Μελέτη για την αξιοποίηση των στερεών αγροτικών, αστικών και βιομηχανικών αποβλήτων της Κρήτης για παραγωγή ενέργειας
Authors: Σφακιωτάκης Στυλιανός 
Published: September 2021

Στα πλαίσια συμβολής στο ερευνητικό πεδίο της θερμοχημικής αξιοποίησης της βιομάζας, η παρούσα διατριβή αρχικά είχε στόχο την εξέταση και την απόκτηση δεδομένων των ιδιαίτερων φυσικοχημικών και θερμικών χαρακτηριστικών που σχετίζονται με τη θερμοχημική αξιοποίηση διαφόρων ειδών στερεάς βιομάζας, συμπεριλαμβανομένων των προϊόντων θερμοχημικής μετατροπής της, για τα οποία υπάρχει ενδιαφέρον αλλά και έλλειψη σχετικών δεδομένων. Αντικείμενο της διατριβής αυτής αποτέλεσε επίσης η βαθύτερη διερεύνηση των φαινομένων και μηχανισμών κατά την πυρόλυση και καύση βιομάζας, μέσω της μοντελοποίησης της κινητικής των διεργασιών αυτών, αλλά και ιδιαίτερα για την πυρόλυση, μέσω της στιγμιαίας -«on-line»- ποιοτικής και ποσοτικής ανάλυσης των πτητικών προϊόντων, συναρτήσει της θερμοκρασίας, σε κατασκευασθείσα και βαθμονομηθείσα πρωτότυπη διάταξη συζευγμένης θερμοβαρυτομετρίας-φασματογραφίας μάζας (TG/MS). Τα εξεταζόμενα δείγματα βιομάζας της διατριβής ήταν αγροτικά υπολείμματα, ζωικά παραπροϊόντα, λυματολάσπη από αστικό βιολογικό καθαρισμό και από βιολογικό καθαρισμό αποβλήτων χοιροτροφικής μονάδας, καθώς και ένα οργανικό κλάσμα αστικών στερεών απορριμμάτων. Η μέτρηση της θερμογόνου δύναμης κατέδειξε το ικανοποιητικό ενεργειακό περιεχόμενο όλων των δειγμάτων, στο εύρος τιμών των γαιανθράκων χαμηλής τάξης. Οι προβλεπόμενες σε διεργασίες καύσης εκπομπές ενώσεων χλωρίου δεν αναμένεται να αποτελέσουν πρόβλημα για κανένα δείγμα, πλην των αστικών στερεών απορριμμάτων, με χαμηλό αλλά υπολογίσιμο ποσοστό χλωρίου, αν και, όπως αποδείχτηκε, με προκατεργασία θερμής έκπλυσης με νερό, πριν από την καύση, μπορεί να ελαχιστοποιηθεί. Οι εκπομπές SO2, με εξαίρεση τις δύο λυματολάσπες, δεν αναμένεται επίσης να προβληματίσουν, ενώ υπολογίσιμο αντίκτυπο από πιθανές εκπομπές NOx δύναται να εμφανίσουν τα δείγματα των ζωικών αποβλήτων και των δύο ιλύων. Η χημική και ορυκτολογική ανάλυση των δειγμάτων κατέδειξαν ότι αναμένονται προβλήματα επικαθίσεων από όλα τα δείγματα, σε ενδεχόμενη καύση σε βιομηχανική κλίμακα, λόγω κυρίως του Κ αλλά και του υψηλού ποσοστού τέφρας στα μη ξυλώδη. Ωστόσο, τα αποτελέσματα της διαδικασίας θερμής έκπλυσης με νερό των δειγμάτων ήταν ενθαρρυντικά, καθώς πραγματοποιήθηκε σημαντική απομάκρυνση των ανόργανων στοιχείων και ιδίως των προβληματικών S, Κ, Na, με συνεπαγόμενη χαμηλή τάση θερμών επικαθίσεων από όλα τα εκχυλισμένα δείγματα. Σε ό,τι αφορά στη μοντελοποίηση της κινητικής της πυρόλυσης, διερευνήθηκαν οι κυριότερες αδυναμίες των μοντέλων των ανεξάρτητων παράλληλων αντιδράσεων (IPR) και των κατανεμημένων ενεργειών ενεργοποίησης (DAEM), μέσω της εφαρμογής τους στα δείγματα της διατριβής. Η μελέτη της εξάρτησης του προεκθετικού παράγοντα από το ρυθμό θέρμανσης για όλα τα δείγματα της διατριβής, καθώς και για ένα από τα βασικότερα συστατικά των λιγνοκυτταρικών βιομαζών, τη λιγνίνη, κατέληξε στην αποτύπωση ανάλογης μαθηματικής συσχέτισης για την εξάρτηση αυτή, η οποία ενσωματώθηκε στον αλγόριθμο των IPR (κώδικας Matlab©) για την ανάπτυξη του προτεινόμενου μοντέλου της διατριβής. Το προτεινόμενο μοντέλο IPR επέδειξε ευελιξία επιτυχούς εφαρμογής σε ποικιλία δειγμάτων βιομάζας διαφορετικής προέλευσης με πολύ ικανοποιητική ταυτόχρονη προσαρμογή σε διαφορετικές πειραματικές συνθήκες, αλλά και αποτελεσματική πρόβλεψη εκτός των πειραματικών συνθηκών προσαρμογής, η οποία επεκτείνεται και στα βηματικά θερμοκρασιακά προγράμματα. Συγκριτικά με το μοντέλο DAEM, το προτεινόμενο μοντέλο IPR επέδειξε τουλάχιστον ισοδύναμη αποτελεσματικότητα προσαρμογής και πρόβλεψης για τον ίδιο αριθμό κινητικών παραμέτρων προς ρύθμιση, με επιπρόσθετο πλεονέκτημα την πολύ μεγαλύτερη ταχύτητα και απλότητα στους μαθηματικούς υπολογισμούς.Τα αποτελέσματα των πειραμάτων πυρόλυσης στη διάταξη TG/MS κατέδειξαν ότι είναι δυνατή η συσχέτιση και επιβεβαίωση των δεδομένων/αποτελεσμάτων της κινητικής της πυρόλυσης από το προτεινόμενο στη διατριβή μοντέλο, με τα δεδομένα έκλυσης των πτητικών προϊόντων. Μέσω της διάταξης TG/MS κατέστη επίσης δυνατός ο υπολογισμός σημαντικών ποσοτικών παραμέτρων της πυρόλυσης, σε στιγμιαία αλλά και ολοκληρωτική βάση, όπως η απόδοση σε πτητικές συμπυκνώσιμες ενώσεις, η εκλυόμενη ποσότητα του πυρολυτικού νερού αλλά και των μονίμων αερίων πυρόλυσης, σε συνδυασμό με την εκτίμηση της θερμαντικής αξίας του αερίου πυρόλυσης.