενη τέφρα όταν τα καυσαέρια περάσουν σε ψυχρότερες του θαλάμου καύσης περιοχές. Έτσι, η δέσμευση της τέφρας αντιστοιχεί σε δέσμευση των βαρέων μετάλλων.
Περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις Αέριοι ρύποι Διοξίνες Φουράνια (PCDDs PCDFs) Έντονα καρκινογόνες ενώσεις, που έγιναν γνωστές κυρίως από το ατύχημα του Σεβέζο (1977). Βασικό επιχείρημα των πολέμιων της θερμικής αξιοποίησης των ΑΣΑ Κύριες θεωρίες περί σχηματισμού τους είναι: Σχηματισμός από χλωριωμένους προπομπούς (χλωροφαινόλες, χλωροβενζόλια, κ.α) Από οργανικές ενώσεις και δότες χλωρίου (συνέργεια PVC και NaCl) Κύριο στάδιο σχηματισμού η ψύξη των απαερίων Επιτάχυνση από υψηλές συγκεντρώσεις ιπτάμενης τέφρας
Περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις Αέριοι ρύποι Πιθανά μέτρα μείωσης : Διατήρηση θερμοκρασίας θαλάμου καύσης πάνω από 850 C και χρόνος παραμονής τουλάχιστον 2 sec. Περιεκτικότητα καυσαερίων σε Ο 2 τουλάχιστον 6% Βελτίωση της ανάμιξης Σε τελικό στάδιο οι διοξίνες δεσμεύονται από ενεργό άνθρακα Υπόλοιπες οργανικές ενώσεις Πολυαρωματικοί υδρογονάνθρακες (PAHs) Πολυχλωριωμένες διφαινόλες (PCBs)
Περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις Στερεά απόβλητα Τέφρα πυθμένα θαλάμου καύσης Ιπτάμενη τέφρα. Αποτελεί επικίνδυνο (hazardous) απόβλητο, καθώς είναι φορέας βαρέων μετάλλων σε μη σταθεροποιημένη κατάσταση μεγάλη πιθανότητα έκλυσης. Η αεριοποίηση και η πυρόλυση παράγουν μικρότερα ποσά τέφρας, και τα στερεά τους κατάλοιπα υπόκεινται σε στάδιο πλήρους τήξης και σχηματισμού υαλώδους αδρανούς υπολείμματος. Το πρόβλημα είναι οι πισσώδεις ουσίες που απαιτούν καταλυτική ή θερμική διάσπαση (cracking) Υγρά απόβλητα Blow down λέβητα (στρατσωνισμός) Υγρές πλυντηρίδες (εφόσον υπάρχουν)
Βιολογικές διεργασίες Αναερόβια χώνευση Απουσία αέρα, προκαλείται από δράση βακτηριδίων και όχι υψηλών θερμοκρασιών Ο φυσικός τρόπος αποικοδόμησης της οργανικής ύλης Τα βακτηρίδια διασπούν τα δομικά υλικά της οργανικής ύλης σε διαδοχικά απλούστερες ενώσεις. ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΕΣ ΛΙΠΙΔΙΑ ΑΜΙΝΟΞΕΑ ΑΠΛΑ ΣΑΚΧΑΡΑ ΓΛΥΚΕΡΙΝΗ & ΛΙΠΑΡΑ ΟΞΕΑ Το αποτέλεσμα είναι παραγωγή μεθανίου, αμμωνίας και ανενεργού υπολείμματος. Εφαρμογές της αναερόβιας χώνευσης: NH 4 Η 2 + CO 2 ΠΡΟΠΙΟΝΙΚΑ ΒΟΥΤΥΡΙΚΑ ΚΛΠ ΟΞΙΚΑ Βιοαέριο (Ζωικά απόβλητα, υπόνομοι) Αέριο χωματερής (Αστικά απορρίμματα) CΗ 4 Η 2 + CO 2 CΗ 4 + CO 2
Αναερόβια χώνευση Βιοαέριο Συνδυασμός λύσεων για πρόβληματα: Διάθεσης ζωικών αποβλήτων Κάλυψης θερμικών και ηλεκτρικών φορτίων μονάδας Παραγωγής λιπάσματος για γειτονικές καλλιέργειες Ζωικά απόβλητα: : 90-95% 95% υγρασία Διαδικασία χώνευσης: : 2-42 εβδομάδες 200 400 m 3 βιοαέριο (50-60% CH 4 11 GJ) ανά τόνο ξηρής τροφοδοσίας Βαθμός απόδοσης διεργασίας : ~60% Χωνευτήριο αγελαδοτροφικής μονάδας
Αναερόβια χώνευση Αέριο χωματερής (LFG Landfill Gas) Εκμετάλλευση βιολογικής αποικοδόμησης του οργανικού κλάσματος των αστικών απορριμμάτων Το αέριο παράγεται ούτως ή άλλως εντός του χώρου ταφής των απορριμμάτων. Δυσχερέστερες συνθήκες από χωνευτήριο βιοαερίου οδηγούν σε βραδύτερες αντιδράσεις και χαμηλότερες αποδόσεις Εξέλιξη σύστασης αερίου χωματερής Διαδικασία χώνευσης: : > 3 χρόνια 150 300 m 3 LFG (50-60% CH 4 5 GJ) ανά τόνο αποβλήτων Περισυλλογή αερίου χωματερής
Αναερόβια χώνευση Αέριο χωματερής Το παραγόμενο εντός της χωματερής μεθάνιο, αν δεν συλλεχθεί, διαφεύγει στην ατμόσφαιρα εντείνοντας το φαινόμενο του θερμοκηπίου (20 φορές πιο δραστικό από CO 2 ) Μέσω της συλλογής του αερίου επιβάλλεται υποπίεση στο χώρο ταφής, οπότε αποφεύγονται και διαρροές στο έδαφος 4α Η συγκράτηση των οσμών δίνει ένα κίνητρο αποδοχής από την τοπική κοινωνία 4β
Ζύμωση Η αναερόβια βιολογική διεργασία κατά την οποία τα σάκχαρα μετατρέπονται σε αλκοόλη μέσω της δράσης μικροοργανισμών Κατάλληλα είδη βιομάζας για χώνευση είναι όσα έχουν τη δυνατότητα να μετατραπούν σε σάκχαρα (ιδανική πρώτη ύλη τα σακχαροκάλαμα) ΤΕΜΑΧΙ- ΣΜΟΣ ΔΙΑΛΥΤΟΠΟΙΗΣΗ ΚΥΤΤΑΡΙΝΟΥΧΩΝ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ Θερμική επεξεργασία με H 2 SO 4 ΥΓΡΗ ΦΑΣΗ ΣΤΕΡΕΗ ΦΑΣΗ Υδρόλυση ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΓΛΥΚΟΖΗΣ Ζύμωση ΔΙΑΛΥΜΑ ΜΕ 10% ΑΛΚΟΟΛΗ Ενεργειακό περιεχόμενο τελικού διαλύματος: ~ 30 GJ/tn
Ζύμωση Αποδόσεις αιθανόλης Πρώτη Υλη Λίτρα / τόνο Λίτρα / εκτάριο και έτος Σακχαροκάλαμο 70 400-12000 Καλαμπόκι 360 250-2000 2000 Ταπιόκα 180 500-4000 Ξύλο 160 160-4000 Εφαρμογή παραγωγής βιοαιθανόλης: Πρόγραμμα «ProAlcohol» - Βραζιλία Πάνω από 100 δις lt βιοαιθανόλης παράχθηκαν από το 1975 4 εκατομ. αυτοκίνητα κινούνται αποκλειστικά με καύσιμο αιθανόλη 9 εκατ. με μείγμα βενζίνης 20% αιθανόλης
Βιοενεργειακές εφαρμογές στην Ελλάδα Βιομηχανικά συστήματα ΣΗΘ στην Ελλάδα (έως το 1996)
Βιοενεργειακές εφαρμογές στην Ελλάδα Βιομηχανικά συστήματα ΣΗΘ στην Ελλάδα (1996-2006)
Νομοθετικό πλαίσιο ΣΗΘ από βιομάζα