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 %) H 2 17,6 CO 15,5 CO 2 42,8 CH 4 16,9 C 2 H 6 14,7 C 2 H 4 2,5 - LHV berekend 13,45 MJ / Nm 3 23,5 MJ / Nm 3 CO 2 -vrij - Opbrengst brandstof componenten: 0,35 Nm 3 /kg DS as-vrij 4,7 MJ - LHV/kg DS as-vrij CO 2 : 0,15 Nm 3 /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 30 25 20 GRAM MINERALS MINERALS IN FEED stop slurry open demi water 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 %): H 2 63 CO zero CO 2 23,4 CH4 1,7 C 2 H 6 2,0 C 2 H 4 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 MW th - warmte wisseling 12.8 MW th - voedingspomp 21.4 kw e ( = 42.8 kw th equivalent) - koeling van HD gas/vloeistof scheider 25 C 0.33 MW th - gas samenstelling H 2 30,0 CO 10,7 CO 2 9,5 CH4 3,2 C 2 H 6 1,6 C 2 H 4 0,16 - gas productie (LHV-basis) 14,67 MW th - 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 Nm 3 /kg DS as-vrij 0,35 0,67 - Energieopbrengst MJ/kg DS as-vrij 4,7 9,2 - LHV - gas MJ/Nm 3 13,4 13,7 MJ/Nm 3 -CO 2 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