Μαθηματική μοντελοποίηση και ολοκληρωμένος σχεδιασμός διεργασιών επεξεργασίας υγρών & αέριων αποβλήτων από βιο-διυλιστήρια 2ης γενιάς

Abstract

Τα βιοδιυλιστήρια δεύτερης γενιάς επεξεργάζονται ανανεώσιμη πρώτη ύλη, γεγονός που καθιστά απαραίτητη την εδραίωσή τους στην παραγωγική βιομηχανία. Παρ’ όλα αυτά, υπάρχει ανάγκη αντιστάθμισης των παραπροϊόντων και της περιβαλλοντικής επιβάρυνσης, όπως σε κάθε βιομηχανία. Όσον αφορά τα απόβλητα, αρχικά, είναι απαραίτητη η ελαχιστοποίηση τους μέσω κατάλληλου σχεδιασμού και στη συνέχεια η επιλογή της κατάλληλης τεχνολογίας επεξεργασίας τους. Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την ολιστική μελέτη σχεδιασμού δικτύου επεξεργασίας υγρών και αέριων απόβλητων ρευμάτων που προκύπτουν από τις διεργασίες μιας πραγματικής μονάδας λιγνοκυτταρινούχου βιοδιυλιστηρίου (BIOCORE). Αρχικά, πραγματοποιήθηκε η κατηγοριοποίηση των εξεταζόμενων απόβλητων ρευμάτων και αφού μελετήθηκε μια πληθώρα τεχνολογιών επεξεργασίας, μέσω μαθηματικής μοντελοποίησης, ακολούθησε η σύγκριση αυτών για κάθε εξεταζόμενο ρεύμα. Ωστόσο, διαπιστώθηκε ότι το μαθηματικό μοντέλο δεν μπορεί να οδηγήσει σε ακριβή συμπεράσματα. Συνεπώς, κρίθηκε απαραίτητη η κατασκευή του μοντέλου των υπερδομών που οδηγεί στην επιλογή του βέλτιστου μονοπατιού επεξεργασίας, μέσω ολοκλήρωσης των ρευμάτων. Το μοντέλο των υπερδομών βασίστηκε στις γραμμικοποιημένες σχέσεις του μαθηματικού μοντέλου και αντιμετώπισε συνολικά το πρόβλημα, ξεκινώντας από τη μητρική διεργασία (κλασμάτωσης της λιγνοκυτταρινούχας βιομάζας) του βιοδιυλιστηρίου, συμπεριλαμβάνοντας όλες τις πιθανές επιλογές τόσο των διεργασιών παραγωγής προϊόντων όσο και των τεχνολογιών επεξεργασίας αποβλήτων. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκαν δύο είδη σχεδιασμού για καθεμία από τις δύο εξεταζόμενες κατηγορίες αποβλήτων, ο συγκεντρωτικός (centralized) και ο αποκεντρωμένος (de-centralized), χρησιμοποιώντας δύο αντικειμενικές συναρτήσεις, όπου η μία αφορούσε το συνολικό κόστος κάθε εξεταζόμενης τεχνολογίας και η άλλη αφορούσε την προοπτική κέρδους από την εφαρμογή αυτής. Βέλτιστη επιλογή θεωρήθηκε κάθε φορά η τεχνολογία επεξεργασίας με το μικρότερο συνολικό κόστος και ταυτόχρονα, την υψηλότερη προοπτική κέρδους. Τέλος, πραγματοποιήθηκε συγκριτική μελέτη βελτιστοποίησης μεταξύ Ελλάδας και Φινλανδίας σχετικά με τα δύο προηγούμενα είδη σχεδιασμού, όπου οι αντικειμενικές συναρτήσεις τροποποιήθηκαν με τη χρήση μιας τιμής επεξεργασίας αποβλήτων, διαφορετικής για τις δύο χώρες. Η συγκριτική αυτή μελέτη εξελίχθηκε και σε επίπεδο διαφορετικών σεναρίων διεργασιών βιοδιυλιστηρίου. Μέσω της εργασίας αυτής, τόσο από τη μαθηματική μοντελοποίηση όσο και από το μοντέλο των υπερδομών, διαπιστώθηκε ότι για όλα τα υγρά απόβλητα ρεύματα κοινή τεχνολογία επεξεργασίας παρουσιάζεται η αναερόβια χώνευση, η οποία, ωστόσο, παρουσιάζει το μεγαλύτερο κόστος κεφαλαίου, γεγονός που δεν την καθιστά επιθυμητή λύση. Αντιθέτως, βέλτιστη επιλογή φαίνεται να είναι εκείνη των περιστρεφόμενων βιολογικών δίσκων. Στην περίπτωση των αέριων απόβλητων ρευμάτων, παρατηρήθηκε, σύμφωνα και με τα δύο μοντέλα, ότι η καλύτερη επιλογή επεξεργασίας αυτών είναι η τεχνολογία κρυογονικής, της οποίας το υψηλό κόστος κεφαλαίου αντισταθμίζεται από τη χαμηλή απαίτηση σε ενέργεια και το χαμηλό λειτουργικό κόστος. Αντιθέτως, ο βρόχος ασβεστίου διαπιστώθηκε να είναι η χειρότερη επιλογή επεξεργασίας, λόγω της υψηλής απαίτησης σε ενέργεια και συνεπώς, του υψηλότερου λειτουργικού κόστους. Από τη συγκριτική μελέτη Ελλάδας - Φινλανδίας διαπιστώθηκε επίσης ότι καλύτερη επιλογή επεξεργασίας υγρών αποβλήτων, σύμφωνα με το συγκεντρωτικό σχεδιασμό, είναι η τεχνολογία αναερόβιας χώνευσης, ενώ, σύμφωνα με τον αποκεντρωμένο σχεδιασμό, η τεχνολογία περιστρεφόμενων βιολογικών δίσκων. Παρ’ όλα αυτά, μεγαλύτερο κέρδος παρουσιάζεται στην περίπτωση της Ελλάδας λόγω μεγαλύτερης τιμής επεξεργασίας αποβλήτων. Αντίστοιχα, για τα αέρια απόβλητα βέλτιστη επιλογή προέκυψε η τεχνολογία κρυογονικής. Όσον αφορά τα δύο είδη σχεδιασμού σε Ελλάδα και Φινλανδία για τα σενάρια διεργασιών, επιβεβαιώνεται ότι η καλύτερη επιλογή επεξεργασίας υγρών απόβλητων ρευμάτων είναι η τεχνολογία περιστρεφόμενων βιολογικών δίσκων, ενώ η καλύτερη επιλογή επεξεργασίας αέριων απόβλητων ρευμάτων είναι η τεχνολογία κρυογονικής. Γενικότερα, ωστόσο, παρατηρήθηκε ότι το κέρδος που προκύπτει από τις δύο αυτές τεχνολογίες είναι μεγαλύτερο στην περίπτωση αποκεντρωμένου σχεδιασμού. Σημαντική πρόταση για μελλοντική έρευνα είναι η ανάπτυξη ενός μοντέλου για τον ολοκληρωμένο σχεδιασμό βιοδιυλιστηρίου, συμπεριλαμβάνοντας την επεξεργασία του συνόλου των απόβλητων ρευμάτων που προκύπτουν από τις διεργασίες αυτού. Εξίσου σημαντικές μελλοντικές προοπτικές θα μπορούσαν να είναι ο εμπλουτισμός με περισσότερες τεχνολογίες επεξεργασίας, η πραγματοποίηση συγκριτικής μελέτης μεταξύ περισσότερων χωρών, καθώς και η προσθήκη δεικτών LCA για τη μελέτη περιβαλλοντικών επιπτώσεων.

Second generation biorefineries make use of renewable feedstock and as a result they need to be established in the production industry. Nevertheless, as it happens in every industry, there is need of balance between by-products and environmental impacts. Therefore, after the wastes have been minimized through appropriate design, the most suitable technology should be selected for their treatment. The purpose of this dissertation is the holistic design approach of treatment technologies networks for liquid and gas waste streams, coming from the processes of a real unit of a lignocellulosic biorefinery (BIOCORE). Initially, the waste streams were classified and the examination of a variety of treatment technologies through mathematical modeling was followed by a comparison of these for each waste stream. However, it was found that the mathematical model cannot lead to accurate conclusions. Therefore, it was necessary to create superstructures, which lead to the selection of the optimal treatment path, through the integration of the streams. Superstructures were based on the equations of the mathematical model, in a linear form and dealt with the overall problem, starting from the basic process (of lignocellulosic biomass fractionation) of the biorefinery, including all possible options of both production processes and waste treatment technologies. The model of superstructures was used for centralized and de-centralized design of liquid and gas waste streams, using two objective functions that respectively refer to the total cost and the economic potential of each treatment technology. The optimal option is considered to be the treatment technology with the lowest total cost and at the same time, the highest economic potential. Finally, a comparative study of optimization was carried out between Greece and Finland, regarding both kinds of design. The objective functions were modified, by using a price of waste treatment, which is different for both countries. An additional comparison was repeated as far as different scenarios (case studies) of biorefinery processes are concerned. Regarding the liquid waste streams, by both the mathematical and the superstructure model, the anaerobic digestion is considered to be a common treatment technology, but also the worst option due to its high capital cost. On the contrary, the rotating biological contactors seem to be the optimal option. Regarding the gas waste streams, the cryogenic is considered to be the best treatment option according to both models, due to the fact that its high capital cost is balanced by its low energy requirement and operating cost. In addition, the calcium loop was found to be the worst choice, due to its high energy requirement and operating cost. The comparison between the two countries showed that the optimal liquid waste treatment option of the centralized design is anaerobic digestion, while of the de-centralized design are the rotating biological contactors. However, in the case of Greece the economic potential seems to be higher because of the higher waste treatment price. Additionally, the cryogenic is considered to be the optimal gas waste treatment option of both designs in those two countries. According to the same comparison using different scenarios of processes, it was confirmed that the optimal liquid waste treatment option are the rotating biological contactors, while the optimal gas waste treatment option is the cryogenic. In general, the economical potential of those two technologies was resulted to be higher in the de-centralized design. Important suggestion for future research is the development of a model for the integrated design of biorefinery, including the treatment of all waste streams that are produced by its processes. Equally important future prospects could be a possible enrichment with more treatment technologies, the creation of comparative studies between more countries, as well as the use of LCA indicators for the examination of environmental impacts.