Αναβάθμιση και συμπίεση βιοαερίου προς παραγωγή φυσικού αερίου κίνησης

Symeonidis, Charalampos; Συμεωνίδης, Χαράλαμπος

dc.contributor.author	Symeonidis, Charalampos	en
dc.contributor.author	Συμεωνίδης, Χαράλαμπος	el
dc.date.accessioned	2019-11-25T10:07:42Z
dc.date.available	2019-11-25T10:07:42Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/49456
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.17154
dc.rights	Default License
dc.subject	Κυκλική οικονομία	el
dc.subject	Βιομεθάνιο	el
dc.subject	Βιοαέριο	el
dc.subject	Διαχείριση αστικών αποβλήτων	el
dc.subject	Ανάλυση κύκλου κόστους ζωής	el
dc.subject	Biomethane	en
dc.subject	Biogas	en
dc.subject	Waste management	en
dc.subject	Circular economy	en
dc.subject	Αναβάθμιση βιοαερίου	el
dc.subject	Biogas upgrade	en
dc.subject	Αναερόβια χώνευση	el
dc.subject	Anaerobic digestion	en
dc.subject	Life cycle cost analysis	en
dc.title	Αναβάθμιση και συμπίεση βιοαερίου προς παραγωγή φυσικού αερίου κίνησης	el
dc.title	Biogas upgrading and compression for the production of natural gas used as vehicle fuel (Bio-CNG)	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Process engineering	en
heal.classification	Enviromental engineering	en
heal.classification	Biotechnology	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-07-06
heal.abstract	Ένα από τα σημαντικότερα περιβαλλοντικά, οικονομικά και κοινωνικά προβλήματα της σύγχρονης εποχής είναι η συνεχώς αυξανόμενη παραγωγή αποβλήτων και ο τρόπος διαχείρισής τους. Παρόλα αυτά, κυρίως τη τελευταία δεκαετία, ο άνθρωπος έχει εστιάσει ιδιαιτέρως την προσοχή του στη μείωση των αποβλήτων και στην εύρεση ενός ορθολογικού συστήματος διαχείρισης και αξιοποίησής τους. Στα πλαίσια λοιπόν της κυκλικής οικονομίας, το ευρωπαϊκό προγράμμα Waste4think στο οποίο συμμετέχει ο Δήμος Χαλανδρίου, ο οποίος συνεργάζεται με το Ε.Μ.Π., μελετά τη δυνατότητα ανάκτησης ενέργειας, υπό τη μορφή βιοαερίου από οικιακά υπολείμματα τροφών με σκοπό την αναβάθμιση και συμπίεση του προς παραγωγή bio-CNG ή αλλιώς φυσικού αερίου κίνησης. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της αναβάθμισης και της συμπίεσης βιοαερίου παραγόμενου από την αναερόβια χώνευση οργανικών αποβλήτων για τη παραγωγή φυσικού αερίου κίνησης με τη μέθοδο της χημικής απορρόφησης. Η μελέτη αυτή πραγματοποιήθηκε μέσω σειράς πειραμάτων για την εύρεση της βέλτιστης περιεκτικότητας αμίνης ΜΕΑ (MonoEthanolAmine) σε υδατικό διάλυμα που χρησιμοποιείται για την αναβάθμιση του βιοαερίου, το βέλτιστο χρόνο αναγέννησης της κορεσμένης αμίνης σε CO2 και τέλος τη σύγκριση με μια διαφορετική αμίνη MDEA (MethylDiEthanolAmine) η οποία προτείνεται ως εναλλακτική λύση και στη βιβλιογραφία. Με την ολοκλήρωση των πειραματικών μετρήσεων σε εργαστηριακό επίπεδο, ακολουθείται η μελέτη σχεδιασμού της εγκατάστασης και το scale up σε πιλοτική κλίμακα. Επίσης, στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας εκπονήθηκε τεχνικό- οικονομική ανάλυση (Life Cycle Cost-LCC) της περίπτωσης εγκατάστασης μονάδας αναβάθμισης βιοαερίου και ανάλυση ευαισθησίας με παραμέτρους ελέγχου το επιτόκιο, την διάρκεια ζωής της μονάδας και την δυναμικότητα. Τέλος, έγινε σύγκριση της μονάδας αναβάθμισης βιοαερίου με την αξιοποίηση του βιοαερίου προς συμπαραγωγή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκε αρχικά η μελέτη της κινητικής κορεσμού της αμίνης τόσο «φρέσκιας» όσο και αναγεννημένης. Στη συνέχεια προσδιορίστηκαν οι βέλτιστες συνθήκες αναγέννησης της κορεσμένης αμίνης. Βάσει των πειραματικών αποτελεσμάτων εξήχθη το συμπέρασμα ότι ο βέλτιστος χρόνος αναγέννησης αντιστοιχεί σε 2 ώρες. Στη συνέχεια έχοντας καταλήξει στον βέλτιστο χρόνο αναγέννησης της αμίνης (ΜΕΑ) ακολούθησαν πειραματικές μετρήσεις για τον προσδιορισμό του μέγιστου αριθμού κύκλων αναγέννησης για το οποίο η διεργασία της αναβάθμισης εξακολουθεί να είναι αποδοτική. Παρατηρήθηκε ότι ακόμα και μετά από έξι κύκλους αναγέννησης στις βέλτιστες συνθήκες κατέστη δυνατή η απομάκρυνση του CO2 στο επιθυμητό επίπεδο. Τέλος έγινε σύγκριση του υδατικού διαλύματος αμίνης περιεκτικότητας 30% σε ΜΕΑ με αυτά των 15%-15% ΜΕΑ-MDEA, του 30% MDEA, από την οποία αποδείχθηκε ότι το υδατικό διάλυμα περιεκτικότητας 30% σε ΜΕΑ είναι το πιο αποτελεσματικό. Ως προς το σχεδιαστικό κομμάτι και το scale up σε πιλοτική κλίμακα μελετήθηκε η δυνατότητα πραγματοποίησης της διεργασίας κατά αντιρροή κάτι το οποίο προτείνεται και από τη βιβλιογραφία, με τη δεδομένη ροή του βιοαερίου που παράγεται από τον αντιδραστήρα και ισούται με 1 m3/day. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι με βάσει τη δεδομένη παροχή του αντιδραστήρα (1 m3/day) η αναβάθμιση του βιοαερίου με τη μέθοδο της χημικής απορρόφησης κατά αντιρροή δεν είναι εφικτή. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα από τον σχεδιασμό της διεργασίας χρησιμοποιήθηκε χρήση στήλης φυσαλίδων ύψους 3m και διαμέτρου 12cm με πληρωτικό υλικό συνολικού ύψους 2,7m. Επιπρόσθετα, μελετήθηκε ένα θεωρητικό σενάριο με τεχνοοικονομικούς όρους (Life Cycle Cost Analysis) για την εγκατάσταση μίας μονάδας αναβάθμισης βιοαερίου που θα ανταποκρίνεται στα πλαίσια του προγράμματος Waste4Think για τον Δήμο Χαλανδρίου και τα ετήσια οργανικά απόβλητα που παράγονται από αυτόν (74.000 tn/y). Από τα αποτελέσματα αυτά, προέκυψε ότι η οικονομικότερη μέθοδος αναβάθμισης βιοαερίου είναι η μέθοδος του Water Scrubbing. Από το συγκερασμό των παραπάνω οικονομικών αποτελεσμάτων, τις απαιτήσεις καθαρότητας τελικού προϊόντος (97-99%) αλλά και τις απαιτήσεις για ελάχιστες απώλειες μεθανίου (<0.1), προκύπτει ότι η χημική απορρόφηση είναι η πλέον αποδοτική μέθοδος αναβάθμισης βιοαερίου για παραγωγή καυσίμου κίνησης οχημάτων. Τέλος, τα αποτελέσματα αυτά συγκρίνονται με την περίπτωση εγκατάστασης μίας μονάδας CHP (Combined Heat and Power). Από τα αποτελέσματα αποδείχθηκε ότι η μέθοδος συμπαραγωγής είναι οικονομικότερη κατά 5,07 [€/tn] σε σχέση με την αναβάθμιση βιοαερίου με τη μέθοδο της χημικής απορρόφησης.	el
heal.abstract	One of the most important environmental, economic, and social problems of the modern era is the ever-increasing production of waste and the way it is managed. Nevertheless, especially over the last decade, the focus has been on reducing waste and finding a rational system for managing and exploiting it. Within the context of the cyclical economy, the Municipality of Halandri in collaboration with the National Technical University of Athens participate in the European Waste4think program. The program’s goal is to study the potential of energy recovery in the form of biogas from municipal food wastes. The potential energy recovery would facilitate the upgrading and compression processes of bio-CNG (i.e., natural gas for vehicles). The purpose of this diploma thesis is to study the upgrading and compression of biogas produced by the anaerobic digestion of organic waste for the production of natural gas by the chemical absorption method. This study was carried out through a series of experiments to find the optimum amine ACE content (MonoEthanolAmine) in an aqueous solution used for upgrading biogas, the optimal time to regenerate the saturated amine in CO2 and finally, comparing it to a different amine MDEA (Methyl Diethanol Amine), which has been proposed as an alternative amine to the literature. Upon completion of experimental measurements at the laboratory level, the design of the installation and the scale up on a pilot scale are followed. Furthermore, a Life Cycle Cost (LCC) analysis of the installation of the biogas upgrade unit and a sensitivity analysis with regards to the interest rate, unit life, and capacity were performed. Finally, biogas upgrading was compared with the use of thermal and electrical energy to be co-produced. Initially, the kinetic saturation of the amine, both "fresh" and regenerated, was studied. The optimal conditions for the regeneration of the saturated amine were then determined. Based on the experimental results, it was concluded that the optimum regeneration time corresponds to two hours. Then, having reached the optimal amine regeneration time (MEA), experimental measurements were made to determine the maximum number of regeneration cycles for which the upgrading process is still efficient. It was observed that even after six cycles of regeneration under optimal conditions, it was possible to remove CO2 to the desired level. Finally, a 30% MEA aqueous amine solution was compared with 15%-15% MEA-MDEA, and 30% MDEA, from which it was shown that the 30% aqueous solution in ACE is the most effective. Regarding the design of process and scaling up for pilot testing, the counter-flow process was studied, as suggested by the literature, with the given biogas produced by the reactor, which is equal to 1 m3/day. The results showed that, based on the given reactor flow rate biogas upgrading by the counterattacking process was not feasible. The process design suggested a column with a height of 3m and a diameter of 12cm with packing material totaling a height of 2.7m. In addition, a theoretical scenario with Life Cycle Cost Analysis for the installation of a Waste4Think program for the Municipality of Halandri and the annual organic waste produced by it (74,000 tn / y) was studied. The results showed that the most economical method of biogas upgrading is the Water Scrubbing method. From the combination of the aforementioned economic results with the final product purity requirements (97-99%) and the minimum methane loss requirements (<0.1), chemical absorption was found to be the most cost-effective method of upgrading biogas to produce vehicle fuel. Finally, these results were compared with the potential installation of a Combined Heat and Power (CHP) unit.	en
heal.advisorName	Λυμπεράτος, Γεράσιμος	el
heal.advisorName	Lyberatos, Gerasimos	en
heal.committeeMemberName	Γρηγοροπούλου, Ελένη	el
heal.committeeMemberName	Βλυσίδης, Απόστολος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	143 σ.
heal.fullTextAvailability	true