ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣΚατασκευή και λειτουργία

πιλοτικής μονάδας ρευστοποιημένης κλίνης με

ανακυκλοφορία για την αεριοποίηση RDF

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟΣχολή Μηχανολόγων ΜηχανικώνΕργαστήριο Ατμοκινητήρων & Λεβήτων

Νικολακοπούλου Μαρία

Επιβλέπων: Επικ. Καθ. Καρέλλας Σ.

13 Μαρτίου 2015

Περιεχόμενα1. Υπολειμματικό καύσιμο από απορρίμματα RDF2. Αεριοποίηση & Αεριοποιητές ρευστοποιημένης κλίνης3. Βιβλιογραφική ανασκόπηση4. Πειραματική εγκατάσταση5. Πειραματικές δοκιμές6. Ισοζύγιο μάζας & ενέργειας7. Εκκίνηση της μονάδας8. Ανάλυση ορθής λειτουργίας ηλεκτρικών αντιστάσεων9. Συμπεράσματα10. Προτάσεις για μελλοντικές εργασίες

1. Υπολειμματικό καύσιμο από απορρίμματα RDF

RDF: Το στερεό καύσιμο που προκύπτει από τη μηχανική ή/και βιολογική επεξεργασία των ΑΣΑ, προς ομογενοποίηση και αναβάθμιση της ποιότητάς του.

Αστικά Στερεά Απόβλητα: Το σύνολο των οικιακών αποβλήτων και παρεμφερών με τα οικιακά (εμπορικών και συναφών δραστηριοτήτων).

Πλαστικό Βιοαποικοδομήσιμα

2. Αεριοποίηση & Αεριοποιητές Ρευστοποιημένης ΚλίνηςΑεριοποίηση: Η μετατροπή βιομάζας σε αέριο σύνθεσης υπό την παρουσία οξειδωτικού μέσου σε υποστοιχειομετρικές συνθήκες (λ<1).

• Ατμός (αλλόθερμη)

Αέριο Σύνθεσης: CO2, CO, H2, CH4. (syngas)

• πίσσες

• τέφρα• εξανθράκωμα

Οξειδωτικό μέσο: • Αέρας ή Οξυγόνο (αυτόθερμη)

Ρευστοποίηση: Μετατροπή ενός στρώματος ακίνητων στερεών σε στρώμα αιωρούμενων υπό την επενέργεια του οξειδωτικού μέσου.

• Ανάμιξη συστατικών προς δημιουργία ομογενούς

μίγματος

• Ομοιόμορφη κατανομή θερμοκρασιών

3. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση [1]Διεργασίες:

Αεριοποίηση Με αέρα

Με ατμό

Ρευστοποιημένη κλίνη ανακυκλοφορίας

Αναβράζουσα ρευστοποιημένη κλίνη

Σταθερή κλίνη καθοδικής ροής

Σταθερή κλίνηΠεριστρεφόμενος

κλίβανοςΚαύση Εσχάρα

Στροβιλίζουσα ρευστοποιημένη κλίνη

Αποτέφρωση Παλινδρομική εσχάραΑναβράζουσα

ρευστοποιημένη κλίνη

Συναρτήσει:

Σύσταση του αερίου (σύνθεσης ή καυσαερίου)

Του πληρωτικού υλικούΤων αλκαλίων & των αλκαλικών ενώσεωνΆλλων προσθηκών (πχ. Ενεργού άνθρακα,

ουρίας)

Αντικείμενα υπό μελέτη:

Της σύστασης του αρχικού καυσίμου

Συγκέντρωση πισσών

Σχηματισμός διοξινών & φουρανίωνΒίαιη απώλεια ρευστοποίησης

Tων συνθηκών θερμοκρασίας και παροχής οξειδωτικού μέσου

CCE% & CGE%

3. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση [2]• Δημιουργία πισσώνΑρωματικοί υδρογονάνθρακες

Μερική οξείδωση οργανικών ενώσεων Πυρόλυση

Μελετήθηκαν: ΘερμοκρασίαΕίδος αδρανούς υλικού

3. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση [3]

Ευτηκτικές ενώσεις & επικαθήσεις

Αλκαλικές ενώσεις τέφραςΠυρίτιο αδρανούς υλικού

Υψηλές θερμοκρασίες:

• Σχηματισμός συσσωματωμάτων & βίαιη απώλεια ρευστοποίησης.

Μελετήθηκαν: ΘερμοκρασίαΠοσοστό και είδος αλκαλίου στην τέφραΚοκκομετρία αδρανούς υλικούΕπιφανειακή ταχύτητα μέσου αεριοποίησης

Μείωση των επιφανειών συναλλαγής θερμότητας

3. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση [4]• Σχηματισμός διοξινών & φουρανίων

Οργανικές αρωματικές ενώσεις C, H, O, Cl

Μελετήθηκαν: Είδος καυσίμουΘερμοκρασίαΧρόνος παραμονής στο θάλαμο καύσηςΛόγος αέρα/καυσίμουΠροσθήκη ουρίας

4. Πειραματική εγκατάσταση [1]• Σύστημα

Τροφοδοσίας & Αποθήκευσης:

• Περιοχή καύσης αερίου σύνθεσης

4. Πειραματική εγκατάσταση [2]• Κύρια Διάταξη Αεριοποιητή

• Σύστημα καθαρισμού & ψύξης αερίου

d=70 μm & d50=10

μm

d=100 μm & d50=40

μm

5.96

1 m

4. Πειραματική εγκατάσταση [3]1. Εγκατάσταση & θέρμανση ηλεκτρικών αντιστάσεων & τοποθέτηση μόνωσης

Συνολική ισχύς: 70.8 kWΔL = 8.1 cm στους 500˚ C

Απαίτηση εγκατάστασης διαστολικών συνδέσμων,

τηλεσκοπικού σωλήνα και συστήματος

ανάρτησης (γρύλου)

2. Εγκατάσταση μετρητικών πίεσης & θερμοκρασίας

ΜόνωσηΕπιστρώματα

κεραμοβάμβακα και πετροβάμβακα

4. Πειραματική εγκατάσταση [4]Γραμμή δειγματοληψίας αερίου σύνθεσης

Κεραμικό φίλτρο

200°C

Πλυντρίδα Ισοπροπανόλης

Φίλτρο Μικροϊνών

Στήλη αφύγρανσης

ExitMicro GC

Αντλία κενού

Flow controller2Nl/min

0.2Nl/min

5. Πειραματικές δοκιμές [1]5.1. Ρευστοποίηση με ανακυκλοφορία ολιβίνη

Συνθήκες:•27 κιλά ακοσκίνιστου ολιβίνη dp=214.04 μm

Umf,250=0.02 m/s

Ut,250=0.7 m/s

Umf,600=0.015 m/s

Ut,600=0.73 m/s

5. Πειραματικές δοκιμές [2]5.2. Αεριοποίηση πελλετοποιημένου ξύλου

Παροχή αέρα: 120 lN/min Παροχή καυσίμου: 5.5 kg/hΑδρανές υλικό: 27 kg ολιβίνη = 299.54 μm

30 RPM

Umf,750 = 0.04 m/s

Ut,750 = 1.17 m/s

• Μικρότερες διακυμάνσεις

Ρευστοποίηση με ανακυκλοφορία

U = 0.664 m/secU/Ut = 0.568

5. Πειραματικές δοκιμές [3]5.2. Αεριοποίηση πελλετοποιημένου ξύλου

50˚C

Ρευστοποίηση με ανακυκλοφορία

6. Ισοζύγιο μάζας & ενέργειας [1]6.1. Ισοζύγιο μάζας

• Καύσιμο: RDF• λ = 0.31• Αδρανές υλικό: Ολιβίνης

Εισερχόμενες ροές μάζας Εξερχόμενες ροές μάζας Αέριο σύνθεσης msyngas 88.692%

Καύσιμο mRDF 76.873% Εξανθράκωμα mchar 5.056% Τέφρα πυθμένα mbedash 3.628%

Οξυγόνο 23.127% Ιπτάμενη τέφρα mflyash 0.907% Πίσσες mtars 1.502%

Σύνολο 100% Σύνολο 99.786%

6. Ισοζύγιο μάζας & ενέργειας [2]6.2. Ισοζύγιο ενέργειας

Προσδιδόμενη ενέργεια• Χημική ενέργεια: RDF• Ηλεκτρική ενέργεια: Ηλεκτρικές αντιστάσεις

Απώλειες: Απορροφώμενη ενέργεια από τον ολιβίνη Πίσσες Εξανθράκωμα

Εισερχόμενα ποσά ενέργειας Εξερχόμενα ποσά ενέργειας Qsyngas 68.378%

Qresist 45.53% Qolivine 16.61%

QRDF 54.47% Qchar 6.251% Qtars 3.253%

Σύνολο 100% Σύνολο 94.493%

7. Εκκίνηση της μονάδας• Σενάριο 1: Υψηλή ισχύς αντιστάσεων Υψηλή παροχή αέρα

Qresist 100 % Qair 21.388 %

Qblanket 3.872 % – 7.744 %

• Σενάριο 2: Χαμηλή ισχύς αντιστάσεων Χαμηλή παροχή αέρα

Qresist 100 % Qair 21.057 %

Qblanket 13.313 % – 26.627 %

Qresist 36.794 kW Qair 7.869 kW

Qblanket 1.425 – 2.849 kW

Qresist 10.701 kW Qair 2.253 kW

Qblanket 1.425 – 2.849 kW

8. Ανάλυση ορθής λειτουργίας ηλεκτρικών αντιστάσεων [1]Ακτίνα (mm) Περιοχή Ζώνη 1 (˚C) Ζώνη 2 (˚C) Ζώνη 3 (˚C) Ζώνη 4 (˚C)

0 Εσωτερικά του αγωγού 517.8 498.902 580.649 572.692

4 Εξωτερικά του αγωγού 409.483 527.706 478.763 582.201

11.5 Πρώτη στρώση

κεραμικής μόνωσης

409.483 527.706 478.763 582.201

12.5 Σύρμα χρωμονικελίνης 427.067 543.299 487.474 585.179

20 Δεύτερη στρώση

κεραμικής μόνωσης

444.651 558.894 496.184 588.158

120 Μόνωση μανδύα κεραμοβάμβακα 225.083 274.113 247.199 286.673

170 Μόνωση μανδύα πετροβάμβακα 60 60 60 60

Ζώνη 1: Εκλυόμενη ενέργεια από τον ολιβίνη

Ζώνη 3: Μη επαρκή ποσοστά ισχύος

Προθέρμανση μονάδας

8. Ανάλυση ορθής λειτουργίας ηλεκτρικών αντιστάσεων [2]Τροφοδοσία Καυσίμου

Ακτίνα (mm) Περιοχή Ζώνη 1 (˚C) Ζώνη 2 (˚C) Ζώνη 3 (˚C) Ζώνη 4 (˚C)

0 Εσωτερικά του αγωγού 742.51 738.421 764.478 753.376

4 Εξωτερικά του αγωγού 656.905 710.93 752.728 746.548

11.5 Πρώτη στρώση

κεραμικής μόνωσης

773.96 771.092 813.625 762.618

12.5 Σύρμα χρωμονικελίνης 807.984 788.579 831.326 767.288

20

Δεύτερη στρώση

κεραμικής μόνωσης

925.039 848.742 892.223 783.358

120 Μόνωση μανδύα

κεραμοβάμβακα 431.254 398.509 417.17 370.448

170 Μόνωση μανδύα

πετροβάμβακα 60 60 60 60

Ζώνη 2: Αύξηση ύψους κλίνης

Ρευστοποίηση με ανακυκλοφορία

Ζώνη 3:Μεγαλύτερη κυκλοφορία

σωματιδίων& εξώθερμες αντιδράσεις

Ζώνη 4:Πλήθος εξώθερμων

αντιδράσεων

Αεριοποίηση

Basu P. Chapter 5 - Gasification Theory and Modeling of Gasifiers, in Biomass

Gasification and Pyrolysis, 2010, p. 117-165

8. Ανάλυση ορθής λειτουργίας ηλεκτρικών αντιστάσεων [3]

9. Συμπεράσματα Ανάγκη για κοσκίνισμα του αδρανούς υλικού, λόγω παρατήρησης διαφυγής των

λεπτόκοκκων σωματιδίων εκτός της διάταξης. Η αναβράζουσα ρευστοποιημένη κλίνη μετατρέπεται σε ρευστοποιημένη κλίνη με

ανακυκλοφορία μετά την τροφοδοσία του καυσίμου, λόγω της αεριοποίησης. Οι ενεργειακές απώλειες κατά την προετοιμασία της μονάδας δεν εξαρτώνται από τα

επίπεδα παροχής αέρα, παρά μόνο από τα ποσοστά λειτουργίας των αντιστάσεων. Για την αποφυγή πρόσδοσης θερμότητας από την κλίνη προς τις αντιστάσεις,

ενδείκνυται η λειτουργία των αντιστάσεων σε υψηλότερα επίπεδα ισχύος, με ταυτόχρονη μείωση του διαστήματος προθέρμανσης.

10. Προτάσεις για μελλοντικές εργασίες Σειρά πειραματικών δοκιμών αεριοποίησης των πρότυπων δειγμάτων χαρτιού και

πλαστικού (τεμαχισμένο). Αξιοποίηση του παραγόμενου αερίου σύνθεσης σε αεριοστρόβιλο ή ΜΕΚ και εκτίμηση του

βαθμού απόδοσης.

Ευχαριστώ για την προσοχή σας!