Energy and exergy analysis of combined heat and power systems - wastewater treatment in dairy industries for energy production

Abstract

Today, there is a growing interest in alternative forms of energy as a result of increased demands for energy in combination with the concerns on global warming due to the use of fossil fuels Furthermore, the successive increase of population and the industrialization of societies have resulted in the degradation of various ecosystems on which human life relies. For this reason in the modern industrial society, the proper pretreatment of industrial effluents before their discharge is especially important, in order to prevent the pollution of the ground and the water resources (e.g. lakes, rivers). Cheese whey coming from dairy industry is one of the most important industrial pollutants, which carry a high organic load in terms of Chemical Oxygen Demands (COD). However, the potential production of biogas or other marketable products with the simultaneous high COD reduction through appropriate treatment proves that cheese whey has to be considered as an energy resource rather than a pollutant. The presence of biodegradable components in the cheese whey coupled with the advantages of anaerobic digestion process over other treatment methods, makes anaerobic digestion an attractive and suitable option. The present thesis examines the technology of anaerobic digestion for cheese whey wastewater treatment coupling with micro turbines for energy production. The decision for the use micro turbines is due to their many advantages regarding the conventional reciprocating engines, which make them suitable for distributed generation applications, smart grids, hybrid and cogeneration systems. Firstly, this thesis presents a review regarding the most representative applications of anaerobic treatment of cheese whey being exploited or being under research. Moreover, an effort has been made to classify the common characteristics of various research efforts and find a comparative basis, as far as their results are concerned. A simulation model of Anaerobic Digestion System coupled with a micro turbine has been developed and two different scenarios are examined. The data for the Anaerobic Digestion system modeling has been obtained from a dairy industry operating in Greece and the data for the micro turbines are obtained from the corresponding manufacturers. The first scenario examines the incorporation of a commercially available gas micro turbine to the anaerobic digestion system for electricity production from the burning of a part of the biogas produced in the micro turbine. The remaining amount of biogas is forwarded to a burner for steam production. Thus, in this case the selection of the appropriate micro turbine is based on achieving the maximum electricity generation, while the plant requirements in steam are covered. The second scenario investigates the case for the maximum electricity production without any limitation in the steam production and the most suitable micro turbine is chosen. Thus two different systems are obtained, analyzed and validated with available data in the literature. An exergetic analysis of the above mentioned scenarios follows. The results showed that these systems can achieve high efficiencies, despite of the high exergy destructions and irreversibilities appearing mainly in the burner for the first scenario and in the micro turbine’s combustion chamber for the second scenario. Then, an economic analysis through the method of Net Present Value is conducted. The results reveal that these investments are profitable, with high savings and incomes from the first year of their operation.Furthermore, a parametric analysis is carried out as a method for the systems optimization. The influence of important performance parameters such as turbine and compressor isentropic efficiencies and some temperatures variations, mainly to the total exergy efficiency and the Net Present Value are investigated. The results showed that these systems can achieve high efficiencies and NPV with a proper choice of the design parameters.

Τις τελευταίες δεκαετίες, υπάρχει έντονο ενδιαφέρον στις εναλλακτικές μορφές ενέργειας, ως αποτέλεσμα των αυξημένων ενεργειακών απαιτήσεων σε συνδυασμό και με το πρόβλημα της κλιματικής αλλαγής. Επιπρόσθετα, η συνεχής αύξηση του πληθυσμού και η εκβιομηχάνιση των κοινωνιών οδηγούν συχνά στην υποβάθμιση των οικοσυστημάτων, στα οποία στηρίζεται η ανθρώπινη ζωή. Για το λόγο αυτό, στη σύγχρονη βιομηχανική κοινωνία είναι αδήριτη η ανάγκη για την κατάλληλη επεξεργασία των διαφόρων αποβλήτων που προέρχονται από τις βιομηχανίες πριν την απόρριψή τους, προκειμένου να προληφθεί η ρύπανση του εδάφους και των υδάτινων συστημάτων (λιμνών, ποταμών, θάλασσας, υπόγειων υδροφόρων). Το τυρόγαλο που προέρχεται από τις βιομηχανίες γάλακτος κατά την διαδικασία παραγωγής τυριού είναι ένας από τους σημαντικότερους βιομηχανικούς ρυπαντές που από τη φύση του περιέχει υψηλό οργανικό φορτίο (COD). Συγχρόνως όμως, το τυρόγαλο αποτελεί την πρώτη ύλη για παραγωγή βιοαερίου. Η παραγωγή βιοαερίου και άλλων εμπορεύσιμων προϊόντων με ταυτόχρονη μείωση του COD μέσω κατάλληλων μεθόδων, αποδεικνύουν ότι το τυρόγαλο είναι μια σημαντική πηγή ενέργειας και όχι ένας απλός ρυπαντής. Η παρουσία βιοαποικοδομήσιμων συστατικών στο τυρόγαλο σε συνδυασμό και με τα πλεονεκτήματα της διεργασίας της Αναερόβιας Χώνευσης συγκριτικά με άλλες μεθόδους, καθιστούν την μέθοδο αυτή ως ιδιαίτερα κατάλληλη για την επεξεργασία των αποβλήτων αυτών.Στην παρούσα διατριβή μελετάται η τεχνολογία της αναερόβιας χώνευσης για την επεξεργασία των αποβλήτων τυρόγαλου σε συνδυασμό με την χρήση μικροστροβίλων για την παραγωγή ενέργειας. Η επιλογή της χρήσης μικροστροβίλων έναντι άλλων συστημάτων οφείλεται στα πλεονεκτήματα τους που τους καθιστούν ικανούς να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές κατανεμημένης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, «smart grids», υβριδικά συστήματα και συστήματα συμπαραγωγής. Αρχικά παρουσιάζεται μία ανασκόπηση των πιο αντιπροσωπευτικών εφαρμογών αναερόβιας χώνευσης για επεξεργασία αποβλήτων τυρόγαλου τόσο σε πιλοτική όσο και σε εργαστηριακή κλίμακα. Επιπρόσθετα, γίνεται μία προσπάθεια αναγωγής των αποτελεσμάτων των διαφόρων ερευνών σε μια κοινή συγκριτική βάση, προκειμένου να αποτυπωθεί η κατάσταση της τεχνολογίας σε αντίστοιχα γραφήματα. Στη συνέχεια, αναπτύσσεται ένα μοντέλο προσομοίωσης του συστήματος αναερόβιας χώνευσης σε συνδυασμό με έναν μικροστρόβιλο και εξετάζονται δύο διαφορετικά σενάρια. Στο πρώτο σενάριο μελετάται η ενσωμάτωση ενός εμπορικά διαθέσιμου μικροστροβίλου στο σύστημα αναερόβιας χώνευσης για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, με καύση μόνο ενός μέρους του παραγόμενου βιοαερίου στον μικροστρόβιλο, ενώ το υπόλοιπο καίγεται στον καυστήρα για παραγωγή ατμού. Στην περίπτωση αυτή, η επιλογή του καταλληλότερου μικροστροβίλου έγινε με σκοπό να επιτευχθεί η μέγιστη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με ταυτόχρονη κάλυψη των θερμικών απαιτήσεων (παραγωγή ατμού) της μονάδας. Στο δεύτερο σενάριο μελετάται η περίπτωση μέγιστης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας μέσω μικροστροβίλου, χωρίς κανένα περιορισμό όσον αφορά την παραγωγή σε ατμό. Τα δεδομένα για την μοντελοποίηση του συστήματος αναερόβια χώνευσης προέρχονται από ένα εργοστάσιο παραγωγής τυριών που λειτουργεί στην Ελλάδα, ενώ τα δεδομένα για τους μικροστροβίλους έχουν ληφθεί από τους αντίστοιχους κατασκευαστές τους. Ως εκ τούτου, προέκυψαν δύο διαφορετικά συστήματα τα οποία αναλύονται και εκτιμώνται σε σχέση με τα διαθέσιμα στοιχεία στη βιβλιογραφία. Στη συνέχεια διεξάγεται εξεργειακή ανάλυση των συστημάτων αυτών. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα συστήματα αυτά μπορεί να επιτύχουν υψηλούς βαθμούς απόδοσης, παρά την εμφάνιση υψηλών τιμών καταστροφών εξέργειας και αναστρεψιμοτήτων, κυρίως στον καυστήρα για το πρώτο σενάριο και στον θάλαμο καύσης του μικροστροβίλου για το δεύτερο σενάριο. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε οικονομική ανάλυση μέσω της μεθόδους Καθαρής Παρούσας Αξίας (ΚΠΑ). Τα αποτελέσματα δείχνουν πως πρόκειται για κερδοφόρες επενδύσεις, με υψηλά κέρδη από τον πρώτο χρόνο λειτουργίας. Επιπλέον, διεξήχθη παραμετρική ανάλυση ως μέθοδος βελτιστοποίησης. Στην περίπτωση αυτή, εξετάσθηκε η επίδραση ορισμένων σημαντικών παραμέτρων λειτουργίας όπως ο ισεντροπικός βαθμός απόδοσης του στροβίλου και του συμπιεστή και η επίδραση διαφόρων θερμοκρασιών κυρίως στη συνολική εξεργειακή απόδοση των συστημάτων και στη τιμή της ΚΠΑ. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα συστήματα αυτά μπορούν να επιτύχουν υψηλές αποδόσεις και τιμές ΚΠΑ με κατάλληλη επιλογή των παραμέτρων σχεδίασης.