ΑΕΡΙΟΠΟΙΗΣΗ
Η αεριοποίηση της βιομάζας είναι μια ενδόθερμη θερμική διεργασία κατά την οποία μετατρέπεται σε καύσιμο αέριο σε θερμοκρασία συνήθως > 900 CO .
Το παραγόμενο αυτό αέριο αποτελεί μίγμα πολλών καύσιμων (και μη) αερίων: μονοξείδιο και διοξείδιο του άνθρακα (CO, CO2), υδρογόνο (H2), μεθάνιο (CH4), υδρατμοί (H2O), ίχνη υδρογονανθράκων (π.χ. C2H6, C2H4) και άζωτο (N2, σε περίπτωση που για την διεργασία χρησιμοποιείται αέρας και όχι καθαρό οξυγόνο).
Πέραν των παραπάνω ενώσεων στο αέριο προϊόν εμφανίζονται και διάφοροι επιμολυντές κυριότεροι εκ των οποίων είναι η σωματίδια πίσσας, τέφρα, αμμωνία, οξέα και σύνθετοι υδρογονάνθρακες.
Σημειώνεται ότι ανεξάρτητα από τον τύπο του αεριοποιητή, υπάρχει πάντα μια ζώνη χαμηλότερης θερμοκρασίας όπου λαμβάνει χώρα η πυρόλυση παράγοντας συμπυκνώσιμους υδρογονάνθρακες.
3) Αναγωγή (Reduction)
Τμήμα του άνθρακα που περιέχεται στο κωκ αντιδρά με διοξείδιο του άνθρακα και υδρατμό προκειμένου να παραχθεί μονοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο.
4) Καύση – Οξείδωση ( Combustion - Oxidation)
Στη ζώνη αυτή λαμβάνει χώρα μερική καύση ή οξείδωση.
Τα πτητικά προϊόντα των παραπάνω σταδίων και μέρος του άνθρακα που περιέχεται στο κωκ αντιδρούν με οξυγόνο και σχηματίζουν διοξείδιο και μονοξείδιο του άνθρακα και με τον τρόπο αυτό παρέχουν την απαιτούμενη θερμότητα για τις αντιδράσεις που διεξάγονται κατά το στάδιο της αναγωγής-αεριοποίησης
Ο αέρας που εισέρχεται στη ζώνη οξείδωσης περιέχει, εκτός από οξυγόνο και υδρατμούς, αδρανή αέρια όπως άζωτο και αργό. Αυτά τα αδρανή αέρια δεν αντιδρούν με τα συστατικά του καυσίμου της τροφοδοσίας.
1) αντιδραστήρες σταθερής κλίνης με ροή του αερίου ρεύματος προς τα πάνω (fixed bed updraft)
2) αντιδραστήρες σταθερής κλίνης με ροή του αερίου ρεύματος προς τα κάτω (fixed bed downdraft)
3) αντιδραστήρες ρευστοποιημένης κλίνης φυσαλίδας (bubbling fluidized bed)
4) αντιδραστήρες ρευστοποιημένης κλίνης κυκλοφορίας (circulating fluidized bed)
5) αντιδραστήρες ροής με παράσυρση (entrained flow)
Η διαφοροποίηση μεταξύ των αεριοποιητών βασίζεται στα μέσα υποστήριξης της βιομάζας στον αντιδραστήρα, στην κατεύθυνση της ροής τόσο της βιομάζας όσο και του οξειδωτικού μέσου και στον τρόπο που η θερμότητα παρέχεται στον αντιδραστήρα.
Διεργασίες που διεξάγονται σ’ έναν αεριοποιητή κατά την αεριοποίηση της βιομάζας
Τέσσερις διακριτές διεργασίες λαμβάνουν χώρα στον αεριοποιητή καθώς η βιομάζα αεριοποιείται. Οι τέσσερις αυτές διεργασίες διεξάγονται σε τέσσερεις διαφορετικές ζώνες σ’ έναν αντιδραστήρα αεριοποίησης. Αυτές οι ζώνες καθώς και οι σημαντικότερες χημικές αντιδράσεις που διεξάγονται σ’ αυτές, περιγράφονται αναλυτικότερα παρακάτω για έναν αεριοποιητή με ροή αερίου ρεύματος προς τα πάνω
1) Ξήρανση (Drying)
Η βιομάζα κατά την τροφοδότησή της στον αεριοποιητή, περιέχει υγρασία που κυμαίνεται μεταξύ 5% και 35%. Σε θερμοκρασίες πάνω από τους 100˚C, η υγρασία της βιομάζας απομακρύνεται και μετατρέπεται σε υδρατμό. Κατά το στάδιο της ξήρανσης η βιομάζα δεν υφίσταται καμία αποσύνθεση.
2) Πυρόλυση (Pyrolysis)
Η πυρόλυση της βιομάζας είναι η θερμική της κατεργασία απουσία οξυγόνου. Κατά το στάδιο της πυρόλυσης, η βιομάζα αποσυντίθεται με διάσπαση των ασθενέστερων χημικών δεσμών της, με συνέπεια την απελευθέρωση πτητικών αερίων (devolitization) και την παραγωγή κωκ υψηλού μοριακού βάρους. Η πυρόλυση περιλαμβάνει τη  δημιουργία τριών ειδών προϊόντων: στερεών, υγρών και αερίων. Η αναλογία αυτών των προϊόντων επηρεάζεται από τη χημική σύνθεση της βιομάζας και από τις συνθήκες λειτουργίας της αεριοποίησης. Η θερμογόνος δύναμη του αερίου που παράγεται κατά το στάδιο της πυρόλυσης, είναι χαμηλή και κυμαίνεται μεταξύ 3,5 και 8,9 MJ m-3. Το βασικό θερμοκρασιακό εύρος στο οποίο λαμβάνει χώρα η πυρόλυση κυμαίνεται μεταξύ 280˚C και 500˚C.           Μεταξύ 500˚C και 700˚C η απόδοση παραγωγής πτητικών είναι μικρότερη και το υδρογόνο είναι το κύριο συστατικό τους.
Τύποι αντιδραστήρων αεριοποίησης
Οι περισσότεροι από τους κύριους τύπους αεριοποιητών σχεδιάζονται με τέτοιο τρόπο, ώστε να μπορούν να διαχειριστούν βιομάζα ή ένα συνδυασμό βιομάζας και λιθάνθρακα, αλλά ο κάθε τύπος έχει πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα και η επιλογή εξαρτάται από τη συγκεκριμένη τροφοδοσία και από τα επιθυμητά προϊόντα. Έχει αναπτυχθεί μια ποικιλία τύπων αεριοποιητών βιομάζας οι οποίοι μπορούν να ταξινομηθούν σε πέντε μεγάλες κατηγορίες :
 Προχωρώντας προς τα πάνω μέσα στον αντιδραστήρα το υδρογόνο και το μονοξείδιο του άνθρακα πυρολύουν την ξηρή βιομάζα που κατέρχεται και όσο προχωρούν ακόμα πιο πάνω μέσα στον αντιδραστήρα τελικά ξηραίνουν την εισερχόμενη υγρή βιομάζα, εγκαταλείποντας τον αντιδραστήρα σε χαμηλότερη θερμοκρασία (~500˚C).
Τα πλεονεκτήματα της αεριοποίησης με ροή αερίου ρεύματος προς τα πάνω είναι:

Απλή, χαμηλού κόστους διεργασία

 Δυνατότητα για διαχείριση βιομάζας με υψηλή περιεκτικότητα σε υγρασία και ανόργανες ουσίες, π.χ. αστικά στερεά απόβλητα

 Αποδεδειγμένη τεχνολογία
Πρωταρχικό μειονέκτημα αυτού του τύπου αεριοποίησης είναι:

Το παραγόμενο αέριο περιέχει 10 – 20% κβ πίσσα (tar) και κατά συνέπεια απαιτείται εκτεταμένος καθαρισμός ή αναμόρφωσή του πριν την περαιτέρω του χρήση σαν καύσιμο ή αέριο σύνθεσης.
Αεριοποίηση με ροή αερίου ρεύματος προς τα πάνω (Updraft Gasification)
Η διάταξη αυτή, γνωστή επίσης ως κατ’ αντιρροή αεριοποίηση, αποτελεί τον παλαιότερο και απλούστερο τύπο αεριοποιητή και εξακολουθεί να χρησιμοποιείται στην αεριοποίηση λιθάνθρακα. Η βιομάζα τροφοδοτείται στην κορυφή του αντιδραστήρα και μια σχάρα στο κάτω μέρος του υποστηρίζει την κλίνη. Αέρας ή οξυγόνο και/ή υδρατμός εισάγονται κάτω από τη σχάρα και μεταφέρονται προς τα πάνω διαμέσου της κλίνης βιομάζας και κωκ. Πλήρης καύση του κωκ λαμβάνει χώρα στο κάτω μέρος της κλίνης, απελευθερώνοντας διοξείδιο και μονοξείδιο του άνθρακα καθώς και υδρατμό. Τα θερμά αυτά αέρια (~1.000˚C) περνούν διαμέσου της κλίνης που βρίσκεται από πάνω, ανάγονται σε υδρογόνο και μονοξείδιο του άνθρακα και ψύχονται στους 750˚C.
Τα πλεονεκτήματα της αεριοποίησης με ροή αερίου ρεύματος προς τα κάτω είναι:  
Παράγει ένα ομοιόμορφης σύστασης αέριο
Παρουσιάζει μια σχεδόν ομοιόμορφη κατανομή θερμοκρασίας σ’ όλη την έκταση του αντιδραστήρα
Έχει τη δυνατότητα να δεχθεί ένα ευρύ φάσμα μεγεθών σωματιδίων καυσίμου, συμπεριλαμβανομένου των πολύ ψιλών
Παρέχει υψηλούς ρυθμούς μεταφοράς θερμότητας μεταξύ αδρανών υλικών, καυσίμου και αερίου
Επιτυγχάνονται υψηλές μετατροπές ταυτόχρονα με χαμηλή ποσότητα πίσσας και χαμηλή ποσότητα άνθρακα που δεν έχει μετατραπεί

Μειονέκτημα της αεριοποίησης σε αντιδραστήρα ρευστοποιημένης κλίνης φυσαλίδας:

Μπορεί να προκύψει, λόγω μεγάλου μεγέθους φυσαλίδων, παράκαμψη του αερίου διαμέσου της κλίνης
Αεριοποίηση με ροή αερίου ρεύματος προς τα κάτω (Downdraft Gasification)
Γνωστή και ως αεριοποίηση ομορροής.
Αυτός ο τύπος αεριοποιητή έχει την ίδια μηχανική διάταξη με τον αεριοποιητή ροής αερίου ρεύματος προς τα πάνω με τη διαφορά ότι το οξειδωτικό μέσο και τα παραγόμενα αέρια ρέουν προς τα κάτω, με την ίδια δηλαδή κατεύθυνση ροής της βιομάζας.
Μια ουσιώδης διαφορά αυτής της διάταξης είναι ότι η συντελούμενη σ’ αυτή διεργασία μπορεί να καύσει μέχρι και το 99,9% της σχηματιζόμενης πίσσας. Βιομάζα με χαμηλή περιεκτικότητα υγρασίας (< 20%) και αέρας ή οξυγόνο αναφλέγονται στη ζώνη αντιδράσεων στο πάνω μέρος του αντιδραστήρα. Η φλόγα προωθεί την μετατροπή της βιομάζας στη ζώνη αυτή του αντιδραστήρα αφήνοντας ένα προϊόν 5% με 15% κβ κωκ και καυτά καυσαέρια.
Το μίγμα των καυσαερίων ρέει προς τα κάτω και αντιδρά με το κωκ σε θερμοκρασίες μεταξύ 800˚C και 1.200˚C, παράγοντας περισσότερο μονοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο, ενώ τα παραγόμενα αέρια ψύχονται σε θερμοκρασίες κάτω των 800˚C. Τέφρα και κωκ που δεν έχει μετατραπεί περνούν μέσα από τη σχάρα στον πυθμένα της κλίνης και διατίθενται προς απόρριψη .
Δυνατότητα υψηλών ρυθμών μεταφοράς θερμότητας εξαιτίας της υψηλής θερμοχωρητικότητας του υλικού της κλίνης
Επιτυγχάνονται υψηλοί ρυθμοί μετατροπής ταυτόχρονα με χαμηλή ποσότητα πίσσας και χαμηλή ποσότητα άνθρακα που δεν έχει μετατραπεί
Τα μειονεκτήματα αεριοποίησης σε ρευστοποιημένη κλίνη κυκλοφορίας
Δημιουργείται διαβάθμιση θερμοκρασίας στην κατεύθυνση ροής του στερεού
Το μέγεθος των σωματιδίων του καυσίμου καθορίζει την ελάχιστη ταχύτητα μεταφοράς· υψηλές ταχύτητες μπορούν να οδηγήσουν σε διάβρωση του εξοπλισμού
Ανταλλαγή θερμότητας λιγότερο αποδοτική απ’ ότι στην αεριοποίηση με ρευστοποιημένη κλίνη φυσαλίδας
Αεριοποίηση σε ρευστοποιημένη κλίνη κυκλοφορίας (Circulating FluidizedBed)
Οι αεριοποιητές αυτού του τύπου λειτουργούν σε ταχύτητες αερίου υψηλότερες από αυτή του ελάχιστου σημείου ρευστοποίησης, με αποτέλεσμα την παράσυρση των σωματιδίων στο αέριο ρεύμα εξόδου. Το αέριο μαζί με τα σωματίδια που συμπαρασύρει εξέρχεται από την κορυφή του αντιδραστήρα, τα σωματίδια διαχωρίζονται από το υπόλοιπο αέριο ρεύμα σ’ έναν κυκλώνα και επιστρέφουν στον αντιδραστήρα .
Τα πλεονεκτήματα αεριοποίησης σε ρευστοποιημένη κλίνη κυκλοφορίας είναι
Κατάλληλη για ταχείες αντιδράσεις
Έμμεση αεριοποίηση – Αεριοποίηση δίδυμης κλίνης                 (TwinBed Gasification)
Η έμμεση αεριοποίηση παράγει ένα μέσης θερμογόνου δύναμης αέριο μέσω διαχωρισμού των θερμικών απαιτήσεων της διεργασίας, σε κατανάλωση στην ενδόθερμη δράση της αεριοποίησης, και σε παραγωγή θερμότητας στην εξώθερμη δράση της καύσης (combustion).
Η καύση δηλαδή προσφέρει την απαιτούμενη θερμότητα προκειμένου να διεξαχθεί η αεριοποίηση. Η μόνη υπάρχουσα ποσότητα αζώτου στο αέριο προϊόν της αεριοποίησης μπορεί να προέλθει από το άζωτο της βιομάζας της τροφοδοσίας.
Στην έμμεση αεριοποίηση περιλαμβάνονται δύο αντιδραστήρες ρευστοποιημένης κλίνης.   
Η βιομάζα εισέρχεται στον πρώτο αντιδραστήρα όπου αεριοποιείται παρουσία υδρατμού και το κωκ που παράγεται μεταφέρεται στο δεύτερο αντιδραστήρα όπου καίγεται παρουσία αέρα προκειμένου να παραχθεί θερμότητα.
Η θερμική ενέργεια μεταφέρεται μέσω του υλικού της κλίνης,συνήθως άμμος, στον αντιδραστήρα όπου λαμβάνει χώρα η αεριοποίηση.             Τα καυσαέρια και το αέριο προϊόν της αεριοποίησης εξέρχονται από διαφορετικές εξόδους.  
Αεριοποίηση ροής με παράσυρση (entrained flow EF)

Υπάρχουν δύο διαφορετικοί τύποι αντιδραστήρων ροής με παράσυρση:
Επικαθίσεων, για τροφοδοσίες που περιέχουν τέφρα π.χ. βιομάζα
Μη – επικαθίσεων, για τροφοδοσίες ουσιαστικά απαλλαγμένες από τέφρα
Οι αεριοποιητές ροής με παράσυρση, Εικόνα 11, τυπικά λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες, 1.200 – 1.500˚C στις οποίες η τροφοδοσία μετατρέπεται σχεδόν πλήρως σε αέριο σύνθεσης, ακόμη και για μικρούς χρόνους παραμονής μερικών μόλις δευτερολέπτων.
Σ’ έναν αεριοποιητή επικαθίσεων σκουριάς τα συστατικά που σχηματίζουν την τέφρα τήκονται μέσα στον αεριοποιητή. Αυτά τα τηγμένα σωματίδια στερεοποιούνται πάνω στα πιο ψυχρά τοιχώματα και σχηματίζουν μια στρώση επικαθίσεων η οποία είναι σε στερεή κατάσταση κοντά στο τοίχωμα και σε υγρή στην εσωτερική της πλευρά.
Η αεριοποίηση αποτελεί μια από τις κυριότερες διεργασίες της θερμοχημικής μετατροπής της βιομάζας σε ενέργεια. Η τεχνική και οικονομική της σκοπιμότητα για την παραγωγή ενέργειας σε μεγάλη κλίμακα έχει τεκμηριωθεί .
Η αεριοποίηση μπορεί να λάβει χώρα σε μια πλειάδα αντιδραστήρων οι οποίοι κατηγοριοποιούνται ανάλογα
α) με το σημείο τροφοδοσίας της βιομάζας σε σχέση με το σημείο τροφοδοσίας του μέσου που χρησιμοποιείται για τη ρευστοποίηση της κλίνης,
β) με το εάν υπάρχει ανακυκλοφορία μέσα στον αντιδραστήρα,
γ) με την κατάσταση στην οποία βρίσκεται το μίγμα του πληρωτικού υλικού της κλίνης και του καυσίμου (ρευστοποιημένη, σταθερή, ή αναβράζουσα κλίνη) ή
δ) με το κατά πόσο η διεργασία λαμβάνει χώρα υπό ατμοσφαιρική ή αυξημένη πίεση.
Το συνηθέστερο μέσο για τη ρευστοποίηση των κλινών είναι ο αέρας λόγω του χαμηλού κόστους της διεργασίας.
Μια μεγάλη ποικιλία ειδών βιομάζας μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως καύσιμη πρώτη ύλη σε έναν αεριοποιητή.
Ως προς τα φυσικά χαρακτηριστικά της βιομάζας που τροφοδοτείται στους αντιδραστήρες υπάρχουν συγκεκριμένοι περιορισμοί ως προς το ποσοστό υγρασίας (δεν πρέπει να ξεπερνά το 10-15%) και το μέγεθος των σωματιδίων.
green energy
Προϊόντα & Υπηρεσίες Ενέργειας
Το καύσιμο προϊόν της διεργασίας αεριοποίησης ονομάζεται αέριο σύνθεσης ( SYNGAS - SNG ) Πρέπει να τονισθεί ότι το αέριο σύνθεσης δεν χρησιμοποιείται απευθείας, καθώς εξέρχεται από τον αντιδραστήρα, στης μηχανές παραγωγής ενέργειας.
Είναι απαιτούμενη η προεπεξεργασία του ώστε να μειωθούν οι ποσότητες των ακαθαρσιών που περιέχονται σε αυτό (πίσσα, αμμωνία, θείο, κ.λπ.) καθώς και η ψύξη του.
Αναμφίβολα η αεριοποίηση της βιομάζας είναι μια τεχνολογία πιο πολύπλοκη  σε σχέση με την συνήθη καύση της βιομάζας.
Τα πλεονεκτήματα, όμως, που  παρουσιάζει, με κυριότερο όλων την πολύ μεγάλη αύξηση της ενεργειακής απόδοσης της μονάδας, έχει οδηγήσει στον διαρκή πολλαπλασιασμό τέτοιου είδους μονάδων στην «αιχμή της τεχνολογίας», τα τελευταία χρόνια.
TEAM ENERGY
E-mail  info@teamenergy.gr  - teamenergy10@gmail.com
Ο Αεριοποιητής διασπά τη δομή του chip-ξύλου σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες (800°C) παράγοντας καύσιμο αέριο (Syngas), το οποίο χρησιμοποιείται μέσω μιας μηχανής εσωτερικής καύσης ΜΕΚ για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Αυτό γίνεται με την μετατροπή της ύλης αυτής πρώτα σε ένα αέριο μίγμα μέσω διαδοχικών χημικών αντιδράσεων. Σύμφωνα με αυτές, η οργανική ύλη πυρολύεται και αντιδρά με το οξυγόνο ή τον αέρα, οπότε διασπάται σε μικρότερα μόρια, σε ένα αέριο μίγμα από μονοξείδιο του άνθρακα, υδρογόνο κ.ά., αφαιρώντας ρύπους και προσμίξεις.
Το αέριο αυτό μίγμα είναι το αέριο σύνθεσης ή syngas, το οποίο στη συνέχεια μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια και θερμότητα καθώς και σε άλλα προϊόντα.
Μέχρι και σήμερα  δαπανούνται εκατομμύρια δολάρια για την έρευνα και την τεχνολογία της Αεριοποίησης παγκοσμίως.
Η Αεριοποίηση είναι μια συνεχώς αναπτυσσόμενη τεχνολογία που έχει να δώσει σημαντικά αποτελέσματα και λύσεις σε θέματα ενέργειας , καθαρής και πράσινης ενέργειας συμβάλλοντας σημαντικά στην μείωση των ρύπων προς το περιβάλλον.
Στην έρευνα της τεχνολογίας αυτής συμμετέχουν εκατοντάδες Πανεπιστήμια και επιχειρήσεις απ΄όλο τον κόσμο , στην Ελλάδα σημαντικό έργο στην Αεριοποίηση της Βιομάζας έχει να επιδείξει το ΑΠΘ το τμήμα χημικών μηχανικών της ομάδας της  κ. Αναστασίας Ζαμπανιώτου ( SMARt CHP BIOMASS )