Παραμετρική βελτιστοποίηση και σχεδιασμός διεργασιών για την παραγωγή πράσινου αερίου σύνθεσης

Abstract

Στην εργασία αυτή μελετάται η θερμοχημική μετατροπή της βιομάζας σε αέριο σύνθεσης η οποία βασίζεται στην τεχνολογία της έμμεσης αεριοποίησης με υδρατμό ο οποίος αποτελεί το μέσο ρευστοποίησης της κλίνης, ενώ παράλληλα συμμετέχει στις αντιδράσεις αεριοποίησης. Δίνεται μια ιστορική αναδρομή της διεργασίας της γενικότερης αεριοποίησης, ο ορισμός της βιομάζας και περιγράφεται η ανανεώσιμή της φύση. Παρουσιάζονται οι διαφορετικοί τύποι βιομάζας, γίνεται η περιγραφή των δύο βασικών μεθόδων αεριοποίησης, άμεσης ή έμμεσης και των κυρίαρχων χημικών αντιδράσεων που διεξάγονται στις τέσσερις διακριτές ζώνες σ’ έναν αντιδραστήρα αεριοποίησης βιομάζας: ξήρανσης, πυρόλυσης, οξείδωσης και αναγωγής. Περιγράφονται οι τύποι αντιδραστήρων αεριοποίησης, ενώ παρουσιάζονται οι τεχνολογίες αεριοποίησης βιομάζας που εφαρμόζονται στη βιομηχανία και αναλύεται η επίδραση των συνθηκών λειτουργίας και των παραμέτρων της διεργασίας αεριοποίησης στην ποιότητα του παραγόμενου αερίου. Τα αέρια προϊόντα της αεριοποίησης βιομάζας διακρίνονται σε αέριο σύνθεσης και αέριο προϊόν. Με αναφορά στις απαιτήσεις της παγκόσμιας αγοράς σε αέριο προϊόν και αέριο σύνθεσης παρουσιάζονται εκτενώς οι εφαρμογές τους στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, θερμότητας, καυσίμων και χημικών προϊόντων. Η διεργασία έμμεσης αεριοποίησης βιομάζας προσομοιώνεται με το λογισμικό Aspen Plus Version 7.1 για την επίλυση των ισοζυγίων μάζας και ενέργειας. Χρησιμοποιείται κώδικας Fortran όπου το Aspen αδυνατεί να διαχειριστεί μη συμβατικές ουσίες. Βασικές μονάδες της διεργασίας είναι ο αντιδραστήρας αεριοποίησης, η μονάδα καύσης του κωκ, που παρέχει την απαιτούμενη ενέργεια για τη διεξαγωγή των ενδόθερμων αντιδράσεων της διεργασίας και ο καταλυτικός αντιδραστήρας αναμόρφωσης του παραγόμενου αερίου. Σ’ αυτό το σύστημα δίδυμης κλίνης η μεταφορά της θερμότητας μεταξύ της μονάδας καύσης και του αντιδραστήρα αεριοποίησης μπορεί να γίνει μ’ ένα στερεό υλικό μεταφοράς θερμότητας, μια συνθετική ολιβίνη για παράδειγμα. Υβρίδιο λεύκας αποτελεί την τυπική τροφοδοσία της διεργασίας, ενώ ο υπολογισμός της απόδοσης του παραγόμενου αερίου σύνθεσης, της περιεκτικότητας των συστατικών του σε CO, CO2, CH4, C2H4, C2H6, H2 και C2H2 καθώς και της απόδοσης της παραγόμενης πίσσας γίνεται με τη χρήση εμπειρικών σχέσεων σαν συνάρτηση της θερμοκρασίας αεριοποίησης. Αυτές οι εμπειρικές σχέσεις αναφέρονται στη βιβλιογραφία και έχουν εξαχθεί από πειραματικά δεδομένα αεριοποίησης βιομάζας ξυλώδους προέλευσης. Ο υπολογισμός των θερμικών φορτίων των ενδόθερμων αντιδράσεων που διεξάγονται στον αεριοποιητή και τον αντιδραστήρα αναμόρφωσης καθώς και του θερμικού φορτίου που αποδίδει η μονάδα καύσης κωκ δείχνει ότι σε θερμοκρασία αεριοποίησης 1.110 K η απαιτούμενη θερμότητα στον αεριοποιητή ισοσκελίζεται από την προσφερόμενη της μονάδας καύσης. Παράλληλα στους 1.020 K καλύπτεται η αθροιστική ενεργειακή ανάγκη αεριοποιητή και αναμορφωτή από τη μονάδα καύσης. Η θερμοκρασία αυτή αποτελεί ένα ενεργειακό βέλτιστο της διεργασίας. Η μελέτη της επίδρασης της θερμοκρασίας αεριοποίησης δείχνει υψηλές αποδόσεις, καλύτερη ποιότητα παραγόμενου αερίου και μεγαλύτερη μετατροπή του άνθρακα της βιομάζας σε υψηλές θερμοκρασίες αεριοποίησης. Παράλληλα όμως, δείχνει και μια ελάττωση του παραγόμενου κωκ σε αυξημένη θερμοκρασία αεριοποίησης και κατά συνέπεια μια μείωση της παραγόμενης θερμότητας στη μονάδα καύσης του κωκ. Ο υπολογισμός του ποσού του διασπώμενου υδρατμού δείχνει την απαίτηση για συμμετοχή του στο χημικά αντιδρών σύστημα, ειδικά σε υψηλές θερμοκρασίες αεριοποίησης, για να καλύψει τις απαιτήσεις του παραγόμενου αερίου σε στοιχειακό οξυγόνο και υδρογόνο. Δίνεται η θερμοδυναμική θεώρηση της διεργασίας αεριοποίησης και υπολογίζεται η περιεκτικότητα του αερίου σύνθεσης σε κατάσταση χημικής ισορροπίας σαν συνάρτηση της θερμοκρασίας αεριοποίησης. Εξετάζεται η αεριοποίηση διαφορετικών τύπων βιομάζας από γεωργικές καλλιέργειες ή καλλιέργειες ενεργειακών φυτών καθώς και αποξηραμένων αστικών λυμάτων υπονόμων. Η προσομοίωσή τους δίνει ενδεικτικά αποτελέσματα και είναι δυνατή εφόσον η στοιχειακή ανάλυση της βιομάζας είναι συγκρίσιμη μ’ αυτήν του υβριδίου λεύκας, για παράδειγμα, ζαχαροκάλαμου ή ενεργειακού φυτού. Αν η περιεκτικότητα στοιχειακού άνθρακα και υδρογόνου της βιομάζας είναι αρκετά χαμηλή, η προσομοίωση «καταρρέει» καθώς δεν «κλείνουν» τα ισοζύγια μάζας για τα στοιχεία αυτά, όπως για παράδειγμα συμβαίνει με τα αποξηραμένα αστικά λύματα υπονόμων. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης με πειραματικά δεδομένα έμμεσης αεριοποίησης, πιλοτικών ή και βιομηχανικών μονάδων με παρόμοιες ξυλώδεις τροφοδοσίες, κρίνεται ικανοποιητική. Οι διαφορές όμως που προκύπτουν μεταξύ των αποτελεσμάτων αυτής της προσομοίωσης με άλλα μαθηματικά μοντέλα της βιβλιογραφίας οφείλονται στο γεγονός ότι τα δεύτερα χρησιμοποιούν σύστημα χημικών αντιδράσεων που βρίσκεται σε κατάσταση χημικής ισορροπίας και κατά συνέπεια αγνοούν τυχόν περιορισμούς - αντιστάσεις στη μεταφορά μάζας και θερμότητας, ενώ οι εμπειρικές σχέσεις αυτής της εργασίας τους εμπεριέχουν εκ’ κατασκευής. Υπολογίζεται το κέρδος που προκύπτει από το αέριο σύνθεσης εάν από την αξία του αφαιρεθεί το κόστος της βιομάζας της τροφοδοσίας. Η παραγωγή αερίου σύνθεσης αποτελεί μια οικονομικά συμφέρουσα διεργασία. Βασικά θέματα στην αεριοποίηση της βιομάζας είναι ο σχηματισμός πίσσας και η διόρθωση του λόγου υδρογόνου προς μονοξείδιο του άνθρακα. Η διεργασία της καταλυτικής αεριοποίησης με καταλύτη και ως μέσο μεταφοράς θερμότητας θα αποτελέσει ένα σημαντικό πεδίο έρευνας στο μέλλον. Παράλληλα μια μελλοντική προσομοίωση ρευστομηχανικής προσέγγισης του αντιδραστήρα αεριοποίησης θα αποδώσει ακριβέστερα την πραγματικότητα και θα κερδηθεί γνώση για τους μηχανισμούς και τις λειτουργίες τους στη διεργασία της αεριοποίησης βιομάζας.

Λέξεις κλειδιά: βιομάζα, αέριο σύνθεσης, αεριοποίηση, ολιβίνη, Aspen, προσομοίωση, μαθηματικό μοντέλο, υβρίδιο λεύκας, δασικά προϊόντα, γεωργικά υπολείμματα, καλλιέργειες ενεργειακών φυτών

This work studies the thermochemical conversion of biomass into synthesis gas based on the indirect gasification technology with steam. Steam serves as the gasification as well as the fluidization medium in the gasifier fluidized bed. A historical review of the gasification process, the definition of biomass material and its renewable nature description are given. Different types of biomass feedstock in terms of origin, chemical composition and morphology are presented. Direct and indirect gasification, the two basic methods, are described along with the major chemical reactions that take place in the four distinct zones of a biomass gasification reactor: drying, pyrolysis, oxidation and reduction. The gasifier types are described, and the industrial biomass gasification technologies are presented. The impact of the gasification operating conditions and parameters on the product gas properties are also analyzed. Gasification process gas is distinguished in product gas, a low grade gas, and in synthesis gas a high grade counterpart. In this study both the applications of synthesis gas and product gas are extensively presented in the production of electrical power, fuels and chemicals, based on current and future requirements of the worldwide market. The process of indirect gasification of biomass is simulated using Aspen Plus Version 7.1 software for solving mass and energy balances. Fortran code is used whenever Aspen software cannot manage non-conventional components like biomass or char particles in a chemically reactive system. The basic units simulated in this work are the biomass gasifier, the char combustor and the catalytic tar reformer. Char combustor provides the heat required for the realization of the endothermic reactions in the gasifier. This twin bed gasification system is energetically coupled due to the heat transport between the char combustor and the gasifier which is accomplished using a heat transfer medium, i.e. a synthetic olivine. Hybrid poplar is the typical feedstock of the simulated process. The estimation of the produced gas yield, the composition of its components: CO, CO2, CH4, C2H4, C2H6, H2 and C2H2 and the produced tar yield are achieved using empirical correlations as a function of the gasification temperature. These correlations are referred in the literature and resulted via regression of experimental data of woody biomass particles in an indirect gasifier. The thermal requirements of the endothermic reactions which take place in the gasifier and the catalytic tar reformer, as well as the heat provided by the char combustor, are calculated. At 1.110 K gasification temperature the thermal demand of the gasifier is counterbalanced by the heat provided from the char combustor. At 1.020 K gasification temperature the cumulative thermal requirements of the gasifier and the tar reformer are satisfied by the char combustor. Thus, this temperature is a thermal optimum of the overall process. The impact of the gasification temperature in the process reveals that at high temperatures, high yields and a better quality of produced gas – higher hydrogen to carbon monoxide ratio, are achieved along with a higher biomass carbon conversion. In parallel, a reduced amount of the produced char is observed and consequently a reduction of available produced heat in the char combustor. Elemental oxygen and hydrogen mass balance closure objectives show that steam decomposition is mandatory revealing thus its participation in the chemically reactive system, especially at high gasification temperatures. A thermodynamic consideration of the gasification process is applied demonstrating the composition of the produced synthesis gas as a function of the gasification temperature in chemical equilibrium state. This work also studies the gasification of different type of biomass feedstock like agricultural residues, energy crops and dry sewage. The mathematical modeling of their gasification process is attainable, if the elemental analysis of the biomass feedstock is comparable to that of hybrid poplar, e.g. bagasse or switchgrass. If the elemental carbon or/and hydrogen content of biomass feedstock is quite low, then the simulation “collapses”, inasmuch as, mass balance closure fails for these elements, as is the case of dry sewage. The comparison of the simulation results versus the experimental data from indirect gasification processes of pilot or industrial scale units using similar woody feedstock is found satisfactory. However, the results of this simulation significantly differ from those of other bibliographical mathematical models due to the fact that those models use a chemical reactive system in equilibrium. As a consequence these mathematical models ignore mass and heat transfer limitations due to various resistances, while the empirical correlations of this work encapsulated similar limitations during the experimental data regression process. Preliminary economic analysis shows that synthesis gas production from hybrid poplar as a biomass feedstock is a profitable entrepreneurial venture. The annual profit is derived subtracting the cost of annual biomass feedstock demand from the value of the yearly produced synthesis gas tonnage. Further technical and economic ratifications are required before such a gasification technology is opt for commercialization targeting small and medium scale installations, more appropriate for small rural communities. Main issues governing biomass gasification are tar formation and correction of the hydrogen to carbon monoxide ratio. Future research will focus on the catalytic gasification process, whereas the catalyst will also serve as the heat transfer medium between the gasifier and the char combustor. On the other hand, future simulation should be based further on the fluidmechanical aspects of the reactor scheme. Such a simulation of the gasification reactor will provide a more precise description and a better insight and understanding of the real process. Thus, knowledge will be gained in relation with the intricacy and peculiarities of the involved mechanisms of mass, heat transfer along with the intrinsic chemical reaction scheme.

Keywords: biomass, syngas, gasification, olivine, Aspen, simulation, mathematical model, hybrid poplar, forest products, agricultural residues, energy crops