Μελέτη της συνδυασμένης πυρόλυσης και καύσης ανθράκων, βιομάζας και αποβλήτων
Creators: name: Μπασινάς, Παναγιώτης Β.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2011
Subjects: Στερεά απόβλητα
θερμοσταθμική ανάλυση
Δέσμευση CO2
Solid wastes
Thermogravimetric analysis
CO2 capture
SO2 capture

description: Η διερεύνηση της ικανότητας των αποβλήτων να αποτελέσουν καύσιμα αποτελεί μεταξύ άλλων κίνητρο της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Για το σκοπό αυτό εφαρμόστηκε η τεχνική της μη-ισοθερμοκρασιακής θερμοσταθμικής ανάλυσης, η οποία περιλαμβάνει τη θέρμανση των υλικών υπό αδρανή ή οξειδωτική ατμόσφαιρα, από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος μέχρι τους 1000°C και με ρυθμό 20°C/min. Η συμπεριφορά του καυσίμου στερεού αποβλήτου καθορίζεται από την αποπτητικοποίηση των δυο κύριων συστατικών του, δηλαδή του χαρτιού και του πλαστικού, καθώς και από τις αλληλεπιδράσεις που παρουσιάζουν μεταξύ τους. Η συμπεριφορά κατά την πυρόλυση, αντιπροσωπεύεται από τη μετατροπή τριών συστατικών και συγκεκριμένα του χαρτιού περιοδικού, του πολυβινυλοχλωριδίου και του πολυαιθυλενίου χαμηλής πυκνότητας. Παρατηρήθηκε αυξημένη δραστικότητα του υλικού σε σχέση με την αναμενόμενη συμπεριφορά. Για την κινητική ανάλυση της πυρόλυσης επιλέχθηκε το μοντέλο των ανεξάρτητων παράλληλων αντιδράσεων πρώτης τάξης. Η επίλυση των εξισώσεων πραγματοποιήθηκε με την εφαρμογή μιας μεθόδου ολικής βελτιστοποίησης. Όπως διαπιστώθηκε, η ύπαρξη του λιγνοκυτταρινούχου τμήματος κατατάσσει το απόβλητο στην ευρύτερη κατηγορία των υλικών βιομάζας. Η πυρόλυση του οστεοκρεατάλευρου πραγματοποιείται μέσω τεσσάρων διακριτών σταδίων. Η μεταβολή του ρυθμού θέρμανσης έχει πολύ μικρό αντίκτυπο στο βαθμό μετατροπής του υλικού. Για την προσομοίωση της πυρόλυσης του οστεοκρεατάλευρου χρησιμοποιούνται τέσσερις ψευδο-αντιδράσεις. Η εξέταση της πυρόλυσης των μιγμάτων έδειξε ότι υφίστανται ισχυρές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των δύο συστατικών. Η καύση του εξανθρακώματος και των δύο υλικών καθώς και των μιγμάτων αυτών πραγματοποιείται μέσω τριών σταδίων. Η παρουσία του οστεοκρεατάλευρου στο αρχικό μίγμα επιφέρει αυξημένη τάση για αντίδραση του εξανθρακώματος με το οξυγόνο. Ο υπολογισμός των κινητικών σταθερών της καύσης των εξανθρακωμάτων, πραγματοποιήθηκε με το μοντέλο των ανεξάρτητων παράλληλων αντιδράσεων μεταβλητής τάξης. Η προσθήκη του οστεοκρεατάλευρου και του καυσίμου στερεού αποβλήτου στις μονάδες καύσης του άνθρακα, επιφέρει μεταξύ άλλων και μείωση των εκλυόμενων ποσοτήτων CO2 και SO2. Η διερεύνηση της δέσμευσης των ήδη μειωμένων ποσοτήτων των δύο αυτών αερίων με χρήση δύο διαφορετικών δειγμάτων ασβεστόλιθου, πραγματοποιήθηκε με την εφαρμογή τεχνικών θερμοσταθμικής ανάλυσης. Η απώλεια της ικανότητας δέσμευσης έχει αντιστοιχηθεί σε φυσικές μεταβολές του υλικού λόγο της υψηλής θερμοκρασίας και κυρίως στη συσσωμάτωση του CaO. Ο διαφορετικός τρόπος που επιδρά η συσσωμάτωση στις ιδιότητες των δύο υλικών είναι ο λόγος των διαφορετικών προσροφητικών ικανοτήτων τους. Ο τρόπος με τον οποίο πραγματοποιείται η θείωση ενός υλικού εξαρτάται από τη μορφολογία και την πορώδη δομή του και μπορεί να περιγραφεί με βάση τρία μοντέλα θείωσης: το μοντέλο του μη-αντιδράσαντος πυρήνα, το μοντέλο του συστήματος των προσβάσιμων πόρων και το μοντέλο της ομογενούς πορώδους δομής. Με το μοντέλο του μη-αντιδράσαντος πυρήνα επιτυγχάνεται η εκμετάλλευση του μεγαλύτερου μέρους της διαθέσιμης ποσότητας του CaO προς δέσμευση του αερίου. Σε συνθήκες ανταγωνιστικής προσρόφησης συντελείται η ραγδαία απώλεια της ικανότητας δέσμευσης. Το υλικό της Φλώρινας που ακολουθεί το μοντέλο του μη αντιδράσαντος πυρήνα παρουσιάζει μεγαλύτερη ικανότητα δέσμευσης λόγω της αποκόλλησης του συσσωματωμένου στρώματος του προϊόντος από το σωματίδιο. Αρνητικές είναι και οι επιπτώσεις που έχει η αύξηση της ολικής πίεσης στην ικανότητα δέσμευσης CO2 από τα προσροφητικά υλικά σε ανταγωνιστικές συνθήκες προσρόφησης. Βασικό επίσης συμπέρασμα που προκύπτει είναι η αύξηση της δέσμευσης SO2 με την αύξηση της συγκέντρωσης του CO2.
description: Among the priorities of the current thesis is to investigate the potential of the wastes to be used as fuels in combustion plants. Thermogravimetric analysis was employed to evaluate the devolatilisation and combustion behaviour over the temperature range of 30-1000°C. Non-isothermal tests were conducted under ambient pressure. Devolatilisation behaviour of RDF is determined by the degradation of its main components, namely paper and plastic, and their interactions. Magazine paper is the most representative among paper samples for simulating the devolatilisation of RDF, whilst the plastic fraction is assumed to consist of two different polymer materials namely LDPE and PVC. The main conclusion derived from the standardization of RDF is the increased reactivity of the real waste compared to the theoretical one. The simulation of the curves is accomplished by using the independent parallel, first order, reaction model. After having formulated the kinetic model, its parameters are estimated by using global optimization methods. The presence of lignocellulosic fraction suggests that the behaviour of RDF is similar to that of the biomass materials. The thermal decomposition of MBM is divided into four stages. Four independent pseudo-reactions are used to estimate the kinetic constants characterizing the degradation of MBM. The study of the pyrolysis behaviour of MBM and lignite mixtures shows that significant interactions take place during blends devolatilisation. The combustion process of the chars derived from the pyrolysis of the single fuels and their blends is divided into three stages. The reactivity of a blend is increased as the share of MBM in the precursor blend increases. The independent parallel n-order reaction model is applied for the determination of the kinetic constants characterizing the char oxidation of the fuels and their blends. The addition of MBM or RDF in the existing fossil fuel power plants results in the reduction of CO2 and SO2 release. The capture of these already lowered quantities of gases by two different types of limestone is also investigated by thermogravimetric analysis and more specifically with the utilization of repeated sorption / calcination cycles. The deactivation of the limestone is attributed to physical alteration of the sorbents due to high temperature, and mainly to the sintering of CaO. The varied CO2 capture capability of the two limestones is depended on the influence that sintering exerts on their structure and their physical characteristics. The sulphation of the sorbent is depended on its morphology and its pore structure. The sulphation of the sorbent particles could be described by three sulphation patterns: unreacted core model, network model and uniform sulphation model. According to the unreacted core pattern, most of the available CaO is utilized for the sorption of SO2. The contemporary sorption of CO2 and SO2 conduces in faster deactivation of limestones. The higher sorption capability of the Florina sorbent, which follows the unreacted core pattern, is attributed to the separation of the outer CaSO4 rim of the particle. The increment of pressure under competitive reaction conditions, also results to the reduction of sorbents capture efficiency. One of the most important conclusions arise from these tests is concerning the increment of SO2 capture capability of the sorbents when the sorption is realized under competitive reactions with lowered CO2 partial pressure.