NL1006404C2

NL1006404C2 - Werkwijze voor het thermisch behandelen van een koolstofhoudend materiaal bevattende, waterige oplossing en inrichting daarvoor.

Info

Publication number: NL1006404C2
Application number: NL1006404A
Authority: NL
Inventors: Hubertus Ernest Maria Stassen; Johannes Mathieu Leo Penninger
Original assignee: Btg Biomass Technology Group B; Sparqle International B V
Priority date: 1997-06-26
Filing date: 1997-06-26
Publication date: 1998-12-29
Also published as: WO1999000334A1; EP0991597A1

Description

NL 43231-Al/ho

Werkwijze voor het thermisch behandelen van een koolstofhoudend materiaal bevattende, waterige oplossing en inrichting daarvoor

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het thermisch behandelen van een te vergassen koolstofhoudend materiaalbevattende, waterige vloeistof, onder oplevering van een brandbaar gas.

t 5 Het is in het vak reeds geruime tijd bekend om koolstofhoudend materiaal, zoals kolen, in aanwezigheid van water bij verhoogde temperatuur en druk te vergassen. Hierbij wordt een suspensie van kolen in water sterk verhit, onder oplevering van een methaan-, koolmonoxide- en waterstofhou- 10 dend brandbaar gas.

De onderhavige uitvinding heeft tot doel de bekende werkwijze te verbeteren, en in het bijzonder de energie-effi-ciency ervan. Daarenboven heeft de werkwijze volgens de uitvinding tot doel de controle over het de thermische behande- 15 ling te verbeteren.

De werkwijze volgens de uitvinding omvat de stappen van: i) het aan een reactor met een behandelingstraject toevoeren van de te vergassen koolstofhoudend materiaalbevat- 20 tende waterige vloeistof; ii) het bij verhoogde temperatuur in aanwezigheid van water in het behandelingstraject vergassen van koolstof-houdend materiaal onder oplevering van een brandbaar gas en een aan koolstofhoudend materiaal verarmde waterige vloei- 25 stof; iii) het scheiden van het brandbare gas en de aan koolstofhoudend materiaal verarmde waterige vloeistof; iv) het toevoeren van een zuurstofomvattend gas aan de aan koolstofhoudend materiaal verarmde waterige vloeistof, 30 waarbij zuurstof reageert met in de verarmde waterige vloeistof aanwezig koolstofhoudend materiaal onder oplevering van warmte; en v) het overdragen van de warmte aan te vergassen koolstofhoudend materiaal.

100 6404 2

Volgens de uitvinding wordt een aan koolstofhoudend materiaal verarmde vloeistof gevormd. Na afscheiding van brandbaar gas wordt zuurstof aan deze vloeistof toegevoerd. Nog in de vloeistof aanwezig koolstofhoudend materiaal wordt 5 hierdoor verbrand, onder oplevering van warmte die wordt gebruikt om het vergassingsproces gaande te houden. De warmte komt daarbij vrij op een plaats waar de warmte efficiënt kan worden overgedragen. De werkwijze volgens de onderhavige uitvinding heeft tevens een zelfsturend karakter. Bijvoor-10 beeld, indien in eerste aanleg te weinig koolstofhoudend materiaal wordt vergast, blijft er meer koolstofhoudend materiaal over voor oxidatie en zal de temperatuurverhoging die daar het gevolg van is de vergassing bevorderen. Omgekeerd, indien teveel koolstofhoudend materiaal wordt vergast, blijft 15 minder koolstofhoudend materiaal over voor oxidatie, en worden temperatuurexcursies voorkomen. Tenslotte wordt met de werkwijze volgens de uitvinding een althans nagenoeg volledige omzetting van al het oorspronkelijk aanwezige koolstofhoudende materiaal verzekerd.

20 Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm geschiedt het vergassen in stap ii) bij een temperatuur en druk gelijk aan of groter dan de kritische temperatuur en druk van water.

Bij kritische omstandigheden is er volledige menging tussen gevormd brandbaar gas en water, waardoor een goede 25 warmteoverdracht aan nog te vergassen koolstofhoudend materiaal verzekerd is.

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm worden voor het uitvoeren van stap iii) het te scheiden brandbare gas en de aan koolstofhoudend materiaal verarmde waterige 30 vloeistof uit de reactor gevoerd en afgekoeld onder oplevering van brandbaar gas en afgekoelde, aan koolstofhoudend materiaal verarmde waterige vloeistof.

Het verlagen van de temperatuur heeft tot gevolg dat het brandbare gas aan waterdamp wordt verarmd. Door het uit 35 de reactor voeren wordt het mogelijk de scheiding bij verlaagde druk uit te voeren, waardoor desgewenst de opbrengst aan brandbaar gas kan worden verhoogd.

Een gunstige uitvoeringsvorm hiervan omvat het afkoelen in tegenstroom met afgekoelde, aan koolstofhoudend 100 64n4 3 materiaal en brandbaar gas verarmde vloeistof onder oplevering van opgewarmde, aan kooletofhoudend materiaal en brandbaar gas verarmde vloeistof.

Aldus kan op energiezuinige wijze de aan koolstof-5 houdend materiaal verarmde vloeistof in temperatuur worden verhoogd.

Volgens een zeer gunstige uitvoeringsvorm wordt het zuurstofomvattende gas in de opgewarmde, aan koolstofhoudend materiaal verarmde waterige vloeistof gebracht, zuurstof realo geert met in de verarmde waterige vloeistof aanwezig koolstof houdend materiaal onder oplevering van warmte, welke warmte wordt afgestaan aan te vergassen van koolstofhoudend materiaal.

Door de verarmde vloeistof op te warmen alvorens 15 zuurstof toe te voeren, kan doelmatige een zeer hoge temperatuur worden bereikt. Indien de verarmde vloeistof tot boven de kritische temperatuur en druk wordt verhit, kan de zuurstof op eenvoudige wijze volledig homogeen met de verarmde vloeistof worden gemengd.

20 Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm wordt het brandbare gas in een verbrandingsinrichting verbrand onder oplevering van elektriciteit en warmte.

Aldus wordt de energie-inhoud van het te vergassen koolstofhoudende materiaal, dat een afvalstof kan zijn, 25 benut.

Volgens een zeer gunstige uitvoeringsvorm wordt de bij het verbranden vrijgekomen warmte benut voor het in tegenstroom verhitten van een te verwarmen vloeistofstroom.

Volgens een verdere uitvoeringsvorm wordt de warmte 30 benut voor het in tegenstroom verhitten van afgekoelde, aan koolstofhoudend materiaal verarmde vloeistof.

Door deze maatregelen wordt de energie-efficiency van de werkwijze volgens de uitvinding verder verbeterd.

Met de werkwijze volgens de uitvinding kan een 35 verscheidenheid aan koolstofhoudende materialen worden ver gast, zoals in water gesuspendeerde versnipperde biomassa, steenkool, of turf. Een interessante toepassing betreft het vergassen van drijfmest en in water gesuspendeerde mest.

1006404 4

Het met de werkwijze volgens de uitvinding behandelen van drijfmest of mest betekent enerzijds het benutten van de energie-inhoud ervan, en anderzijds worden problemen op het gebied van mestopslag, milieuverontreiniging en ziekte-5 verspreiding opgelost.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een inrichting voor het toepassen van de werkwijze volgens de uitvinding .

De inrichting voor het thermisch behandelen van een 10 te vergassen koolstofhoudend materiaalbevattende waterige vloeistof onder oplevering van een brandbaar gas en een aan te vergassen koolstofhoudend materiaalbevattende verarmde vloeistof, volgens de onderhavige uitvinding omvat een ver-gassingsreactor met een in hoofdzaak langwerpige eerste kamer 15 en een in hoofdzaak langwerpige tweede kamer, de eerste kamer een toevoeropening voor de thermisch te behandelen te vergassen koolstofhoudend materiaalbevattende waterige vloeistof omvat, de eerste kamer en de tweede kamer van elkaar worden gescheiden door een warmtegeleidende wand, welke warmtegelei-20 dende wand een behandeltraject definieert waarlangs de te vergassen koolstofhoudend materiaalbevattende waterige vloeistof en een door thermische behandeling aan te vergassen koolstofhoudend materiaal verarmde vloeistof na afscheiding van het brandbare gas in tegenstroom kunnen worden gevoerd, 25 de inrichting verder middelen voor het scheiden van het brandbare gas en de door thermische behandeling aan koolstofhoudend materiaal verarmde vloeistof alsmede een afvoer voor het brandbare gas omvat, de tweede kamer verder is voorzien van een inlaatopening voor het via een leiding en door middel 30 van een pomporgaan onder verhoogde druk toevoeren van zuurstof omvat tend gas aan de van het brandbare gas afgescheiden, door thermisch behandeling aan koolstofhoudend materiaal verarmde vloeistof, en een uitlaatopening voor een aan een thermische behandeling en een oxidatie onderworpen vloeistof. 35 Een dergelijke inrichting maakt een energetisch efficiënte, zelfsturende thermische behandeling van te vergassen koolstofhoudend materiaalbevattende vloeistof moge-lijk.

1006404 5

Volgens een gunstige uitvoeringsvorm omvatten de middelen voor het scheiden van het brandbare gas en de door thermische behandeling aan koolstofhoudend materiaal verarmde vloeistof een warmtewisselaar.

5 Aldus kan het brandbare gas met verhoogde effici ëntie van de aan koolstofhoudend materiaal verarmde vloeistof worden afgescheiden.

Bij voorkeur omvat de inrichting volgens de uitvinding middelen voor het verbranden van het brandbare gas onder 10 oplevering van elektriciteit en warmte.

Aldus kan, bijvoorbeeld uit een uit milieu-oogpunt lastig op te ruimen afvalstof zoals mest maar ook GFT, actief slib, bermgras enz., hoogwaardige energie worden verkregen.

Volgens een verdere gunstige uitvoeringsvorm van de 15 inrichting volgens de uitvinding, omvat de inrichting verder een warmtegeleidend oppervlak voor het aan ten minste één kamer overdragen van bij de verbranding vrijgekomen warmte.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm omgeeft de eerste kamer in de lengterichting de tweede kamer in hoofd-20 zaak en omgeeft het warmtegeleidende oppervlak in de lengterichting de eerste kamer in hoofdzaak.

Dergelijke inrichtingen zijn energetisch efficiënter.

De uitvinding zal thans worden toegelicht aan de 25 hand van de volgende figuurbeschrijving en onder verwijzing naar de bijgaande tekening, waarbij fig. 1 een schematische weergave is van een inrichting geschikt voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding is; en 30 fig. 2 een deel van een inrichting geschikt voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding schematisch weergeeft.

Thans wordt verwezen naar fig. 1, waarin een reactor 1 is weergegegeven met een inlaat 2 voor een thermisch te 35 behandelen koolstofhoudend materiaalbevattende waterige vloeistof. Deze vloeistof kan worden bereid in een vat 3 waarin water (H20) wordt gebracht alsmede een koolstofhoudend materiaal C. Dit koolstofhoudende materiaal kan versnipperde biomassa, kolen, mest enz. zijn. Een oplossing of suspensie 1006404 6 van het koolstofhoudende materiaal in water wordt door middel van een pomp 4 via de inlaat 2 als de thermische te behandelen, koolstofhoudend materiaalbevattende waterige vloeistof in de reactor gebracht. De inlaat 2 mondt uit in een langwer-5 pige eerste kamer 5 welke door een warmtegeleidende wand 6 is afgescheiden van een tweede kamer 7. Althans een deel van het koolstofhoudende materiaal wordt in de eerste kamer 5 vergast onder oplevering van een mengsel van brandbaar gas en een aan koolstofhoudend materiaal verarmde vloeistof. Dit mengsel 10 verlaat, in de hier weergegeven uitvoeringsvorm, de reactor 1 via uitlaat 8 en komt terecht in een warmtewisselaar 9, waarin het mengsel wordt afgekoeld. Dit afkoelen bevordert de scheiding tussen brandbaar gas en aan koolstofhoudend materiaal verarmde vloeistof. In vat 10 wordt de verarmde vloeistof 15 gescheiden van het brandbare gas. Dit brandbare gas kan via een leiding 11 naar een inrichting 12 worden gevoerd, welke inrichting 12 geschikt is voor het opwekken van elektriciteit. De inrichting 12 kan een turbine omvatten, een verbrandingsmotor of, in combinatie met een reformer voor het verho-20 gen van het waterstofgehalte in het gas, een brandstofcel.

De aan koolstofhoudend materiaal verarmde vloeistof uit vat 10 kan via de warmtewisselaar 9 worden opgewarmd en met behulp van pomp 13 onder verhoogde druk in de tweede kamer 7 worden gebracht.

25 Een zuurstofhoudend gas, zoals bij voorkeur lucht, wordt via een pomp 14 en inlaat 15 in de tweede kamer 7 gebracht . De zuurstof reageert met nog in de verarmde vloeistof aanwezig koolstofhoudend materiaal onder oplevering van warmte. Deze warmte wordt via de warmtegeleidende wand 6 aan de 30 te vergassen koolstofhoudend materiaalbevattende waterige vloeistof overgedragen. Bij voorkeur heersen in de tweede kamer nabij de inlaat 15 superkritische omstandigheden, waardoor de menging van zuurstof met aan koolstofhoudend materiaal verarmde vloeistof op eenvoudige wijze homogeen 35 geschiedt.

Het verschaffen van de voor vergassing benodigde energie door oxidatie van overgebleven koolstofhoudend materiaal levert een in hoge mate zelfgecontroleerd thermisch behandelingsproces op.

1006404 7

De aan een oxidatie door zuurstof onderworpen en daardoor in wezen geen (oxideerbaar) koolstofhoudend materiaal meer bevattende vloeistof beweegt in tegenstroom met de te vergassen koolstofhoudend materiaalbevattende waterige 5 vloeistof, en staat aldus efficiënt warmte af. De afgekoelde, in wezen koolstofhoudend materiaalvrije vloeistof verlaat de reactor 1 via uitlaat 16 en komt, in de weergegeven uitvoeringsvorm, in een vat 17 waar schoon water, dat kan worden afgevoerd of worden gebruikt voor het bereiden van een kool-10 stofhoudend materiaalbevattende waterige vloeistof, en inerte gassen, zoals bij de oxidatie gevormd kooldioxide en eventueel stikstofgas, worden gescheiden.

Met voordeel bevat de thermisch te behandelen koolstofhoudend materiaalbevattende waterige vloeistof een kata-15 lysator die de vorming van brandbaar gas bevordert. Deze katalysator kan de vorm hebben van een ion of een edelmetaal-deeltje, dat, indien het schone water uit vat 17 weer wordt gebruikt voor het bereiden van suspensie, in een of meer malen in kringloop kan worden gehouden, totdat het schone 20 water teveel uit koolstofhoudend uitgangsmateriaal afkomstige anorganische zouten bevat en geheel of gedeeltelijk moet worden afgevoerd of opgewerkt.

Desgewenst omvat de inrichting volgens de uitvinding ook middelen (niet weergegeven) voor het benutten van de 25 drukenergie. Deze kan hetzij worden benut voor het opwekken van elektriciteit, hetzij voor het vergemakkelijken van de terugvoer van aan koolstofhoudend materiaal verarmde vloeistof in de reactor 1, in het bijzonder in tweede kamer 7 daarvan. Zo kan voor het terugvoeren in de tweede kamer 7 30 bijvoorbeeld drukenergie van het gas dat het vat 10 verlaat worden gebruikt. Ook de drukenergie van de vloeistof die het vat 17 verlaat kan worden benut voor het verlichten van de arbeid van pomp 4 of voor het opwekken van elektriciteit.

Een alternatieve uitvoeringsvorm van een inrichting 35 volgens de uitvinding geschikt voor de werkwijze volgens de uitvinding is schematisch weergegeven in fig. 2. Het hiervoor beschreven mengsel dat de uitlaat 8 verlaat wordt in warmtewisselaar 9 afgekoeld. De hierbij vrijkomende warmte-energie wordt benut voor het opwarmen van thermisch te behandelen 1006404 8 koolstofhoudend materiaalbevattende waterige vloeistof in warmtewisselaar 9'. Warmtewisselaar 9 en 9' zijn met voordeel dezelfde warmtewisselaar. Het afgekoelde mengsel, dat een hoge druk bezit, kan worden geëxpandeerd over een turbine 19, 5 waardoor elektrische energie kan worden opgewekt. Het gas kan vervolgens, onder toevoer van een zuurstofomvattend gas, gebruikelijk lucht, worden verbrand. Dit kan in een tweede turbine 20 geschieden, onder oplevering van warmte en elektriciteit. De nog hete verbrandingsgassen uit de turbine 20 10 worden, in de weergegeven uitvoeringsvorm, benut voor het in tegenstroom verhitten, in een warmtewisselaar 21, van aan koolstof verarmde vloeistof uit vat 10. Deze vloeistof wordt met behulp van een pomp 22 in de tweede kamer 7 gebracht. Tussen het vat 10 en de turbine 19 kan een warmtewisselaar 23 15 zijn geplaatst voor het opwarmen van uit het vat 10 afkomstig brandbaar gas, waardoor de druk en daarmee het rendement over turbine 19 verder kan worden verhoogd. De benodigde warmte is met voordeel afkomstig van de stroom die via warmtewisselaar 23', die met voordeel dezelfde is als warmtewisselaar 23, de 20 tweede kamer 7 verlaat.

De verbrandingsgassen kunnen, binnen het kader van de onderhavige uitvinding, ook worden toegevoerd aan een verdere inrichting voor het thermisch behandelen van een vloeistof, zoals een te vergassen koolstofhoudend materiaal-25 bevattende vloeistof, welke inrichting beschikt over een de warmte geleidende scheidingswand tussen een eerste kamer en een tweede kamer, alsmede een warmtegeleidend oppervlak voor het overdragen van warmte van verbrandingsgas op koudere vloeistof.

1006404

Claims

1. Werkwijze voor het thermisch behandelen van een te vergassen koolstofhoudend materiaalbevattende, waterige vloeistof, onder oplevering van een brandbaar gas, welke werkwijze de stappen omvat van: 5 i) het aan een reactor met een behandelingstraject toevoeren van de te vergassen koolstofhoudend materiaalbevattende waterige vloeistof; ii) het bij verhoogde temperatuur in aanwezigheid van water in het behandelingstraject vergassen van koolstof- 10 houdend materiaal onder oplevering van een brandbaar gas en een aan koolstofhoudend materiaal verarmde waterige vloeistof; iii) het scheiden van het brandbare gas en de aan koolstofhoudend materiaal verarmde waterige vloeistof; 15 iv) het toevoeren van een zuurstofomvattend gas aan de aan koolstofhoudend materiaal verarmde waterige vloeistof, waarbij zuurstof reageert met in de verarmde waterige vloeistof aanwezig koolstofhoudend materiaal onder oplevering van warmte; en 20 v) het overdragen van de warmte aan te vergassen koolstofhoudend materiaal.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk/ dat het vergassen in stap ii) geschiedt bij een temperatuur en druk gelijk aan of groter dan de kritische temperatuur en 25 druk van water.

3. Werkwijze volgens conclusie l of 2, met het kenmerk, dat voor het uitvoeren van stap iii) het te scheiden brandbare gas en de aan koolstofhoudend materiaal verarmde waterige vloeistof uit de reactor worden gevoerd en worden 30 afgekoeld onder oplevering van brandbaar gas en afgekoelde, aan koolstofhoudend materiaal verarmde waterige vloeistof.

4. Werkwijze volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het afkoelen in tegenstroom geschiedt met afgekoelde, aan koolstofhoudend materiaal en brandbaar gas verarmde vloeistof 35 onder oplevering van opgewarmde, aan koolstofhoudend materiaal en brandbaar gas verarmde vloeistof. 1006404

5. Werkwijze volgens conclusie 3 of 4, met het kenmerk, dat het zuurstofomvattende gas in de opgewarmde, aan koolstofhoudend materiaal verarmde waterige vloeistof wordt gebracht, zuurstof met in de verarmde waterige vloeistof 5 aanwezig koolstofhoudend materiaal reageert onder oplevering van warmte, welke warmte wordt afgestaan aan te vergassen van koolstofhoudend materiaal.

6. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het brandbare gas in een verbrandingsin- 10 richting wordt verbrand onder oplevering van elektriciteit en warmte.

7. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de bij het verbranden vrijgekomen warmte wordt benut voor het in tegenstroom verhitten van een te verwarmen vloeistof- 15 stroom.

8. Werkwijze volgens conclusie 6 of 7, met het kenmerk, dat de warmte wordt benut voor het in tegenstroom verhitten van afgekoelde, aan koolstofhoudend materiaal verarmde vloeistof.

9. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de te vergassen koolstofhoudend mate-riaalbevattende, waterige vloeistof wordt gekozen uit de groep van drijfmest en in water gesuspendeerde mest.

10. Inrichting voor het thermisch behandelen van een 25 te vergassen koolstofhoudend materiaalbevattende waterige vloeistof onder oplevering van een brandbaar gas en een aan te vergassen koolstofhoudend materiaalbevattende verarmde vloeistof, welke inrichting een vergassingsreactor omvat met een in hoofdzaak langwerpige eerste kamer en een in hoofdzaak 30 langwerpige tweede kamer, de eerste kamer een toevoeropening voor de thermisch te behandelen te vergassen koolstofhoudend materiaalbevattende waterige vloeistof omvat, de eerste kamer en de tweede kamer van elkaar worden gescheiden door een warmtegeleidende wand, welke warmtegeleidende wand een behan-35 deltraject definieert waarlangs de te vergassen koolstofhou dend materiaalbevattende waterige vloeistof en een door thermische behandeling aan te vergassen koolfstofhoudend materiaal verarmde vloeistof na afscheiding van het brandbare gas in tegenstroom kunnen worden gevoerd, de inrichting verder 1006404 middelen voor het scheiden van het brandbare gas en de door thermische behandeling aan koolstofhoudend materiaal verarmde vloeistof alsmede een afvoer voor het brandbare gas omvat, de tweede kamer verder is voorzien van een inlaatopening voor 5 het via een leiding en door middel van een pomporgaan onder verhoogde druk toevoeren van zuurstofomvattend gas aan de van het brandbare gas afgescheiden, door thermisch behandeling aan koolstofhoudend materiaal verarmde vloeistof, en een uit-laatopening voor een aan een thermische behandeling en een 10 oxidatie onderworpen vloeistof.

11. Inrichting volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat de middelen voor het scheiden van het brandbare gas en de door thermische behandeling aan koolstofhoudend materiaal verarmde vloeistof een warmtewisselaar omvatten.

12. Inrichting volgens conclusie 10 of 11, met het kenmerk, dat de inrichting middelen omvat voor het verbranden van het brandbare gas onder oplevering van elektriciteit en warmte.

13. Inrichting volgens conclusie 12, met het ken-20 merk, dat de inrichting verder een warmtegeleidend oppervlak omvat voor het aan ten minste één kamer overdragen van bij de verbranding vrijgekomen warmte.

14. Inrichting volgens conclusie 13, met het kenmerk, dat de eerste kamer de tweede kamer in de lengterich- 25 ting in hoofdzaak omgeeft, en het warmtegeleidende oppervlak de eerste kamer in de lengterichting in hoofdzaak omgeeft. 1006404