Ανάπτυξη προηγμένων συστημάτων ηλεκτροπαραγωγής με αξιοποίηση βιόμαζας

Abstract

The objective of the present doctoral thesis is the investigation of the energetic utilisation of biomass in fluidised bed gasification installations, by applying an integrated methodology for the evaluation, forecast and study of the behaviour of novel biomass fuels. Biomass is a renewable energy source (RES) with a potential capable of constituting a considerable energy alternative for the European Union, thus contributing to the achievement of the objective of reducing fossil fuel import, as well as the objective of greenhouse gas emission reduction. The fluidised bed reactor technology has been proven as an expedient choice for biomass utilisation, concerning gasification as well as combustion, as it has the possibility of using fuels with a large variety of physical characteristics, such as moisture and ash. The fluidised bed combustion technology of biomass is more advanced compared to gasification, having been applied already in industrial scale. Gasification of biomass can be integrated in systems with large energy outputs and efficiencies, although this technology is still confronted with technical problems such as the gas cleaning from heavy hydrocarbons (tars) that limit its application in the large scale. The thesis consists of seven Chapters (1-7). Chapter 1 is an introduction to the necessity of biomass exploitation as an alternative fuel in the European Union. Chapter 2 presents an extensive literature review on the physical and chemical characteristics of biomass, the basic principles of gasification and the bed agglomeration mechanisms due to ash sintering in fluidised bed reactors that can lead to bed defluidisation. The same chapter includes a presentation of biomass fluidised bed gasification technology for power production in advanced combined cycles and in CHP installations. In Chapter 3, the design and construction of the experimental fluidised bed installation of the Laboratory of Steam Boilers and Thermal Plants is described. In Chapter 4 the gasification trials of three biomass fuels are described: olive kernel, sweet sorghum and cane, representative of the species that flourish in Greece. The parameters investigated were air stoichiometry (λ), gasification temperature as well as the composition of the fuels in the main structural materials (lignin, cellulose) towards final composition of gas and the tar content. Quartz sand and olivine were used as bed material. The experimental results were compared with the results of a pseudo-kinetic model in order to forecast and evaluate the product gas composition of biomass gasification. Chapter 5 presents the experimental investigation of defluidisation observed during the fluidised bed biomass gasification trials and the evaluation of the observations with the determination of the balance among the formed phases of the chemical system. Multiple samples of agglomerated bed material were analyzed with SEM/EDS (scanning electron microscopy /energy dispersive spectrometry) giving information with regard to the composition of the melt, the thickness of coating and the form of the agglomerates, enlightening thus the mechanism of loss of fluidisation. Finally, thermodynamic balance calculations were realised aiming at the evaluation of the observed phenomena. In Chapter 6 a small scale biomass air gasification CHP unit with solid oxide (Solid Oxide Fuel Cell - SOFC) is analysed both energetically and exergetically for a power range up to 1 MWe, for two levels of the systems’ operation pressure. The efficiencies are determined for the more important steps of the process as well as for the system as a whole. Finally, in Chapter 7 the basic conclusions of the thesis are summarised and further investigation subjects are proposed.

Ο στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση της ενεργειακής αξιοποίησης της βιομάζας σε εγκαταστάσεις αεριοποίησης ρευστοποιημένης κλίνης χρησιμοποιώντας μια ολοκληρωμένη μεθοδολογία για την αξιολόγηση, πρόβλεψη και μελέτη της συμπεριφοράς νέων καυσίμων. Η βιομάζα είναι μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας (ΑΠΕ) με δυναμικό ικανό ώστε να αποτελεί υπολογίσιμη ενεργειακή εναλλακτική για την Ευρωπαϊκή Ένωση συμβάλλοντας έτσι στην επίτευξη του στόχου τόσο της ανεξαρτητοποίησης του ενεργειακού συστήματός της από εισαγόμενα ορυκτά καύσιμα, καθώς και του στόχου της μείωσης εκπομπών ρύπων και εκπομπών θερμοκηπίου. H τεχνολογία της ρευστοποιημένης κλίνης έχει αποδειχθεί πρόσφορη επιλογή για την αξιοποίηση βιομάζας τόσο για αεριοποίηση όσο και για καύση καθώς έχει τη δυνατότητα να αξιοποιεί μεγάλο εύρος καυσίμων με διαφορετικές φυσικές ιδιότητες, όπως υγρασία και τέφρα. Η τεχνολογία της καύσης της βιομάζας σε ρευστοποιημένη κλίνη βρίσκεται σε προηγμένο στάδιο σχετικά με την αεριοποίηση, έχοντας εφαρμοσθεί σε βιομηχανική κλίμακα. Η αεριοποίηση της βιομάζας μπορεί να ενσωματωθεί σε συστήματα με μεγάλες ενεργειακές αποδόσεις, παρόλο που είναι ακόμα αντιμέτωπη με τεχνικά προβλήματα όπως ο καθαρισμός του αερίου από βαρείς υδρογονάνθρακες, που περιορίζουν την εφαρμογή της σε ευρεία κλίμακα. Η διατριβή αποτελείται από επτά Κεφάλαια (1-7). Το Κεφάλαιο 1 αποτελεί μια παρουσίαση και εισαγωγή στον προβληματισμό σχετικά με την αναγκαιότητα αξιοποίησης βιομάζας σαν εναλλακτικό καύσιμο στην Ευρωπαϊκή Ένωση. Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται μια εκτενής βιβλιογραφική επισκόπηση των ιδιοτήτων των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων της βιομάζας, των βασικών αρχών αεριοποίησης, των μηχανισμών τήξης (sintering) της τέφρας, του σχηματισμού συσσωματωμάτων σωματιδίων (agglomeration) και ακολούθως της απώλειας ρευστοποίησης. Στο ίδιο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η τεχνολογία της αεριοποίησης βιομάζας σε ρευστοποιημένη κλίνη για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε προηγμένους συνδυασμένους κύκλους αλλά και σε συστήματα συμπαραγωγής θερμότητας / ηλεκτρισμού. Στο Κεφάλαιο 3 περιγράφεται ο σχεδιασμός της πειραματικής εγκατάστασης ρευστοποιημένης κλίνης του Εργαστηρίου Ατμοπαραγωγών και Θερμικών Εγκαταστάσεων. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται οι δοκιμές αεριοποίησης τριών ειδών βιομάζας: πυρηνόξυλο, στερεό υπόλειμμα γλυκού σόργου και καλαμιού, αντιπροσωπευτικών των υπολειμμάτων και των ενεργειακών φυτών που ευδοκιμούν στην Ελλάδα. Διερευνήθηκαν οι παράμετροι του λόγου αέρα, της θερμοκρασίας αεριοποίησης, καθώς και της σύστασης των υλικών ως προς την τελική σύνθεση του αερίου και την περιεκτικότητά του σε πίσσα. Για την πραγματοποίηση των δοκιμών χρησιμοποιήθηκαν ως υλικά κλίνης χαλαζιακή άμμος και ολιβίνης. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με τα αποτελέσματα ενός μοντέλου ψευδο-κινητικής που συντάχθηκε για την πρόβλεψη και αξιολόγηση της σύνθεσης του αερίου αεριοποίησης. Στο Κεφάλαιο 5 περιγράφεται διεξοδικά η πειραματική διερεύνηση του φαινομένου της απώλειας ρευστοποίησης που παρατηρείται κατά την αεριοποίηση βιομάζας σε αντιδραστήρες ρευστοποιημένης κλίνης και παρουσιάζεται η αξιολόγηση των παρατηρήσεων με τον προσδιορισμό της χημικής ισορροπίας φάσεων του σχηματιζόμενου χημικού συστήματος. Πολλαπλά δείγματα του υλικού της κλίνης αναλύθηκαν με χρήση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης σε συνδυασμό με χημική στοιχειακή ανάλυση SEM/EDS, δίνοντας πληροφορίες σχετικά με τη σύνθεση του τήγματος, το πάχος της επίστρωσης και τη μορφή των συσσωματωμάτων, διαφωτίζοντας έτσι το μηχανισμό απώλειας ρευστοποίησης. Στο Κεφάλαιο 6 αναλύεται ενεργειακά και εξεργειακά ένα μικρής κλίμακας σύστημα αεριοποίησης βιομάζας με αέρα σε μια συμπαραγωγική μονάδα με συστοιχία ηλεκτροχημικών στοιχείων καυσίμου στερεού οξειδίου (Solid Oxide Fuel Cell - SOFC) για εύρος ισχύος μέχρι 1 MWe, για δυο επίπεδα πίεσης λειτουργίας του συστήματος αεριοποιητή - κελιού. Η ενεργειακή και εξεργειακή απόδοση καθορίζεται για τα σημαντικότερα βήματα της διεργασίας καθώς και για το σύστημα συνολικά. ¶Τέλος, στο Κεφάλαιο 7 ανακεφαλαιώνονται τα βασικά συμπεράσματα της διατριβής και προτείνονται θέματα προς περαιτέρω διερεύνηση.