PL249689B1

PL249689B1 - Method of integrating thermochemical conversion of biomass with water desalination

Info

Publication number: PL249689B1
Application number: PL437270A
Authority: PL
Inventors: Agnieszka Korus; Andrzej Szlęk; Marek Bryjak
Original assignee: Politechnika Slaska Im Wincent
Priority date: 2021-03-11
Filing date: 2021-03-11
Publication date: 2026-06-01
Also published as: PL437270A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób integracji termochemicznej konwersji biomasy z odsalaniem wody, który polega na tym, że biowęgiel jako produkt termochemicznej konwersji biomasy w postaci elektrody przepływowej kierowany jest do instalacji oczyszczania wody, gdzie w wyniku zjawiska elektrosorpcji jony obecne w zasolonej wodzie adsorbowane są na powierzchni biowęgla, po czym po odseparowaniu cząsteczek biowęgla od uzdatnianej wody otrzymuje się czystą wodę i materiał węglowy zawierający odseparowane jony, który zawracany jest do reaktora zgazowania, gdzie zachodzi proces termochemicznej konwersji biomasy.The subject of the application is a method of integrating thermochemical conversion of biomass with water desalination, which consists in the fact that biochar as a product of thermochemical conversion of biomass in the form of a flow electrode is directed to a water purification installation, where as a result of the electrosorption phenomenon, ions present in saline water are adsorbed on the surface of biochar, and then, after separating biochar particles from the treated water, clean water and carbon material containing separated ions are obtained, which is returned to the gasification reactor, where the process of thermochemical conversion of biomass takes place.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób integracji termochemicznej konwersji biomasy z odsalaniem wody przeznaczony do równoczesnej produkcji energii elektrycznej, ciepła i wody słodkiej, mający zastosowanie w inżynierii środowiska i energetyce.The subject of the invention is a method of integrating thermochemical conversion of biomass with water desalination for the simultaneous production of electricity, heat and fresh water, applicable in environmental engineering and energy.

Biomasa jest materiałem o rosnącym potencjale, ponieważ na równi z wykorzystaniem do produkcji energii odnawialnej nadaje się ona również do syntezy odczynników chemicznych oraz porowatych materiałów węglowych, mogących zastąpić sorbenty, filtry oraz katalizator y do tej pory produkowane w oparciu o paliwa kopalne, takie jak węgiel czy związki ropopochodne. Przemiana biomasy w biowęgiel zachodzi w warunkach podwyższonej temperatury, które skutkują odgazowaniem związków lotnych oraz rozpadem materii organicznej. Proces ten może być prowadzony zarówno w atmosferze inertnej (piroliza) jak i w obecności podstechiometrycznej ilości utleniacza (zgazowanie). W drugim z wymienionych wariantów, oprócz stałej pozostałości węglowej powstaje wysokokaloryczny gaz, który wykorzystywany jest do produkcji energii elektrycznej i ciepła. Przy zachowaniu odpowiednich warunków procesu, stała pozostałość (biowęgiel) może posiadać silnie rozwiniętą powierzchnię właściwą (>1000 m²/g) na którą składają się głównie mikropory (<2 nm). Przykładem technologii, w której formujący się biowęgiel osiąga parametry zbliżone do komercyjnych węgli aktywowanych jest instalacja dwustopniowego zgazowania (reaktor Viking) opracowana przez zespół badawczy z duńskiego uniwersytetu DTU (Ravenni et al., Fuel Processing Technology, 210 (2020) 106546).Biomass is a material with growing potential because, in addition to being used for renewable energy production, it is also suitable for the synthesis of chemical reagents and porous carbon materials, which can replace sorbents, filters, and catalysts previously produced using fossil fuels such as coal or petroleum derivatives. The conversion of biomass into biochar occurs at elevated temperatures, which result in the degassing of volatile compounds and the decomposition of organic matter. This process can be carried out either in an inert atmosphere (pyrolysis) or in the presence of a substoichiometric amount of oxidant (gasification). In the latter variant, in addition to the solid carbon residue, a high-calorific gas is produced, which is used to produce electricity and heat. When appropriate process conditions are maintained, the solid residue (biochar) can have a highly developed specific surface area (>1000 m ² /g), composed primarily of micropores (<2 nm). An example of a technology in which the formed biochar achieves parameters similar to commercial activated carbons is a two-stage gasification installation (Viking reactor) developed by a research team from the Danish university DTU (Ravenni et al., Fuel Processing Technology, 210 (2020) 106546).

Zjawisko elektrosorpcji wykorzystuje się m.in. w procesie dejonizacji pojemnościowej polega na wydzielaniu z roztworu jonów i naładowanych cząstek przy pomocy pola elektrycznego oraz ośrodka sorpcyjnego, rolę którego najczęściej odgrywa porowaty materiał węglowy. Elektrody węglowe powinny charakteryzować się dobrze rozwiniętą, mikroporowatą powierzchnią. Obecnie, najczęściej wykorzystywane są do tego celu dedykowane materiały takie jak nanorurki węglowe, komercyjne węgle aktywowane lub aerożele węglowe. Z uwagi na relatywnie krótką żywotność i wysokie koszty produkcji, eksploatacja syntetycznych elektrod węglowych znacząco wpływa na ekonomię procesu odsalania.The electrosorption phenomenon is used, among other things, in the capacitive deionization process. It involves the separation of ions and charged particles from a solution using an electric field and a sorption medium, most often a porous carbon material. Carbon electrodes should have a well-developed, microporous surface. Currently, dedicated materials such as carbon nanotubes, commercially available activated carbons, or carbon aerogels are most commonly used for this purpose. Due to their relatively short lifespan and high production costs, the use of synthetic carbon electrodes significantly impacts the economics of the desalination process.

Oprócz klasycznych rozwiązań wykorzystujących elektrody stałe, dynamicznie rozwijana jest również technologia elektrod przepływowych, w której proces elektrosorpcji zachodzi na cząsteczkach zawiesiny materiału węglowego, przepływającej przez celę elektrolityczną.In addition to classic solutions using solid electrodes, the technology of flow electrodes is also being dynamically developed, in which the electrosorption process takes place on particles of a suspension of carbon material flowing through an electrolytic cell.

W dotychczasowych rozwiązaniach zużyte elektrody poddawane są regeneracji, polegającej na desorpcji usuniętych jonów i powstawaniu odpadowej solanki. W niniejszym rozwiązaniu zawiesina biowęgla nasyconego jonami jest odseparowana z roztworu elektrody i zawracana do reaktora zgazowania, nie powodując powstawania odpadu.In existing solutions, used electrodes are regenerated by desorption of the removed ions, creating a waste brine. In this solution, the ion-saturated biochar suspension is separated from the electrode solution and recycled to the gasification reactor, eliminating waste.

Zagadnieniem technicznym wymagającym rozwiązania jest opracowanie nowego sposobu, który pozwalałby na synergiczne połączenie zgazowania biomasy z odsalaniem wody, skutkujące poprawą sprawności procesu zgazowania oraz obniżeniem kosztów i ilości generowanych odpadów w procesie odsalania.The technical issue that needs to be solved is the development of a new method that would enable a synergistic combination of biomass gasification with water desalination, resulting in improved efficiency of the gasification process and a reduction in costs and the amount of waste generated in the desalination process.

Cel ten osiągnięto poprzez wykorzystanie biowęgla, tworzącego się podczas zgazowania biomasy, jako elektrody przepływowej wykorzystywanej do elektrosorpcji jonów z odsalanej wody, skutkujące jednoczesnym usunięciem zanieczyszczenia z roztworu wodnego i naniesieniem na podłoże węglowe pierwiastków posiadających właściwości katalityczne. Sposób integracji termochemicznej konwersji biomasy z odsalaniem wody polega na tym, że biowęgiel jako produkt termochemicznej konwersji biomasy w postaci elektrody przepływowej kierowany jest do instalacji oczyszczania wody, gdzie, w wyniku zjawiska elektrosorpcji, jony obecne w zasolonej wodzie adsorbowane są na powierzchni biowęgla, po czym po odseparowaniu cząsteczek biowęgla od uzdatnianej wody, otrzymuje się czystą wodę i materiał węglowy zawierający odseparowane jony, który zawracany jest do reaktora zgazowania, gdzie zachodzi proces termochemicznej konwersji biomasy.This goal was achieved by using biochar, formed during biomass gasification, as a flow electrode for electrosorption of ions from desalinated water, resulting in the simultaneous removal of contaminants from the aqueous solution and the addition of catalytic elements to the carbon substrate. The method for integrating thermochemical biomass conversion with water desalination involves feeding biochar, a product of thermochemical biomass conversion, in the form of a flow electrode to a water purification system. As a result of electrosorption, ions present in the saline water are adsorbed on the biochar surface. After separating the biochar particles from the treated water, clean water and carbonaceous material containing the separated ions are obtained, which is then returned to the gasification reactor, where the thermochemical biomass conversion process takes place.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania przedstawiono na rysunku, który przedstawia schemat sposobu integracji termochemicznej konwersji biomasy z odsalaniem wody.The subject of the invention in an embodiment is shown in the drawing, which shows a diagram of the method of integrating thermochemical conversion of biomass with water desalination.

Sposób integracji termochemicznej konwersji biomasy z odsalaniem wody polega na prowadzeniu pojemnościowej dejonizacji wody przy użyciu elektrod przepływowych wykonanych z biowęgla (1) powstającego podczas zgazowania biomasy w reaktorze (2), jako elektrody przepływowej w reaktorze (3) do dejonizacji pojemnościowej wody słonej.The method of integrating thermochemical conversion of biomass with water desalination consists in carrying out capacitive deionization of water using flow electrodes made of biochar (1) produced during gasification of biomass in the reactor (2), as a flow electrode in the reactor (3) for capacitive deionization of salt water.

W pierwszym etapie, podczas termochemicznej konwersji w reaktorze zgazowania (2) powstaje stała pozostałość węglowa, która ulega interakcjom z produktami gazowymi oraz czynnikiem zgazowuPL 249689 B1 jącym, korzystnie powietrzem lub parą wodną w wyniku czego powstaje mikroporowaty materiał węglowy (1) o silnie rozwiniętej powierzchni właściwej. Biowęgiel (1) odbierany z reaktora zgazowania (2) kierowany jest do przygotowania elektrody przepływowej, która wprowadzana jest do reaktora (3) do dejonizacji pojemnościowej wody słonej. Pod wpływem różnicy potencjałów elektrycznych, w wyniku zjawiska elektrosorpcji, na przepływowej katodzie i anodzie adsorbowane są, odpowiednio, kationy (między innymi sodowe) i aniony (między innymi chlorkowe). Po odseparowaniu cząstek biowęgla od uzdatnionej wody otrzymuje się czystą wodę (4) i materiał węglowy (5), który zawracany jest do reaktora zgazowania (2), gdzie zaadsorbowane jony Na⁺ katalizują reakcję przemiany termochemicznej, zwiększając reaktywność wsadu reaktora i zwiększając selektywność reakcji w kierunku powstawania wodoru.In the first stage, during thermochemical conversion in the gasification reactor (2), a solid carbon residue is formed. This residue interacts with gaseous products and the gasifying agent, preferably air or steam, resulting in the formation of a microporous carbon material (1) with a highly developed specific surface area. Biochar (1) collected from the gasification reactor (2) is directed to prepare a flow electrode, which is introduced into the reactor (3) for capacitive deionization of salt water. Due to the difference in electrical potentials and the electrosorption phenomenon, cations (including sodium) and anions (including chloride), respectively, are adsorbed on the flow cathode and anode. After separating the biochar particles from the treated water, clean water (4) and carbonaceous material (5) are obtained, which is returned to the gasification reactor (2), where the adsorbed Na ⁺ ions catalyze the thermochemical conversion reaction, increasing the reactivity of the reactor feed and increasing the selectivity of the reaction towards hydrogen formation.

Sposób według wynalazku poprawia efektywność procesu zgazowania za sprawą sodu zaadsorbowanego na biowęglu. Metal ten posiada udokumentowane właściwości katalityczne (Huang et al., Biotechnology Advances 27 (2009) 568-572), które, podczas utleniania materiałów węglowych zwiększają szybkość a także selektywności tej reakcji w kierunku powstawania wodoru - najbardziej pożądanego składnika gazu procesowego. Biowęgiel jako półprodukt zgazowania, jest materiałem tanim i łatwo dostępnym, zatem wykorzystanie go do przygotowania elektrody przepływowej pozwala na pominięcie procesu regeneracji elektrod, polegającego na desorpcji usuniętych jonów i powstawaniu odpadowej solanki. Przy zastosowaniu regeneracji, żywotność elektrod jest ograniczona z uwagi na zatrucie zanieczyszczaniami i degradację mechaniczną cząsteczek zawiesiny, skutkując koniecznością utylizacji elektrody po określonej ilości cykli pracy. Wykorzystanie biowęgla, zawracanego do reaktora zgazowania, pozwala na uniknięcie powstawania odpadów z procesu odsalania wody, nie zwiększając ilości zanieczyszczeń generowanych podczas konwersji biomasy.The method of the invention improves the efficiency of the gasification process by using sodium adsorbed on biochar. This metal has documented catalytic properties (Huang et al., Biotechnology Advances 27 (2009) 568-572), which, during the oxidation of carbonaceous materials, increase the rate and selectivity of this reaction toward the formation of hydrogen—the most desirable component of the process gas. Biochar, as a gasification intermediate, is a cheap and readily available material, therefore using it to prepare a flow electrode allows for the omission of the electrode regeneration process, which involves the desorption of removed ions and the formation of waste brine. With regeneration, the electrode life is limited due to contamination by contaminants and mechanical degradation of the suspension particles, resulting in the need to dispose of the electrode after a specified number of cycles. The use of biochar, recycled to the gasification reactor, allows for the avoidance of waste from the water desalination process without increasing the amount of pollutants generated during biomass conversion.

Opłacalność wykorzystania biowęgla ze zgazowania jako elektrody przepływowej umotywowana jest malejącymi zasobami wody słodkiej oraz koniecznością zastąpienia kopalnych źródeł węgla paliwami odnawialnymi. Z uwagi na ograniczoną żywotność elektrod, łącząca się z koniecznością ich ostatecznej utylizacji, wykorzystanie do ich produkcji węgla lub produktów rafinacji ropy naftowej, np. koksu naftowego, nieodzownie związana jest z emisją dwutlenku węgla, podczas gdy wykorzystanie do tego celu pochodnych biomasy nie skutkuje zwiększeniem ilości CO2 cyrkulującego w biosferze. Metody wykorzystywane do tworzenia syntetycznych materiałów o zadanym rozkładzie porów i zdefiniowanej strukturze chemicznej powierzchni są czasochłonne i nieekonomiczne. Powstawanie biowęgla, półproduktu procesu zgazowania biomasy, nie powoduje zwiększenia emisji gazów cieplarnianych, a ponadto, przy odpowiednim prowadzeniu procesu, pozwala na zapewnienie ciągłego dostępu do taniego materiału o relatywnie stabilnych parametrach, wystarczających do prowadzenia na nim procesu elektrosorpcji. Odsalanie wody w procesie dejonizacji pojemnościowej z wykorzystaniem biowęgla ze zgazowania biomasy pozwoli na obniżenie kosztów uzdatniania wody, z uwagi na zastosowanie taniego i łatwo dostępnego materiału do wykonania elektrod przepływowych, ponadto, umożliwia uniezależnienie procesu od nieodnawialnych źródeł węgla, co przyczynia się do ograniczenia zmian klimatycznych. Wykorzystanie biowęgla w procesie elektrosorpcji nie powoduje utraty przydatności elektrody, która w dotychczasowych sposobach prowadzenia procesu, pomimo stosowania regeneracji z czasem ulega zużyciu i generuje odpad wymagający utylizacji. W przeciwieństwie do klasycznych materiałów syntetyzowanych na potrzeby procesu dejonizacji, elektroda wykonana z biowęgla, po wykorzystaniu jej do oczyszczania wody, stanowi wartościowy materiał, który współzgazowywany z biomasą ma potencjał do przyspieszenia jej konwersji oraz zwiększenia udziału wodoru w otrzymywanym gazie procesowym, a także dzięki katalitycznym właściwościom jonów metali alkalicznych (sodu) zaadsorbowanych na cząsteczkach biowęgla.The profitability of using biochar from gasification as a flow electrode is justified by dwindling freshwater resources and the need to replace fossil carbon sources with renewable fuels. Due to the limited lifespan of electrodes, which requires their ultimate disposal, using coal or refined petroleum products, such as petroleum coke, for their production inevitably generates carbon dioxide emissions, while using biomass derivatives for this purpose does not result in an increase in the amount of CO2 circulating in the biosphere. The methods used to create synthetic materials with a predetermined pore distribution and defined surface chemical structure are time-consuming and uneconomical. The production of biochar, a byproduct of the biomass gasification process, does not increase greenhouse gas emissions. Moreover, when the process is properly managed, it ensures continuous access to a low-cost material with relatively stable parameters sufficient for electrosorption. Water desalination through capacitive deionization using biochar from biomass gasification will reduce water treatment costs due to the use of a cheap and readily available material for flow electrodes. Furthermore, it allows the process to be independent of non-renewable carbon sources, contributing to climate change mitigation. Using biochar in the electrosorption process does not compromise the electrode's usefulness; despite regeneration, the electrode in current processes wears out over time and generates waste requiring disposal. Unlike traditional materials synthesized for deionization, an electrode made from biochar, once used for water purification, constitutes a valuable material that, when co-gasified with biomass, has the potential to accelerate its conversion and increase the hydrogen content of the resulting process gas, thanks also to the catalytic properties of alkali metal ions (sodium) adsorbed on biochar particles.

Claims

Patent claim

1. A method of integrating thermochemical conversion of biomass with water desalination, characterized in that biochar (1) as a product of thermochemical conversion of biomass in the form of a flow electrode is directed to a water purification installation where, as a result of the electrosorption phenomenon, ions present in saline water are adsorbed on the surface of biochar (1), and then, after separating biochar particles from the treated water, clean water (4) and carbon material (5) containing separated ions are obtained, which is returned to the gasification reactor (2), where the process of thermochemical conversion of biomass takes place.