Διεργασίες ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας για εφαρμογές θέρμανσης και ψύξης

Abstract

Πολλές πρόσφατες μελέτες έχουν επικεντρωθεί στη θερμικά προκατεργασμένη λιγνοκυτταρινούχο βιομάζα με σκοπό την υποκατάσταση των ορυκτών καυσίμων. Οι μελέτες αυτές ασχολήθηκαν με την αποδοτικότερη χρήση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, για την διασφάλιση βιώσιμων πρότυπων στην παραγωγή και στην κατανάλωση, πετυχαίνοντας έτσι την εκπλήρωση των Στόχων με αρ. 7 και αρ. 12 της Βιώσιμης Ανάπτυξης σύμφωνα με την ατζέντα των Ηνωμένων Εθνών για το 2030. Η χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και ιδιαίτερα της βιομάζας είναι σημαντική λόγω των οικονομικών συντελεστών, καθώς η χρήση χαμηλού κόστους πηγών ενέργειας είναι πιο ελκυστική, ενισχύοντας έτσι τη διατήρηση ενός καθαρού περιβάλλοντος. Οι θερμικές εφαρμογές είναι οι πιο συνηθισμένες και καθιερωμένες χρήσεις της βιομάζας παγκοσμίως. Έχουν αναπτυχθεί αρκετά συστήματα θέρμανσης και ψύξης, με βάση τη βιομάζα, τα οποία είναι εμπορικά διαθέσιμα και οικονομικώς ανταγωνιστικά. Η βιομάζα χρησιμοποιείται με διάφορους τρόπους για την θέρμανση. Τα συστήματα θέρμανσης καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα οικιακής θέρμανσης, από μια μονοκατοικία με λέβητες λίγων kW, έως εγκαταστάσεις λεβήτων πολλών kW στη βιομηχανία και την τηλεθέρμανση. Οι θερμικές μονάδες μεγάλης ισχύος μπορούν να συνδυάσουν τα ‘κύκλα ισχύος’ για την συμπαραγωγή θερμότητας και ηλεκτρικής ισχύος (CHP). Καινοτόμες τεχνολογίες όπως είναι ο Οργανικός Κύκλος Rankine (ORC) και η αεριοποίηση, μας προσφέρουν επίσης μια αποτελεσματική συμπαραγωγή. Η παρούσα διατριβή συμβάλλει στην έρευνα αυτή διερευνώντας την αύξηση της Ανώτερης Θερμογόνου Δύναμης (HHV) του άχυρου κριθαριού και σιταριού, μέσω της υγρής και της ξηρής φρύξης, για να χρησιμοποιηθούν αυτά ως στερεό καύσιμο σε συστήματα θέρμανσης και ψύξης. Συγκεκριμένα, στη διαδικασία της υγρής φρύξης διερευνάται η επίδραση του χρόνου, της θερμοκρασίας και της συγκέντρωσης του οξέος. Επιπλέον, για την προσαρμογή των πειραματικών δεδομένων εφαρμόστηκαν καινοτόμα κινητικά μοντέλα χρησιμοποιώντας έναν παράγοντα σοβαρότητας (Severity Factor, R0) ο οποίος συνδυάζει την επίδραση του χρόνου αντίδρασης, της θερμοκρασίας και της συγκέντρωσης του οξέος, στην περίπτωση μιας μη ισοθερμοκρασιακής διεργασίας. Ειδικότερα, η δυνατότητα βελτίωσης της HHV του άχυρου κριθαριού πραγματοποιήθηκε με (i) Ξηρή φρύξη, η οποία καλείται και απλά φρύξη, σε κλίβανο, και (ii) Καταλυόμενη από Οξύ Υγρή Φρύξη (ACWT), ή όξινη υδρόλυση ή υδροθερμική επεξεργασία καταλυόμενη από οξύ, που πραγματοποιήθηκε σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου τύπου αυτοκλείστου 3,75 L Parr 4553. Επίσης, μελετήθηκε το άχυρο σιταριού όσον αφορά την βελτίωση της HHV. Σε όλες τις περιπτώσεις, χρησιμοποιήθηκε θερμιδόμετρο Parr 1341 Plain Jacket Bomb για τη μέτρηση της HHV των δειγμάτων. Επίσης, τα δείγματα μελετήθηκαν με τη χρήση της τελικής (Ultimate) και προσεγγιστικής (Proximate) ανάλυσης, καθώς και με μικροσκόπιο ηλεκτρονικής σάρωσης (SEM). Όσον αφορά την προκατεργασία με ACWT, εφαρμόστηκαν δύο διαφορετικές προσεγγίσεις προσομοίωσης: (α) ο συνδυασμένος συντελεστής σοβαρότητας (CSF) και (β) η μεθοδολογία επιφανειακής απόκρισης (RSM) σύμφωνα με τον σχεδιασμό των πειραμάτων (DoE) κατά Box – Behnken. Εξετάστηκαν οι παράμετροι της ACWT, όπως η συγκέντρωση του θειικού οξέος (SA), η θερμοκρασία και ο χρόνος. Όσον αφορά στην προκατεργασία με ξηρή φρύξη, μελετήθηκαν διάφορες πειραματικές συνθήκες, χρησιμοποιώντας πολλούς συνδυασμούς θερμοκρασίας και χρόνου σε έναν κλίβανο (Nuve Muffle Furnace). Επιπλέον, εφαρμόστηκαν καινοτόμα κινητικά μοντέλα για την προσαρμογή των πειραματικών δεδομένων χρησιμοποιώντας τον CSF, ο οποίος συνδυάζει την επίδραση της θερμοκρασίας και του χρόνου στη διεργασία της φρύξης. Συμπερασματικά, η προκατεργασία με ACWT και ξηρή φρύξη των άχυρων κριθαριού και σιταριού αύξησε σημαντικά την HHV, στις βέλτιστες συνθήκες προκατεργασίας, με αποτέλεσμα την παραγωγή στερεού καυσίμου προερχόμενου από βιομάζα, το οποίο κρίθηκε κατάλληλο για χρήση σε συστήματα θέρμανσης και ψύξης, στο πλαίσιο της έννοιας της κυκλικής οικονομίας μηδενικών αποβλήτων.