Waterstof en andere gassen uit kompost door thermische behandeling in superkritiek water
Leeuwarden 9 april 2013
Introductie -
Thermisch kraken van organische componenten bij 600°C in stoom van hoge
druk produceert gassen, zonder bijproducten als teer en coke -
Bij een druk hoger dan de kritieke druk van water (22.4 MPa) vindt geen
verdamping plaats maar gaat de vloeibare fase geleidelijk over in stoom van hoge dichtheid -
De opgenomen enthalpie kan goeddeels worden overgedragen aan de
voeding in een tegenstroom warmtewisselaar, zonder verdampingsverliezen -
De conversie in superkritiek water opent mogelijkheden om natte biomassa
met hoog thermisch rendement om te zetten in brandbare gassen -
Superkritisch vergassen - of reformen - bevindt zich in technische
ontwikkeling: er bestaat geen activiteit op commerciële dan wel demo schaal
Natte biomassa komt voor in een grote variëteit: - als reststromen uit de agrarische sector (o.a. kompost) - productie van voedingsmiddelen (vruchtensappen, suiker, zetmeel, bier) - tuinbouw productie (groenten, bloemen/planten, bloembollen, champignons) - digistaat van (co-)vergisting, rioolwater reinigingslib
maar ook: - aquatische biomassa (algen, wieren, water hyacinth) - gemaaid gras en loof
Deze stromen - hebben een laag droge-stof gehalte van 20 à 30% wt en minder - bevatten resten van de groeimedia (zand, grond) - minerale bestanddelen, zoals zouten
EET project SCARLET (EETK 02007) heeft de technische haalbaarheid aangetoond op lab schaal met kompost.
Thema’s van aandacht: - bereiding van voeding, als waterhoudende slurrie (“feed preparation”) - conversie van slurrie in SK water naar gassen - samenstelling van gassen - recycle van tailwater en terugwinning van minerale bestanddelen
Blok diagram SK reforming
Slurrie bereiding - is integraal onderdeel van de procesketen - kompost zeef-fractie kleiner dan 15 mm - bevat ca 60% klei en zand - stap 1: reinigen van kompost - stap 2: versnijden van gereinigde kompost tot slurrie - slurrie met ca 17% DS is dik-vloeibaar en te verpompen met speciale pomp - slurriedeeltjes bestaan uit conglomeraten van fijn materiaal
Kompostdeeltjes in slurrie, 100 x vergroot
• lijn: Malvern data • cirkel: nat zeven
Reforming tests - continue stroom van slurrie door buisreformer: L = 100 cm, ID = 5.5 mm, 600 – 650°C, 25 – 30 Mpa - voedingssnelheid van slurrie : 1 kg/hr gehalte DS : 14,5% wt, asgehalte : 40% wt van DS berekende verblijftijd : +/- 10 secs - reformer product afgekoeld tot ca. 25°C met koelwater - gas en tailwater geëxpandeerd tot normale druk
RESULTATEN I - gassamenstelling (mol %) H2 17,6 CO 15,5 CO2 42,8 CH4 16,9 C2H 6 14,7 C2 H 4 2,5 - LHV berekend 13,45 MJ / Nm3 23,5 MJ / Nm3 CO2-vrij - Opbrengst brandstof componenten: 0,35 Nm3 /kg DS as-vrij 4,7 MJ - LHV/kg DS as-vrij CO2 : 0,15 Nm3 /kg DS as-vrij
RESULTATEN II -
aanvankelijk veel problemen met verpompen van slurrie en verstopping van reformer buis
-
opgelost door her-ontwerp en her-testen van onderdelen: de “10 % inspiratie – 90 % transpiratie” aanpak leverde operationele know-how
-
geen verstopping of zichtbare scale-vorming in WW buis
-
minerale scale-vorming in reformer buis was beperkt tot ca 10 micron dikte
TAILWATER en KOMPOST MINERALEN - minerale bestanddelen van kompost accumuleren in het tailwater - slaan niet neer op wand van WW en nauwelijks in reformer buis - verreweg het grootste deel vormt zwart neerslag in tailwater - neerslag bevat ca 75% as en 25% teer/coke - klein deel van de mineralen vormt opgeloste zouten - tailwater heeft pH van ca 7 - minerale bestanddelen worden volledig teruggewonnen
Mineralen balans GRAM MINERALS
30
25
20
stop slurry open demi water
MINERALS IN FEED
INSOLUBLES
15
10
MINERALS IN TAIL WATER
5 SOLUBLES
0 0
50
100
runtime - minutes
RECYCLE VAN TAILWATER - tailwater bevat opgeloste organische bestanddelen (“rookworst”) - recycle van tailwater door reformer levert gas (mol %): H2 63 CO zero CO2 23,4 CH4 1,7 C2H6 2,0 C2H4 0,5 - tailwater kan voor bereiding van slurrie worden gebruikt
CORROSIE ASPEKTEN -
tailwater is neutraal met pH – waarde van ca.7
-
reformerbuis, gemaakt van Incoloy 825 rvs, vertoonde geen tekenen van
corrosieve aantasting na ca. 30 uur wissel bedrijf -
precipitaat, 5 à 10 micron dik van minerale bestanddelen, was zichtbaar met
lichtmicroscoop
THERMISCH RENDEMENT van SK reformen – model berekening voeding: glycerol - 0.828 kg/s (13.3 MWth) als 19.9 wt % oplossing in water - reformer verbruik 1.68 MWth - warmte wisseling 12.8 MWth - voedingspomp 21.4 kWe ( = 42.8 kWth equivalent) - koeling van HD gas/vloeistof scheider 25°C 0.33 MWth - gas samenstelling H2 30,0 CO 10,7 CO2 9,5 CH4 3,2 C2 H 6 1,6 C2 H 4 0,16 - gas productie (LHV-basis) 14,67 MWth - thermisch rendement (LHV-basis) 98,0% (gas-voor-export / glycerol + voedingspomp)
CONCLUSIES -
kompost biomassa, na reinigen, bevat ca. 40 wt % as
-
wordt verwerkt tot slurrie met 17 wt % DS
-
vormt waterstof-rijk brandbaar gas bij behandeling in SK water
-
minerale bestanddelen worden volledig gerecupereerd met tailwater, goeddeels als zwart neerslag
-
verstopping van reformerbuis door minerale neerslag is opgelost
-
geen aanwijzing voor corrosie dan wel verandering van kristalliet structuur van reformer buis
Kompost vs Digistaat Kompost
Digistaat
-
Gasopbrengst
Nm3/kg DS as-vrij
0,35
0,67
-
Energieopbrengst
MJ/kg DS as-vrij
4,7
9,2
-
LHV - gas
MJ/Nm3
13,4
13,7
MJ/Nm3-CO2 vrij
23,5
20,0
Het onderzoek werd verricht (2004 t/m 2008) door een consortium van: TNO Industrie - SPARQLE International – Promikron – Hygear Urschel International – Van Vliet Recycling – Atlas Copco – HEC LTO Groeiservice met co-financiering van SenterNovem Projekt EETK 02007 Voortzetting met co-financiering van Estars project MOSS (2011-2014) voor constructie en bedrijf van pilot unit,100 kg/h slurrie doorzet, 275 bar, 650 C door internationaal consortium van SPARQLE International – Recycling Consult – Urschel International – Waterschap Aa & Maas Feluwa Pumpen – Hogeschool HAS – Callaghan Engineering – Uni Maribor. De pilot unit staat opgesteld bij fa. JansenWijhe en is geconstrueerd door Artifex Innovatie.
Pilot Unit
