Page 1

AΘΑΝΑΣΙΟΣ ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΣ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ

1


BIOMAΖΑ

Βιομάζα είναι το βιοαποικοδομήσιμο κλάσμα των προϊόντων, αποβλήτων, και υπολειμμάτων που προέρχονται από την γεωργία, τη δασοπονία και τις συναφείς βιομηχανίες καθώς και το βιοαποικοδομήσιμο κλάσμα της βιομηχανίας και των αστικών αποβλήτων, όπως ορίζει η οδηγία 2011/77/ΕΚ. Ως βιομάζα ορίζεται η ύλη που έχει βιολογική (οργανική) προέλευση. Πρακτικά περιλαμβάνει σε αυτήν οποιοδήποτε υλικό που προέρχεται άμεσα ή έμμεσα από τον φυτικό κόσμο. Πιο συγκεκριμένα , με τον όρο βιομάζα εννοούμε τα φυτικά και δασικά υπολείμματα (καυσόξυλα, κλαδέματα, άχυρα, πριονίδι, ελαιοπυρήνα, υγρά απόβλητα ελαιοτριβείων), ζωικά απόβλητα (κοπριά, άχρηστα αλιεύματα), τα φυτά που καλλιεργούνται στις ενεργειακές φυτείες για να χρησιμοποιηθούν ως πηγή ενέργειας, καθώς επίσης και τα αστικά απορρίμματα και τα υπολείμματα της βιομηχανίας τροφίμων, της αγροτικής βιομηχανίας και το βιοαποικοδομήσιμο κλάσμα των αστικών απορριμμάτων. Η βιομάζα χρησιμοποιείται κυρίως για την παραγωγή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας. Ειδικότερα μπορεί να αξιοποιηθεί για την κάλυψη ενεργειακών αναγκών (θέρμανσης, ψύξης, ηλεκτρισμού κλπ.) και ακόμη για την παραγωγή υγρών Βιοκαυσίμων (Βιοαιθανόλης,Βιοντήζελ).

Τεχνικές Βιολογικής Επεξεργασίας

Αναερόβια Χώνευση Ανήκει στις τεχνικές ενεργειακής εκμετάλλευσης της Βιομάζας με τεχνοοικονομική βιωσιμότητα όταν τα οικονομικά της κλίμακας είναι ευνοϊκά. Ιδιαίτερα αποδοτική στην παραγωγή ενέργειας αλλά και ιδιαίτερα δαπανηρή σε σύγκριση με άλλες τεχνικές. Το βασικότερο στοιχείο των συστημάτων αναερόβιας ζύμωσης είναι η χρήση κλειστών 2


Βιοαντιδραστήρων (χωνευτηρίων) Τα συστήματα αναερόβιας ζύμωσης διακρίνονται βάση της συγκέντρωσης των στερεών της οργανικής ύλης σε : α. Αναερόβια ζύμωση χαμηλής συγκέντρωσης στερεών 4 έως 14%. Μειονέκτημα της μεθόδου είναι η χρήση μεγάλων ποσοτήτων ύδατος, η δυσκολία αφυδάτωσης του τελικού προϊόντος και η επεξεργασία των υγρών που προκύπτουν κατά την αφυδάτωση και αυξάνουν το κόστος της μεθόδου. β. Αναερόβια ζύμωση υψηλής συγκέντρωσης στερεών .Εδώ έχουμε συγκέντρωση στερεών μεγαλύτερη του 22% και διαφέρει από την πάνω μέθοδο, έχοντας λιγότερες απαιτήσεις σε νερό στην αφυδάτωση και στην μεγαλύτερη παραγωγή τελικού προϊόντος.

Πλεονεκτήματα Αναερόβιας χώνευσης.

Η μέθοδος υπό κατάλληλες συνθήκες αποτελεί κλειστό κύκλο άνθρακα με αποτέλεσμα να μην συνεισφέρει στις εκπομπές διοξειδίου στην ατμόσφαιρα. Η παραγωγή Μεθανίου χρησιμοποιείτε ενέργειας. Συμβάλει στην μείωση των:

ως

ανανεώσιμη

πηγή

Αποβλήτων, οσμών , παθογόνων μικροοργανισμών, και εκπομπών του θερμοκηπίου. Μειονεκτήματα Η αναερόβια χώνευση είναι μία ευαίσθητη διαδικασία . Κάτω από ασταθείς συνθήκες μπορούν να παραχθούν ενδιάμεσες ενώσεις, ουσίες που μπορούν να προκαλέσουν περεταίρω αστάθεια στην διαδικασία όπως είναι τα λιπαρά οξέα και οι αλκοόλες. Οι πιο σημαντικοί παράμετροι που επηρεάζουν την ισορροπία του συστήματος είναι η Θερμοκρασία, το pH, η δομή του υποστρώματος και οι τοξίνες/αντιβιοτικά. 3


Διαδικασία αποδόμησης οργανικής ύλης. Υδρόλυση. Τα αδιάλυτα βιοπολυμερή μετατρέπονται σε διαλυτές οργανικές ενώσεις. Ζύμωση. Οι διαλυτές οργανικές ενώσεις μετατρέπονται σε πτητικά λιπαρά οξέα και διοξείδιο του άνθρακα. Οξυγένεση. Τα λιπαρά οξέα μετατρέπονται σε οξικά άλατα και υδρογόνο Μεθανογένεση. Μετατροπή υδρογόνου και των οξικών αλάτων σε μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα. Στα ανωτέρω στάδια, δραστηριοποιούνται οι αναγκαίοι μικροοργανισμοί για την μεταβολή των ενώσεων . Μέσα από την συμβιωτική λειτουργία των μικροοργανισμών η οργανική ύλη μετατρέπεται περίπου σε 50 έως 60% μεθάνιο.

TΕΧΝΙΚΕΣ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ

Οι τεχνικές διεργασίες αξιοποίησης της Βιομάζας είναι η αποτέφρωση, πυρόλυση, αεριοποίηση, τεχνολογία πλάσματος, και η υδροθερμική ανθρακοποίηση. Οι τεχνολογίες διαφοροποιούνται ως προς την θερμοκρασία που αναπτύσσεται εντός του αντιδραστήρα, την πίεση, την αναλογία οξυγόνου με αποτέλεσμα διαφορετικά προϊόντα και λειτουργικές συνθήκες. Όλες οι εν λόγο τεχνολογίες αφορούν στερεά απόβλητα, με διαφοροποιήσεις στους περιορισμούς σχετικά με το ποσοστό υγρασίας. .1

4

Αποτέφρωση είναι η οξείδωση των αποβλήτων σε συνθήκες περίσσειας οξυγόνου σε θερμοκρασίες 8500C-15000C, με κύρια προϊόντα CO2 ,νερό και στάχτη. Το θερμικό περιεχόμενο του αποβλήτου ελευθερώνεται μέσα στον Λέβητα όπου αξιοποιείται άμεσα με την μορφή θερμικής ενέργειας.


.2

Πυρόλυση ονομάζεται η θερμική αποσύνθεση των οργανικών συστατικών της βιομάζας απουσία οξυγόνου. Η διεργασία είναι ενδόθερμη ,απουσία φλόγας ,και επομένως απαιτείται παροχή θερμικής ενέργειας για να πραγματοποιηθεί .Η πυρόλυση πραγματοποιείται σε θερμοκρασίες 3000C -9000C , ενώ τα τελικά προϊόντα εξαρτώνται άμεσα από την ποιότητα της Βιομάζας, την υγρασία, τον πυρολυτικό χρόνο και τις λειτουργικές συνθήκες. Τα προϊόντα της πυρόλυσης είναι :

Αέριο σύνθεσης ( μίγμα κυρίως H2, CH4, CO, CO2 ), το ελαιώδες κλάσμα που περιέχει απλά καρβοξυλικά οξέα ,κετόνες αλκοόλες και σύνθετους υδρογονάνθρακες . Το στερεό καύσιμο που περιέχει άνθρακα και αδρανείς ανόργανες ενώσεις. Τα προϊόντα της πυρόλυσης μπορούν να αξιοποιηθούν σε δεύτερο στάδιο για την παραγωγή ενέργειας. Αεριοποίηση είναι η ελεγχόμενη μερική οξείδωση της βιομάζας με σκοπό την παραγωγή μεγαλυτέρων ποσοτήτων αερίου σύνθεσης (syngas) με κύρια συστατικά το μονοξείδιο του άνθρακα και το υδρογόνο. Με την μερική οξείδωση επιτυγχάνουμε μια αυτοσυντηρούμενη αντίδραση μετά την ανάφλεξη. Το παραγόμενο αέριο είναι καύσιμο και μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας μετά τον καθαρισμό για την παραγωγή ενέργειας. Πλεονέκτημα της αεριοποίησης είναι η μεγαλύτερη απόδοση του αερίου σύνθεσης σε σχέση με την απόδοση του αρχικού υλικού λόγο της αναβάθμισης της θερμογόνου δύναμης με αποτέλεσμα η καύση να πραγματοποιείτε σε πολύ μεγαλύτερες θερμοκρασίες. Η αεριοποίηση πραγματοποιείτε σε θερμοκρασίες μεταξύ των 7000 C και 12000C. Και εκτός του συνθετικού αερίου παράγεται στερεό και μικρές ποσότητες ελαιώδους υπολείμματος όμοια με αυτά της πυρόλυσης. Στην τεχνολογία Πλάσματος με την βοήθεια ηλεκτρικής ενέργειας δημιουργούνται εντός του αντιδραστήρα συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας άνω των 50000C με συνέπεια την αεριοποίηση της βιομάζας. Το αέριο σύνθεσης αξιοποιείται ενεργειακά ενώ το αδρανές υλικό που παράγεται είναι κατάλληλο για οικοδομικά υλικά. Για την 5


λειτουργία μιας τεχνολογίας πλάσματος απαιτείται η εξωτερική παροχή ηλεκτρικής ενέργειας ζήτηση πού υπερκαλύπτεται από την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, που λαμβάνεται από το αέριο σύνθεσης, διαθέτοντας παράλληλα ένα σημαντικό ποσό ηλεκτρικής ενέργειας προς πώληση.

Η υδροθερμική απανθράκωση η υδατική οπτανθρακοποίηση σε μεγάλη θερμοκρασία είναι μια χημική διαδικασία για την παραγωγή λιγνίτη, συνθετικού αερίου, υγρού πετρελαίου και χούμου από βιομάζα, με απελευθέρωση ενέργειας. Η διάρκεια αυτής της διαδικασίας στη φύση υπολογίζεται το λιγότερο σε 50000 χρόνια . Τεχνικά η δημιουργία λιγνίτη-ενανθράκωση-εντός ολίγων ορών είναι πραγματικότητα. Ερευνήθηκε από τον Friedrich Bergius το έτος 1913.Σε όλες τις χρησιμοποιούμενες μεθόδους για την μετατροπή βιομάζας σε καύσιμα η αποτελεσματικότητα του άνθρακα ,δηλαδή το ποσοστό του άνθρακα που βρίσκεται εντός της βιομάζας και μετατρέπεται σε τελικό προϊόν είναι μικρό.Στην αλκοολική ζύμωση η αποτελεσματικότητα του άνθρακα είναι 67% ,στην αναερόβια ζύμωση σε βιοαέριο 50%, στην παραγωγή ξυλάνθρακα με την μέθοδο της ανθρακοποίησης 30%, για την παραγωγή χούμους με την μέθοδο της κομματοποίησης 5 έως 10%. Το αχρησιμοποίητο μέρος του άνθρακα δραπετεύει στην ατμόσφαιρα σαν διοξείδιο του άνθρακα κατά την διάρκεια της ζύμωσης η σαν μεθάνιο. Και τα δύο αέρια είναι επιβλαβή για το κλίμα. Επιπλέον στις μεθόδους αυτές η απελευθερωμένη θερμότητα δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Διαδικασία Σε ένα πιεστικό δοχείο τοποθετούμε Βιομάζα φυτικής προέλευσης-απλοποιημένη χημική εξίσωση C6H12O6 τύπος ζάχαρης μαζί με νερό. Θερμαίνουμε το δοχείο σε θερμοκρασία 220 βαθμών κελσίου. Η πίεση αυξάνει σε 20 bar. Κατά την διάρκεια της αντίδρασης σχηματίζονται ιόντα oξωνiου. Εδώ παρατηρούμαι ότι όσο πιο μικρή είναι η τιμή του pH,τόσο και περισσότερος άνθρακας μεταφέρετε στη υδάτινη φάση. Η συνεχιζόμενη αντίδραση είναι εξώθερμη. Μετά από 3 ώρες ο άνθρακας της βιομάζας έχει αντιδράσει. 90 έως 99 % του άνθρακα αιωρείται εντός του ύδατος υπό την μορφή σφαιριδίων με πόρους 8 έως 10 nm ,που βρίσκονται σε στερεά μορφή. Το υπόλοιπο 1 6


έως 10% άνθρακα είτε διαλύεται στην υδάτινη φάση είτε έχει μετατραπεί σε διοξείδιο του άνθρακα. Η χημική εξίσωση για τον σχηματισμό του καφέ άνθρακα είναι. C6H12O6-------C6H2O +5H2O

ΔΗ -1105 KJ:mol

Η αντίδραση μπορεί να διακοπεί σε διάφορα στάδια. Σε λίγα λεπτά και όταν βρεθούμε στις κατάλληλες συνθήκες παράγονται λιπόφιλες ουσίες, ο χειρισμός των οποίων, λόγο της υψηλής δραστικότητας είναι πολύ δύσκολος. Με την εξώθερμη αντίδραση της ΥΘΑ/HTC απελευθερώνονται 3\8 της θερμαντικής ικανότητας που υπολογίζετε στο βάρος της ξηράς βιομάζας. Με επιδέξιους χειρισμούς μπορεί κανείς να κάνει χρήση της παραγόμενης ενέργειας από την υγρή βιομάζα και να παράγει ξηρό Βιοκάρβουνο/ PELLETS. Σε εφαρμογές μεγάλης κλίμακας της υδροθερμικής ανθρακοποίησης της ιλύος έχει αποδειχτεί ότι για την παραγωγή άνθρακα με 10% υγρασία η ενέργεια που απαιτείτε για την ξήρανση είναι ίσον με το 20% της ενέργειας που αντιπροσωπεύει ο παραγόμενος άνθρακας. Επίσης ένα 5% θα χρησιμοποιηθεί σαν ενέργεια που θα καλύψει την ηλεκτρική ενέργεια για την λειτουργία της ΥΘΑ.Η μηχανική αφυδάτωση απεδείχθη ιδιαίτερα πλεονεκτική για τα προϊόντα της ΥΘΑ, δεδομένου ότι επιτυγχάνετε περισσότερο από 60% περιεκτικότητα σε ξηρή υλη του ακατέργαστου άνθρακα. Έτσι η ενέργεια και ο εξοπλισμός που απαιτούνται για την τελική ξήρανση του άνθρακα σε σχέση με την παραδοσιακή διαδικασία ξήρανσης της ιλύος είναι χαμηλού κόστους.

7


Ο άνθρακας μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μεγάλες μονάδες παραγωγής Ηλεκτρικού ρεύματος η σε τσιμεντοβιομηχανίες.

Με την χρήση του λιπάσματος από υγρά απόβλητα ελαιοτριβείων μετά την επεξεργασία σε μονάδα ΥΘΑ παρατηρείται μια σημαντική ανάπτυξη των φυτών. Στις επόμενες φωτογραφίες βλέπουμε την διαφορά στην ανάπτυξη δευτερεύοντος ριζώματος μεταξύ δύο φυτών εκ των οποίων το ένα λιπάνθηκε με λίπασμα προερχόμενο από υγρά απόβλητα ελαιοτριβείων.

8

biomas1  
biomas1