Ολοκληρωμένη χρήση της πυρόλυσης για την αξιοποίηση της βιομάζας στην παραγωγή καυσίμων

Abstract

Υπάρχουν πολλές εναλλακτικές τεχνολογίες γύρω από την πυρόλυση, με διαφορετικές συνθήκες, αποδόσεις και εναλλακτικά προϊόντα. Είναι δύσκολο να εξηγήσει κανείς τη δυνατότητα της κάθε τεχνολογίας τόσο σε μεμονωμένες μορφές όσο και σε μορφές ολοκληρωμένες και συνδυασμένες με άλλες τεχνολογίες . Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία αποτυπώνει την υπάρχουσα γνώση στο αντικείμενο και προσφέρει μια συστηματική προσέγγιση του προβλήματος χρησιμοποιώντας υπολογιστικά πρότυπα (μοντέλα) για να γενικεύσει τις διεργασίες και παράλληλα να ενσωματώσει τις υπάρχουσες τεχνολογίες σε ένα κοινό πλαίσιο.

Σκοπός είναι το πλαίσιο να είναι διαμορφωμένο έτσι ώστε να καλύπτει τόσο τις υπάρχουσες όσο και άλλες τεχνολογίες που ενδέχεται να εμφανιστούν στο μέλλον. Πρόσθετα, επιδιώκεται η διαμόρφωση προοπτικών που να διευκολύνει την ολοκληρωμένη ανάλυση, ειδικά σε θέματα ενεργειακής ολοκλήρωσης. Στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας έχουν αναπτυχθεί υπολογιστικά πρότυπα για την παραγωγή βιο-ελαίου και στη συνέχεια καυσίμων, δείγματα ολοκλήρωσης, οικονομικά μοντέλα που περιλαμβάνουν το κόστος επένδυσης και τεχνο-οικονομική ανάλυση κλίμακας με συγκρίσεις από ερευνητικά κέντρα του εξωτερικού (NREL, NHΙRC).

Με βάση τα επιλεγμένα παραδείγματα και εφαρμογές έγινε η προσομοίωση της διεργασίας της ταχείας πυρόλυσης της βιομάζας για τη μετατροπή της σε βιο-έλαιο και στη συνέχεια σε προϊόντα υψηλής αξίας (καύσιμα) μέσω της αναβάθμισης του βιο-ελαίου. Στη συνέχεια, έγινε μια παραμετρική ανάλυση εξετάζοντας διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας των αντιδραστήρων αναμόρφωσης, και υδρογονοκατεργασίας και εξετάζοντας δυο διαφορετικά θερμοδυναμικά μοντέλα (NRTL, RKS-BM). Επιπλέον, έγινε η θερμική ολοκλήρωση της διεργασίας για το κομμάτι της αναβάθμισης του βιο-ελαίου και τέλος, παρουσιάστηκε η οικονομική ανάλυση.

Οι προοπτικές που έχει αυτή η μελέτη είναι η πιθανή προσομοίωση ή η επέκταση της διεργασίας με άλλες χημείες και με παρόμοιες διεργασίες, η ανάπτυξη και στήριξη πολυ-επίπεδων υπολογιστικών σχημάτων, άλλοτε για ανάλυση στρατηγικών επιλογών και άλλοτε για τη διαμόρφωση λεπτομερών τεχνικών λύσεων και η ολοκλήρωση με άλλες τεχνολογίες (π.χ. αεριοποίηση, βιοαέριο, άλγες).

There are many alternative technologies around the pyrolysis, under different conditions, yields and products. It is difficult to explain the ability of each technology both in individual forms and in combination with other technologies.

This diploma thesis reflects the current knowledge of pyrolysis and offers a systematic approach to the problem by using computational models to generalize processes while integrating existing technologies into a common framework.

The purpose of this study is to design a framework that covers both the existing and other technologies that may emerge in the future. Additionally, the aim of this study is to give configurations of possible perspectives that facilitate the comprehensive analysis, particularly on energy integration. During this diploma thesis, there were developed computer models to produce bio-oil, and then fuels, samples of energy integration, economic models that include the cost of investment and techno-economic analysis with comparisons of some research centers (NREL, NHIRC).

Based on selected examples and applications it was simulated the process of fast pyrolysis of biomass for conversion into bio-oil and then into high value products (fuels) with the process of bio-oil upgrading. Moreover, a parametric analysis was realized considering different operating conditions of the reformer and the hydrotreater and considering two different thermodynamic models (NRTL, RKS-BM). Furthermore, heat integration was examined for the process of bio-oil upgrading, and finally an economic analysis was presented.

Prospects of this study is the possible simulation or the extension of the process with other chemistries and similar processes, the development of multi-level computational schemes, sometimes for analyzing strategic options, and sometimes for the formulation of detailed technical solutions and the integration with other technologies (e.g. gasification, biogas, algae).