Διεργασίες ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας για εφαρμογές θέρμανσης και ψύξης

Abstract

Numerous recent studies have focused on thermally pretreated lignocellulosic biomass as a substitute of fossil fuels. These studies deal with the efficient use of the renewable energy sources, to ensure sustainable consumption and production patterns, by achieving Sustainable Development Goals no. 7 and no. 12 of the United Nations 2030 Agenda. The use ofrenewable energy sources and especially biomass is important due to economic factors, since the use of low-cost energy sources is more attractive, enhancing the preservation of a clean environment. Thermal applications are the most common and traditional uses of biomass worldwide. Several biomass-based heating and cooling systems have been developed, which are already commercially available and economically competitive. Biomass is used in various of ways for heating production. Heating applications cover the whole range, from small scale heating of a single room and a few kW boilers for domestic heating, to multi kW boilers for industry and district heating. Large-scale units can be combined with power cycles for combined heat and power (CHP) generation. Innovative technologies such as the Organic Rankine Cycle (ORC) and gasification also offer efficient cogeneration. This thesis contributes to this research by investigating the enhancement of the barley and wheat straw Higher Heating Value (HHV), via wet and dry torrefaction pretreatment, to be used as solid fuel in heating and cooling systems. In particular, the effect of time, temperature and acid concentration on wet torrefaction process is investigated. In addition, innovative kinetic models were applied to fit the experimental data using a severity factor (Rο) that combines the effect of reaction time, temperature and acid concentration in the case of a non-isothermal process. Especially, the possibility of improving the HHV of barley straw with (i) Dry Torrefaction, so called torrefaction, in a furnace, and (ii) Acid Catalyzed Wet Torrefaction (ACWT), so called acid hydrolysis or acid catalyzed hydrothermal treatment, in a Parr 4553 3.75 L batch reactor, was examined. Wheat straw was also studied as regards HHV enhancement. In all cases, a Parr 1341 Plain Jacket Bomb Calorimeter was used to measure the HHV of the samples. These samples were also studied using Ultimate and Proximate Analysis, and scanning electron microscope (SEM). As regards the ACWT pretreatment, two different simulation approaches were applied: (a) Combined Severity Factor (CSF) and (b) Response Surface Methodology (RSM) based on the Box – Behnken design of experiments (DoE). Sulfuric acid (SA) concentration,temperature and time were the ACWT parameters examined herein. As regards the Dry Torrefaction pretreatment, various experimental conditions were studied using a Nuve Muffle Furnace, with numerous sets of temperature and residence time. In addition, innovative kinetic models were applied to adapt the experimental data using CSF, which combines the effect of temperature and time on the torrefaction process. In conclusion, the barley and wheat straw HHV, pretreated via ACWT and dry torrefaction was significantly increased at optimal pretreatment conditions, resulting to the production of a biomass-based solid fuel, appropriate for heating and cooling systems feeding, within the zero-waste circular economy concept.

Πολλές πρόσφατες μελέτες έχουν επικεντρωθεί στη θερμικά προκατεργασμένη λιγνοκυτταρινούχο βιομάζα με σκοπό την υποκατάσταση των ορυκτών καυσίμων. Οι μελέτες αυτές ασχολήθηκαν με την αποδοτικότερη χρήση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, για την διασφάλιση βιώσιμων πρότυπων στην παραγωγή και στην κατανάλωση, πετυχαίνοντας έτσι την εκπλήρωση των στόχων με αρ. 7 και αρ. 12 της Βιώσιμης Ανάπτυξης σύμφωνα με την ατζέντα των Ηνωμένων Εθνών για το 2030. Η χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και ιδιαίτερα της βιομάζας είναι σημαντική λόγω των οικονομικών συντελεστών, καθώς η χρήση χαμηλού κόστους πηγών ενέργειας είναι πιο ελκυστική, ενισχύοντας έτσι τη διατήρηση ενός καθαρού περιβάλλοντος. Οι θερμικές εφαρμογές είναι οι πιο συνηθισμένες και καθιερωμένες χρήσεις της βιομάζας παγκοσμίως. Έχουν αναπτυχθεί αρκετά συστήματα θέρμανσης και ψύξης, με βάση τη βιομάζα, τα οποία είναι εμπορικά διαθέσιμα και οικονομικώς ανταγωνιστικά. Η βιομάζα χρησιμοποιείται με διάφορους τρόπους για την θέρμανση. Τα συστήματα θέρμανσης καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα οικιακής θέρμανσης, από μια μονοκατοικία με λέβητες λίγων kW, έως εγκαταστάσεις λεβήτων πολλών kW στη βιομηχανία και την τηλεθέρμανση. Οι θερμικές μονάδες μεγάλης ισχύος μπορούν να συνδυάσουν τα ‘κύκλα ισχύος’ για την συμπαραγωγή θερμότητας και ηλεκτρικής ισχύος (CHP). Καινοτόμες τεχνολογίες όπως είναι ο Οργανικός Κύκλος Rankine (ORC) και η αεριοποίηση, μας προσφέρουν επίσης μια αποτελεσματική συμπαραγωγή. Η παρούσα διατριβή συμβάλλει στην έρευνα αυτή διερευνώντας την αύξηση της Ανώτερης Θερμογόνου Δύναμης (HHV) του άχυρου κριθαριού και σιταριού, μέσω της υγρής και της ξηρής φρύξης, για να χρησιμοποιηθούν αυτά ως στερεό καύσιμο σε συστήματα θέρμανσης και ψύξης. Συγκεκριμένα, στη διαδικασία της υγρής φρύξης διερευνάται η επίδραση του χρόνου, της θερμοκρασίας και της συγκέντρωσης του οξέος. Επιπλέον, για την προσαρμογή των πειραματικών δεδομένων εφαρμόστηκαν καινοτόμα κινητικά μοντέλα χρησιμοποιώντας έναν παράγοντα σοβαρότητας (Severity Factor, Rο) ο οποίος συνδυάζει την επίδραση του χρόνου αντίδρασης, της θερμοκρασίας και τηςσυγκέντρωσης του οξέος, στην περίπτωση μιας μη ισοθερμοκρασιακής διεργασίας. Ειδικότερα, η δυνατότητα βελτίωσης της HHV του άχυρου κριθαριού πραγματοποιήθηκε με (i) Ξηρή φρύξη, η οποία καλείται και απλά φρύξη, σε κλίβανο, και (ii) Καταλυόμενη από Οξύ Υγρή Φρύξη (ACWT), ή όξινη υδρόλυση ή υδροθερμική επεξεργασία καταλυόμενη από οξύ, που πραγματοποιήθηκε σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου τύπου αυτοκλείστου 3,75 L Parr 4553. Επίσης, μελετήθηκε το άχυρο σιταριού όσον αφορά την βελτίωση της HHV. Σε όλες τις περιπτώσεις, χρησιμοποιήθηκε θερμιδόμετρο Parr 1341 Plain Jacket Bomb για τη μέτρηση της HHV των δειγμάτων. Επίσης, τα δείγματα μελετήθηκαν με τη χρήση τηςτελικής (Ultimate) και προσεγγιστικής (Proximate) ανάλυσης, καθώς και με μικροσκόπιο ηλεκτρονικής σάρωσης (SEM).Όσον αφορά την προκατεργασία με ACWT, εφαρμόστηκαν δύο διαφορετικές προσεγγίσεις προσομοίωσης: (α) ο συνδυασμένος συντελεστής σοβαρότητας (CSF) και (β) η μεθοδολογία επιφανειακής απόκρισης (RSM) σύμφωνα με τον σχεδιασμό των πειραμάτων (DoE) κατά Box – Behnken. Εξετάστηκαν οι παράμετροι της ACWT, όπως η συγκέντρωσητου θειικού οξέος (SA), η θερμοκρασία και ο χρόνος. Όσον αφορά στην προκατεργασία με ξηρή φρύξη, μελετήθηκαν διάφορες πειραματικές συνθήκες, χρησιμοποιώντας πολλούς συνδυασμούς θερμοκρασίας και χρόνου σε έναν κλίβανο (Nuve Muffle Furnace). Επιπλέον, εφαρμόστηκαν καινοτόμα κινητικά μοντέλα για την προσαρμογή των πειραματικώνδεδομένων χρησιμοποιώντας τον CSF, ο οποίος συνδυάζει την επίδραση της θερμοκρασίας και του χρόνου στη διεργασία της φρύξης. Συμπερασματικά, η προκατεργασία με ACWT και ξηρή φρύξη των άχυρων κριθαριού και σιταριού αύξησε σημαντικά την HHV, στις βέλτιστες συνθήκες προκατεργασίας, με αποτέλεσμα την παραγωγή στερεού καυσίμου προερχόμενου από βιομάζα, το οποίο κρίθηκε κατάλληλο για χρήση σε συστήματα θέρμανσης και ψύξης, στο πλαίσιο της έννοιας της κυκλικής οικονομίας μηδενικών αποβλήτων.