Θερμοδυναμική προσομοίωση της αεριοποίησης πλάσματος για τη διαχείριση αποβλήτων

Abstract

Waste management constitutes a problem that requires solutions in the framework of sustainable development. These solutions are linked to advanced technologies that focused on the protection of the environment and resource recovery. Plasma gasification is an advanced waste management and thermal treatment technology with exceptional environmental and energy performance. The goal of this dissertation is the energy optimization of the plasma gasification process by using thermodynamic analysis data, in order to substantiate the energy sufficiency of the process and to maximize the net energy production. First of all, a thermodynamic equilibrium model, named GasifEq, was developed with a view to simulate the plasma gasification process for organic waste treatment. The goal of GasifEq model development was the simulation of the plasma gasification process in such a way that a process engineer or a researcher to be able to get information about the products of the process, its energy efficiency and the completion of the gasification reactions in relation to the operational parameters of the process. The new model GasifEq was applied in a case study of a solid waste, with special interest for Greece and other countries. The waste material studied is sewage sludge, for which many issues have been discussed, e.g. its increased production rates worldwide, the lack of a reliable treatment technology and the restrictions of its use as a fertilizer. In addition, the major management problem of the sewage sludge produced in the central wastewater treatment plant in Athens, located in Psittalia island, was another important cause for studying and designing a plasma gasification process for sewage sludge treatment and resource recovery. Based on the parametric analysis results obtained by the application of GasifEq model, an integrated plasma gasification process was then designed, for the treatment of 250 tonnes of sewage sludge per day, with 68%w/w moisture. The main goal of the sewage sludge treatment process was the energy production. After the evaluation of thermal and energy recovery scenarios, the optimum operational conditions were selected for the integrated process, for which a net electrical energy production equal to 2.85MW was obtained. Conclusively, the thermodynamic modeling of plasma gasification process for the sewage sludge treatment resulted in positive energy values. These energy results, along with the environmental characteristics of the process, demonstrate that the plasma gasification process is one of the most effective sewage sludge treatment and energy recovery technologies, while similar results are expected for the case of other organic waste materials.

Η διαχείριση των αποβλήτων σε διεθνές επίπεδο αποτελεί ένα πρόβλημα που απαιτεί λύσεις οι οποίες να εντάσσονται στο γενικότερο πλαίσιο της αειφόρου ανάπτυξης. Τέτοιες λύσεις απορρέουν από σύγχρονες τεχνολογίες που δίνουν έμφαση στην προστασία του περιβάλλοντος και στην αξιοποίηση κάθε είδους αποβλήτου. Η αεριοποίηση πλάσματος αποτελεί μια σύγχρονη τεχνολογία θερμικής επεξεργασίας και διαχείρισης αποβλήτων με ξεχωριστά περιβαλλοντικά και ενεργειακά χαρακτηριστικά. Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η αριστοποίηση της διεργασίας με βάση την ενεργειακή της απόδοση, έτσι ώστε να αποδειχθεί με θερμοδυναμικά δεδομένα η ενεργειακή της αυτονομία και να μεγιστοποιηθεί η ανάκτηση ενέργειας. Αρχικά αναπτύχθηκε ένα θερμοδυναμικό μοντέλο ισορροπίας, το μοντέλο GasifEq, με σκοπό την προσομοίωση της διεργασίας αεριοποίησης πλάσματος για την επεξεργασία αποβλήτων κυρίως οργανικής σύστασης. Σκοπός της δημιουργίας του μοντέλου GasifEq ήταν η προσομοίωση της διεργασίας αεριοποίησης πλάσματος έτσι ώστε ο μηχανικός σχεδιασμού ή ο ερευνητής -μελετητής να μπορεί να πάρει πληροφορίες σχετικά με τα προϊόντα της διεργασίας, την ενεργειακή της απόδοση, την πραγματοποίηση των αντιδράσεων αεριοποίησης σε συνάρτηση με τις λειτουργικές παραμέτρους της διεργασίας. Στην συνέχεια της παρούσας διατριβής το νέο μοντέλο GasifEq χρησιμοποιήθηκε κατά τη μελέτη μιας συγκεκριμένης περίπτωσης αποβλήτου, με ιδιαίτερο ενδιαφέρον για την Ελλάδα και το διεθνή χώρο. Αυτό το απόβλητο είναι η ιλύς από μονάδες επεξεργασίας λυμάτων, για την οποία υπάρχει προβληματισμός σχετικά με τις συνεχώς αυξανόμενες ποσότητες παραγωγής της παγκοσμίως, την έλλειψη μιας αξιόπιστης τεχνολογίας επεξεργασίας και τους περιορισμούς της χρήσης της σε γεωργικές εφαρμογές. Επιπροσθέτως, το επίκαιρο και γιγαντωμένο πρόβλημα διαχείρισης της ιλύος που παράγεται στην μεγαλύτερη μονάδα επεξεργασίας λυμάτων της Ελλάδας, στη νήσο Ψυττάλεια, αποτέλεσε μιας πρώτης τάξεως ευκαιρία για μελέτη και σχεδιασμό μιας διεργασίας αεριοποίησης πλάσματος για την αποτελεσματική επεξεργασία και αξιοποίηση της. Μετά από τα αποτελέσματα παραμετρικής ανάλυσης της διεργασίας αεριοποίησης πλάσματος με βάση το μοντέλο GasifEq ξεκίνησε ο σχεδιασμός μιας ολοκληρωμένης διεργασίας αεριοποίησης πλάσματος, για την περίπτωση της επεξεργασίας 250 τόνων ιλύος την ημέρα με 68% κ.β. υγρασία, που θα έχει ως βασικό στόχο την ενεργειακή αξιοποίηση της ιλύος. Μετά από την επιλογή τρόπων αξιοποίησης των ενεργειακών ρευμάτων της τυπικής διεργασίας αεριοποίησης πλάσματος και την ανάλυση βασικών σεναρίων λειτουργίας, εντοπίστηκαν οι βέλτιστες συνθήκες λειτουργίας της ολοκληρωμένης διεργασίας, για τις οποίες επιτυγχάνεται καθαρή παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ίσης με 2,85 MW. Με βάση τα παραπάνω αποτελέσματα, η προσομοίωση της διεργασίας αεριοποίησης πλάσματος για την περίπτωση της ιλύος κατέληξε σε πολύ θετικά ενεργειακά αποτελέσματα τα οποία, σε συνδυασμό με τα περιβαλλοντικά πλεονεκτήματα της τεχνολογίας πλάσματος, καθιστούν τη διεργασία αεριοποίησης πλάσματος ως την πλέον ενδεδειγμένη λύση επεξεργασίας και ενεργειακής αξιοποίησης της ιλύος, ενώ είναι πολύ σημαντικό ότι ανάλογα αναμένονται τα αποτελέσματα για την επεξεργασία διαφόρων, οργανικής κυρίως σύστασης, αποβλήτων.