Ρευστοθερμική ανάλυση και βελτιστοποίηση πρωτότυπης διαδικασίας θερμικής οξείδωσης για την απόσμηση εγκαταστάσεων βιολογικών καθαρισμών

Abstract

This doctoral thesis deals with the fluid-thermal analysis of an original gas -decontamination process of waste treatment plants. The study - construction and installation of the first prototype unit in 2004 at a waste treatment plant at KALLIMANIS SA in Egio with a treatment capacity of 2000 Nm3/h for the implementation of the PRAXE PHASE A’ program was preceded. Due to the excellent results obtained, it was also adopted by large production industries and is operating from 2004 onwards, units of various capacities 2000 Nm3/h KALLIMANIS SA EGIO, 22000 Nm3/h ZOONOMI SA LEHEO of KORINTHOS, 60.000 Nm3/h FEEDUS SA VIPE of Patras, 75.000 Nm3/h ECOFEED SA VIPE of Patras with excellent operating results The aim of the doctoral dissertation is the theoretical foundation of the above work from the initial conception of the idea for which international and domestic patents were granted, the construction - installation and commissioning of the units. After all the methods for neutralization of the gaseous pollutants are presented and the comparative evaluation is made, it was chosen as the theoretical model for the determination of the thermal flows and finally of the temperatures measured in the combustion chamber of one of the operating processing units of 22.000 Nm3/h in LEHEO KORINTHOS ZOONOMI S.A. from in 2005, of thermal radiation. For this reason, the GSRT in 2009 rewarded this work and ratified the PRAXE PHASE B’ program amounting to 1,632,000 euro for the creation of a unit of construction. Because the temperature in the combustion chamber is in the order of 750 °C the heat transfer is almost entirely through the thermal radiation. For this reason, the thermal radiation model was selected. The results are identical for any size of the thermal processor. The thermal zones method and the charts of H.Hottel's experimental data for water vapor and carbon dioxide emission were selected as the first method and for comparison and verification Leckner's equations. Direct field exchanges with Hottel diagrams were determined as a first method and with the R.J.Tucker tables for comparison and verification, and two-way determination of total thermal radiation exchanges for countless times of reflection in the combustion chamber was determined. The thermal radiation model was applied and heat flows determined. General equations of thermal balances were determined and thermal radiation for each surface and gas volume to which the combustion chamber was originally divided. Then the Stefan-Boltzman law computed the corresponding temperatures that were identified with the data of the operating unit, which was also the scientific challenge of this dissertation. Then, due to the wave nature of thermal radiation, we set out the general equations of Maxwell's electromagnetic wave and, after processing them, we arrived at the general equation of thermal radiation. Because the thermal radiation is an electromagnetic wave. Finally, we presented a sophisticated version of a gas neutralization unit, particulate matter and optical cloud, which will come into operation shortly and is nowhere in the world.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την ρευστοθερμική ανάλυση μίας πρωτότυπης διαδικασίας απόσμησης βιολογικών καθαρισμών. Προηγήθηκε η μελέτη, κατασκευή και εγκατάσταση της πρώτης πρωτότυπης μονάδος το 2004 σε μονάδα επεξεργασίας λυμάτων στη βιομηχανία ΚΑΛΛΙΜΑΝΙΣ ΑΕ στο ΑΙΓΙΟ με δυναμικότητα επεξεργασίας 2000 Νm3/h για την υλοποίηση του προγράμματος ΠΡΑΧΕ ΦΑΣΗ Α’. Εξ αιτίας των αρίστων αποτελεσμάτων που προέκυψαν, υιοθετήθηκε και εγκαταστάθηκε από μεγάλες παραγωγικές βιομηχανίες και είναι εν λειτουργία νυχθημερόν από το 2004, σε μονάδες διαφόρων δυναμικοτήτων 2000 Νm3/h ΚΑΛΛΙΜΑΝΙΣ Α.Ε. ΑΙΓΙΟ, 22000Νm3/h ΖΩΟΝΟΜΗ ΑΒΕΕ ΛΕΧΑΙΟ ΚΟΡΙΝΘΙΑΣ, 60.000Nm3/h FEEDUS AEBE BIΠΕ Πατρών, 75.000Nm3/h ΕCOFEED ABΕE ΒΙΠΕ Πατρών, με άριστα αποτελέσματα λειτουργίας.Για τον λόγο αυτό η ΓΓΕΤ το 2009 επιβράβευσε την εργασία αυτή και επικύρωσε το πρόγραμμα ΠΡΑΧΕ ΦΑΣΗ Β’ ύψους 1.632.000 Ευρώ για την δημιουργία μονάδας κατασκευής αυτών. Η διδακτορική διατριβή έχει ως σκοπό τήν θεωρητική θεμελίωση της λειτουργίας των ανωτέρω μονάδων από την αρχική σύλληψη της ιδέας για την οποία απενεμήθησαν διπλώματα ευρεσιτεχνίας διεθνή και εγχώρια, μέχρι και την κατασκευή, εγκατάσταση και θέση σε λειτουργία αυτών των μονάδων.Αφού παρατίθενται όλες οι μέθοδοι εξουδετέρωσης των αερίων ρύπων και γίνεται η συγκριτική αξιολόγηση αυτών επελέγη ως θεωρητικό μοντέλο για τον προσδιορισμό των θερμικών ροών και τελικά των θερμοκρασιών των καταμετρημένων εντός του θαλάμου καύσεως μιάς εκ των λειτουργούντων μονάδων επεξεργασίας 22.000Nm3/h στο ΛΕΧΑΙΟ ΚΟΡΙΝΘΙΑΣ ΖΩΟΝΟΜΗ ΑΒΕΕ από το 2005, της θερμικής ακτινοβολίας.Καθότι επειδή η θερμοκρασία εντός του θαλάμου καύσεως είναι της τάξεως των 750 0C, η μεταφορά θερμότητος γίνεται σχεδόν καθ’ ολοκληρίαν δια μέσου της θερμικής ακτινοβολίας. Για το λόγο αυτό επελέγη το μοντέλο της θερμικής ακτινοβολίας και συγκεκριμένα αυτό των θερμικών ζωνών. Τα αποτελέσματα είναι ταυτόσημα για οιονδήποτε μέγεθος θερμικού επεξεργαστή. Επελέγη η μέθοδος των θερμικών ζωνών για τον υπολογισμό των θερμοκρασιών. Από τα διαγράμματα των πειραματικών δεδομένων του H.Hottel εξάγονται η εκπομπιμότητα του υδρατμού καθώς και του CO2. Για τη σύγκριση και επαλήθευση αυτής της μεθόδου χρησιμοποιούνται οι εξισώσεις του Leckner.Προσδιορίστηκαν οι απευθείας ανταλλαγές εμβαδών με τα διαγράμματα Ηottel με την πρώτη μέθοδο, και με τους πίνακες του R.J.Τucker για σύγκριση και επαλήθευση ως δεύτερη μέθοδος, και συνεχίστηκε ο προσδιορισμός με τις δύο μεθόδους των συνολικών ανταλλαγών θερμικής ακτινοβολίας για άπειρες φορές αντανάκλασης εντός του θαλάμου καύσεως.Εφαρμόστηκε το μοντέλο της θερμικής ακτινοβολίας και προσδιορίστηκαν οι θερμικές ροές. Καταστρώθηκαν οι γενικές εξισώσεις των θερμικών ισοζυγίων και προσδιορίστηκε η θερμική ακτινοβολία για κάθε επιφάνεια και αέριο όγκο στον οποία είχε διαιρεθεί αρχικά ο θάλαμος καύσης σύμφωνα με τη μέθοδο των θερμικών ζωνών. Κατόπιν αυτού υπολογίστηκαν δια μέσου του νόμου του Stefan-Boltzman οι αντίστοιχες θερμοκρασίες οι οποίες προέκυψε να ταυτίζονται με τα δεδομένα της εν λειτουργία μονάδας και το οποίον αποτελούσε και την επιστημονική πρόκληση αυτής της διατριβής.Κατόπιν αυτού, λόγω της κυματικής φύσης της θερμικής ακτινοβολίας παραθέσαμε τις γενικές εξισώσεις του ηλεκτρομαγνητικού κύματος του Maxwell και κατόπιν επεξεργασίας αυτών καταλήξαμε στη γενική εξίσωση της θερμικής ακτινοβολίας, καθότι η θερμική ακτινοβολία είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Τέλος παρουσιάσαμε μία εξελιγμένη εκδοχή μονάδας εξουδετέρωσης των αερίων ρύπων, σωματιδίων και οπτικού νέφους στα πυρηνελαιουργεία, η οποία θα τεθεί σε λειτουργία προσεχώς και δεν υπάρχει πουθενά στον κόσμο.