Μαθηματική μοντελοποίηση και ολοκληρωμένος σχεδιασμός διεργασιών διαχείρισης στερεών και υγρών μη αξιοποιούμενων ρευμάτων σε βιοδιυλιστήρια δεύτερης γενιάς

Abstract

Τα βιοδιυλιστήρια, τα οποία παράγουν βιοκάυσιμα χρησιμοποιώντας ως πρώτη ύλη τη βιομάζα. Η ανανεωσιμότητα όμως της πρώτης ύλης δημιουργεί σημαντικές προοπτικές εδραίωσης στην παραγωγική μονάδα. Όπως συμβαίνει όμως σε κάθε εργοστασιακή μονάδα, σημαντική είναι και η αντιστάθμιση των παραπροϊόντων σε σχέση με τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Έτσι, δημιουργείται η ανάγκη επεξεργασίας των αποβλήτων, τόσο με την πρωταρχική μείωσή τους, μέσω κατάλληλου σχεδιασμού, όσο και με τη χρήση κατάλληλων τεχνολογιών, μέσω ολοκληρωμένου σχεδιασμού του δικτύου διαχείρισης. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι η μαθηματική μοντελοποίση των τεχνολογιών διαχείρισης στερεών ρευμάτων αλλά και μη αξιοποιούμενων υγρών (τεχνολογίες αναγέννησης και επαναχρησιμοποίησης) από βιοδιυλιστήρια. Αξίζει να σημειωθεί πως το πρόβλημα στηρίχτηκε σε μια πραγματική μονάδα επεξεργασίας (BIOCORE). Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζονται οι τεχνολογίες διαχείρισης. Στις τεχνολογίες αναγέννησης περιλαμβάνονται η χημική καθίζηση και η ιοντική εναλλαγή, ενώ στις τεχνολογίες επαναχρησιμοποίησης η αντίστροφη όσμωση και το μικροφιλτράρισμα. Οι τεχνολογίες διαχείρισης στερεών αποβλήτων περιλαμβάνουν: καύση, αποτέφρωση, αεριοποίηση, πυρόλυση και απανθράκωση. Στο Κεφάλαιο 3 παρατίθενται τα κριτήρια ταξινόμησης αποβλήτων σύμφωνα με τα οποία έγινε η κατηγοριοποίηση των ρευμάτων κι έπειτα ακολουθεί η εξαγωγή των μαθηματικών σχέσεων και η σύγκριση των τεχνολογιών για κάθε ρεύμα διαχείρισης. Το Κεφάλαιο 4 αφιερώνεται στις υπερδομές, στόχος των οποίων είναι η ολοκλήρωση των ρευμάτων, βρίσκοντας τη βέλτιστη διαδρομή που αποτελείται από την πρώτη ύλη, τα παραγωγικά βήματα και τα προϊόντα. Ακολουθεί η περιγραφή του προβλήματος όλου του βιοδιυλιστηρίου για συγκεντρωτικό και αποκεντρωμένο σχεδιασμό. Η μοντελοποίηση στηρίζεται σε δύο αντικειμενικές συναρτήσεις: η μία αφορά την εξίσωση κέρδους, ενώ η άλλη, το συνολικό κόστος. Ύστερα, ακολουθεί σύγκριση της Ελλάδας και της Φιλανδίας για τους δύο σχεδιασμούς, όπου για κάθε μια από τις δύο περιπτώσεις επιλέγεται η βέλτιστη τεχνολογία διαχείρισης, για κάθε κατηγορία. Παρουσιάζεται επίσης η σύγκριση των δύο χωρών για δύο διαφορετικά σενάρια, όπου παράγονται διαφορετικά προϊόντα. Στο τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που εξήχθησαν από τη σύγκριση του μαθηματικού μοντέλου και αυτού των υπερδομών. Όσον αφορά τις τεχνολογίες διαχείρισης στερεών αποβλήτων καλύτερη τεχνολογία κρίθηκε και από τα δύο μοντέλα η καύση (πιο φθηνή αλλά ταυτόχρονα και κερδοφόρα) και χειρότερη η αργή πυρόλυση. Όσον αφορά τις τεχνολογίες αναγέννησης, το μαθηματικό μοντέλο θεώρησε βέλτιστη λύση αυτή της ιοντικής εναλλαγής σε αντίθεση με το μοντέλο των υπερδομών που εξήγαγε πως η χημική καθίζηση είναι η λύση που επιλέγεται. Αυτό μπορεί να οφείλεται στην ποσότητα καταλύτη που αναγεννάται, με αποτέλεσμα το μοντέλο των υπερδομών να δίνει διαφορετική λύση. Το μαθηματικό μοντέλο βέλτιστη λύση θεωρεί το μικροφιλτράρισμα, ενώ το μοντέλο των υπερδομών βέλτιστη θεωρεί είτε το μικροφιλτράρισμα, είτε την αντίστροφη Όσμωση. Αυτό συμβαίνει γιατί οι δύο τεχνολογίες έχουν διαφορετικές αποδόσεις και το μαθηματικό μοντέλο δεν συνυπολογίζει τις διαφορές αυτές. Η σύγκριση μεταξύ των δύο χωρών οδήγησε στα εξής αποτελέσματα: ο συγκεντρωτικός σχεδιασμός κρίνεται φθηνότερος σε σχέση με τον αποκεντρωμένο και οι δύο χώρες παρουσιάζουν κοινά αποτελέσματα και για τους δύο σχεδιασμούς. Σημαντική μελλοντική έρευνα αποτελεί η ολοκληρωμένη ανασκόπηση του βιοδιυλιστηρίου, όπου θα εξετάζονται όλες οι περιπτώσεις αποβλήτων αλλά και τα απόβλητα που προκύπτουν από τις τεχνολογίες διαχείρισης. Η εξέταση περισσότερων σεναρίων μπορεί να αποδώσει καλύτερα την επίδραση διάφορων παραμέτρων. Η προσθήκη επιπλέον τεχνολογιών διαχείρισης και η σύγκριση περισσότερων χωρών μπορεί να αποτελέσει σημαντικό εμπλουτισμό. Και τέλος, η προσθήκη δεικτών LCA μπορεί να βοηθήσει στην παρακολούθηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων.

Biorefineries are refineries that produce biofuels using as feedstock biomass. The renewability of the feedstock creates significant potential for consolidation in the production unit. As it happens in every refinery, it is really important the examination of the relation between products and environmental impacts. This creates the need for waste treatment both with the primary reduction through appropriate design, but also with the use of appropriate technologies through integrated design of network management. The purpose of this dissertation is the mathematical modelling of waste treatment technologies of solid and liquid streams (reuse and regeneration technologies) of biorefineries. It should be noted that the problem was based on an actual processing unit (BIOCORE). Chapter 2 represents management technologies. Regeneration technologies include Chemical precipitation and Ion exchange, reuse technologies include Reverse osmosis and Microfiltration. The solid waste management technologies include Burning, Incineration, Gasification, Pyrolysis and Torrefaction. Chapter 3 sets the criteria for classification in accordance with the waste which became the categorization of streams and then followed by extraction of mathematical relations and comparison of technologies for each stream management. Chapter 4 is devoted to the superstructure whose objective is the integration of streams, finding the optimal path consists of the raw material, the production steps and the products. Here is the description of the problem of the whole biorefinery for centralized and de – centralized planning. The modelling is based on two objective functions: one on the profit equation and the other on the overall cost. Then follows a comparison between Greece and Finland for both designs, where each of the two cases selected the best technology for each category. It also presents a comparison of the two countries for two different case studies where different products are produced. The final chapter presents the conclusions drawn from the comparison of the mathematical modelling and the superstructure. Regarding solid waste management technologies, best technology by both models was considered Burning (cheapest and profitable) and worse the Slow pyrolysis. Regarding the regeneration technologies, the mathematical model considered as optimal solution the Ion exchange in contrast with the superstructure model which exported that Chemical precipitation must be the chosen solution. This may be due to the amount of catalyst that is regenerated. For reuse technologies the mathematicall modelling picked Microfiltration, whether superstructure picked either Microfiltration or Reverse Osmosis. This is why the two technologies have different efficiencies and the mathematical modelling does not capture these. The comparison between the two countries led to the following results: the centralized planning seems cheaper relative to the de – centralized and the two countries have common outcomes for both designs. Important future research is the complete review of the biorefinery, which will take into consideration all the wastes but also the resulting wastes from the management technologies. The examination of more scenarios can yield better reffect of different parameters. Adding management technologies and the comparison of more countries can be an important enrichment. And finally, the addition of LCA indicators can help monitoring environmental impacts.