title: Ισοζύγια μάζας και ενέργειας του καινοτομικού συστήματος ενεργειακής αξιοποίησης βιοστερεών με τη μέθοδο της αεριοποίησης
title: Μass and energy balances of novel system for the exploitation of the energy content of biosolids through gasification
Creators: name: Τσαμουτσογλου Κωνσταντινος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2020

description: Οι Εγκαταστάσεις Επεξεργασίας Λυμάτων (ΕΕΛ) ανάλογα με τις ανάγκες σχεδιασμού δημιουργούν άμεσες περιβαλλοντικές επιπτώσεις λόγω της χρήσης ενέργειας, της κατανάλωσης χημικών ουσιών και της πλεονάζουσας παραγωγής ιλύος. Συνεπώς, ολοένα και αυξάνεται το ενδιαφέρον για τη βελτιστοποίηση της σχέσης μεταξύ ενέργειας και ποιότητας λυμάτων και για την εύρεση καινοτόμων τεχνολογιών που έχουν ως στόχο τη μετατροπή των αποβλήτων σε ενεργειακούς πόρους.
Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η αξιολόγηση της βιωσιμότητας και της ενεργειακής αυτονομίας ενός καινοτομικού συστήματος αξιοποίησης βιοστερεών με τη μέθοδο της αεριοποίησης και ο υπολογισμός ισοζυγίων μάζας και ενέργειας με γνώμονα την προστασία του περιβάλλοντος. Στην υφιστάμενη ΕΕΛ Ρεθύμνου θα εγκατασταθεί μία πιλοτική διάταξη, η οποία θα περιλαμβάνει 3 στάδια επεξεργασίας (μικροκοσκίνιση, ξήρανση, αεριοποίηση) και θα επεξεργάζεται περίπου το ένα τρίτο (5,000m^3) της μέσης ημερήσιας παροχής λυμάτων της ΕΕΛ. Κατά το στάδιο της αεριοποίησης θα παράγεται το αέριο σύνθεσης (syngas), το οποίο μέσω ενός ηλεκτροκινητήρα εσωτερικής καύσης θα χρησιμοποιείται για την παραγωγή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας. Η παραγόμενη ενέργεια αναμένεται να καλύπτει τις ενεργειακές ανάγκες της πιλοτικής διάταξης και κατά συνέπεια να προκαλέσει σημαντική μείωση των συνολικών ενεργειακών αναγκών της ΕΕΛ και κατ’ επέκταση ελάττωση των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου.
Ο προσδιορισμός των ισοζυγίων μάζας του συστήματος ενεργειακής αξιοποίησης βιοστερεών πραγματοποιήθηκε σε δύο στάδια. Το πρώτο στάδιο αφορά την ανάλυση ισοζυγίων μάζας του συστήματος μικροκοσκίνισης, ενώ στο δεύτερο στάδιο έγινε η ανάλυση των ισοζυγίων μάζας και ενέργειας των μονάδων ξήρανσης και αεριοποίησης με ταυτόχρονη παραγωγή ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας. 
Η επίλυση των ισοζυγίων του συστήματος μικροκοσκίνισης αποσκοπούσε στην εύρεση των εκτιμώμενων απομακρύνσεων των παραμέτρων  του Βιοχημικά Απαιτούμενου Οξυγόνου των πέντε ημερών, (BOD5), του Χημικά Απαιτούμενου Οξυγόνου (COD), των Ολικών Αιωρούμενων στερεών (TSS), αλλά και στον προσδιορισμό της αναμενόμενης ποσότητας βιοστερεών που θα χρησιμοποιηθεί ως υλικό τροφοδοσίας στον αεριοποιητή. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι εκτιμώμενες συγκεντρώσεις εξόδου των TSS, BOD5, και COD από το σύστημα μικροκοσκίνισης θα κυμαίνονται μεταξύ 55-164 mg/L, 290-309 mg/L, και 520-558 mg/L, αντίστοιχα, ενώ η παραγωγή βιοστερεών (σε ξηρή βάση) αναμένεται από 7 έως 18 kg-PSS/h. Από την άλλη, η επίλυση των ισοζυγίων του δευτέρου σταδίου αποσκοπούσε στον έλεγχο της ενεργειακής αυτονομίας της μονάδας. Στην περίπτωση αυτή εξετάστηκαν δύο πιθανά σενάρια (χείριστη και βέλτιστη περίπτωση). Για το πρώτο σενάριο διαπιστώθηκε ότι η παραγόμενη ενέργεια θα καλύπτει οριακά τις ανάγκες για ξήρανση και για αυτό τον λόγο προτάθηκαν δύο εναλλακτικές λύσεις για να διασφαλιστεί η αυτονομία του συστήματος (επαναχρησιμοποίηση θερμού αέρα και κατανάλωση παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας). Ωστόσο, για το δεύτερο σενάριο η περίσσεια θερμική ενέργεια υπολογίστηκε 77 MJ/h και η ηλεκτρική 21.5kW, οι οποίες θα χρησιμοποιηθούν για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών των υπόλοιπων τμημάτων της μονάδας, διατηρώντας την ενεργειακή αυτονομία της.


description: Wastewater Treatment Plants (WWTPs) cause according to their planning requirements direct environmental impacts due to energy use, chemical consumption and excess sludge production. Consequently, there is a growing interest in optimizing the relationship between energy and wastewater quality, as well as in finding innovative technologies aiming to convert waste into energy resources.
The scope of this thesis is to assess the sustainability and energy self-sufficiency of a novel system for the exploitation of the energy content of biosolids through gasification, as well as to calculate the mass and energy balances with the view of protecting the environment. The system will be installed at the WWTP of Rethymnon, comprising of 3 stages (microscreening, drying and gasification) and it will treat about 1/3 (5,000m^3) of the inlet flowrate of the above WWTP. The synthesis gas (syngas) which will be produced during gasification, will be used for the production of thermal and electric energy through an internal combustion engine. The produced energy is expected to cover the energy needs of the pilot plant, thus further reducing the net energy consumption of the WWTP, and consequently eliminating the greenhouse gases emissions. 
The determination of the balances of the system has been carried out in two stages. The first stage is referred to the analysis of mass balances of the microscreen, while the second one to the analysis of mass and energy balances of the drying unit and gasification plant with simultaneous production of electric and thermal energy.
The solution of the microscreen balances aimed to find the estimated removal rates of Biochemical Oxygen Demand over five days (BOD5), Chemical Oxygen Demand (COD), and Total Suspended Solids (TSS), as well as to determine the expected amount of produced biosolids which will be used as gasification feedstock. The results showed that the estimated effluent concentrations of TSS, BOD5 and COD from the microsieve range from 55-164 mg/L, 290-309 mg/L, and 520-558 mg/L, respectively, while the production of biosolids (on a dry basis) is expected from 7 to 18 kg-PSS/h. On the contrary, the solution of the balances of the second stage aimed to check the energetic self-sufficiency of the demonstration plant. In this case, two scenarios were considered (worst and best case scenario). For the first scenario, it was found that the energy produced would marginally cover the drying needs and for this reason two alternatives were proposed to ensure the energy self-sufficiency of the system (recycling of hot air and consumption of generated electricity). However, for the second scenario the excess thermal energy was calculated 77 MJ/h  and the electricity 21.5kW, which will be both used to cover the energy needs of the other parts of the plant, maintaining its energetic self-sufficiency.