Een alternatief reactorontwerp voor het verwerken van biomassa

Het inzicht dat de oliereserves niet onuitputtelijk zijn groeit snel. Talrijke hernieuwbare energiebronnen, zoals zonne-energie, windenergie en het gebruik van biomassa, krijgen steeds ruimere aandacht. Bij het verwerken van biomassa wordt, net zoals bij het gebruik van aardolie, CO2 gevormd. Maar de gevormde CO2 wordt later weer opgenomen bij  de groei van nieuwe biomassa. Naar deze kringloop wordt daarom vaak gerefereerd als ‘CO2-neutrale cyclus’. Niettemin komen biomassacentrales die in Vlaanderen gebouwd zijn recent vaak op een negatieve manier in de media. In mijn scriptie wordt onderzoek gedaan naar alternatieve reactoren voor de verwerking van biomassa.

Pyrolyse als groen alternatief in een groene industrie

Hedendaagse biomassacentrales verbranden een combinatie van biomassa en afval. Bij de verbranding van biomassa wordt energie maar ook CO2 gevormd.   Een alternatief voor deze verbranding is pyrolyse van biomassa,  verbranding van biomassa maar dan in afwezigheid van zuurstof. Biomassa, zoals hout, biologisch afval en plantaardige oliën, is opgebouwd uit lange celluloseketens.  Bij het pyrolyseproces worden die ketens omgezet in kortere koolstofketens. Er wordt biogas zonder CO2 gevormd. Het pyrolyseproces is zeer efficiënt. Het merendeel van de energie in de biomassa komt in het biogas terecht. Bovendien is gas op een energie-efficiënte manier te transporteren. Het energierijke biogas hoeft niet noodzakelijk als brandstof, in  elektriciteitscentrales bijvoorbeeld, gebruikt te worden. Biogas kan ook omgezet worden in zogenaamde basischemicaliën voor de productie van een waaier van producten.

Vortexreactor als alternatief reactorontwerp voor pyrolyse

Het Laboratorium voor Chemische Technologie van de UGent werkt aan een nieuw reactorconcept om de pyrolyse van biomassa, vanuit verschillende invalshoeken, milieuvriendelijker te maken.  De pyrolyse van biomassa gebeurt, als gasfasereactie, in een ‘gefluïdiseerd bed’ reactor.  In zo’n reactor zweven vaste deeltjes, hier dus de biomassa deeltjes (vaak pellets genoemd), in het reactorvat. Er wordt stikstofgas onderaan door het reactorvat geblazen, maar de zwaartekracht vermijdt dat de deeltjes uit het reactorvat geblazen worden.  Tenminste, zolang er niet te veel stikstofgas door het vat geblazen wordt. Deze reactoren, die opereren in het zwaartekrachtveld, lopen in de chemische industrie momenteel wel tegen hun grenzen aan, zowel van productiecapaciteit als van afmetingen. Er is nood aan procesintensificatie. Zowel het opdrijven van de capaciteit, de vraag naar basischemicaliën blijft immers stijgen, als het reduceren van de reactorafmetingen, is belangrijk. Het Laboratorium voor Chemische Technologie werkt aan de ontwikkeling van een reactor waar afgestapt wordt van het werken in het zwaartekrachtveld, en in een centrifugaal veld gewerkt wordt.

Een centrifugaal veld kan gecreëerd worden door het geheel van de biomassa pellets in een roterend reactorvat te voeden. De werking van zo’n roterende reactor kan vergeleken worden met die van een wasmachine. Maar zelfs een  wasmachine, met een relatief klein roterend vat, maakt veel lawaai, en de minste ongelijke verdeling van de lading in het vat zorgt voor de nodige trillingen. Een roterend reactorvat met een diameter van twee meter, gevuld met biomassa pellets, kan dus moeilijk als interessant alternatief voor de klassieke reactor aan de industrie voorgesteld worden.

Aan het Laboratorium voor Chemische Technologie wordt daarom bestudeerd hoe je in een gefixeerd reactorvat de biomassa pellets toch kan laten ronddraaien. De injectie van het stikstofgas in het reactorvat, aan hoge snelheid en onder een hoek, heeft dit effect. Het stikstofgas neemt de biomassa pellets mee in de draaiende beweging en het centrifugaal veld is een feit. In deze centrifugaalreactor, de vortexreactor genoemd, worden  intensere contacten gerealiseerd tussen het stikstofgas en de biomassa pellets.  Deze intensere contacten resulteren in een betere uitwisseling van warmte tussen het stikstofgas en de vaste pellets. Door deze verbeterde warmteoverdracht neemt de snelheid van de reacties toe, gewenst voor een pyrolyseproces. Zowel een grotere doorvoer als een reductie van het reactorvolume is hierdoor mogelijk.

Reactoroptimalisatie met behulp van een computer

De ontwikkeling van een nieuw reactorconcept is één ding, de industrie overtuigen om te investeren in het nieuwe concept een ander. Het bouwen van een pilootopstelling, de reactor zelf maar dan op kleinere schaal, kost veel geld. Bovendien is de kans klein dat de gebouwde pilootopstelling direct ‘de’ optimale uitvoering van het concept is. Maar zelfs de kleinste aanpassing aan de pilootopstelling is duur. Al decennia maakt de industrie daarom gebruik van reactormodellen. Een model dat de reactor beschrijft, wordt ontwikkeld en de eigenschappen van de reactor worden berekend. De complexiteit van deze modellen en de voortdurende groei van computercapaciteit gaan hand in hand. Meer complexe modellen geven natuurlijk meer verfijnde resultaten. De bouw van een pilootopstelling kan vervangen worden door (lange) berekeningen uitgevoerd op een supercomputer. De rekenresultaten, die tot in het kleinste detail en op elke positie in het reactorvat kunnen geanalyseerd worden, leren wat de sterke en de zwakke punten van de reactor zijn. En door het stapsgewijs verfijnen van het reactorconcept om de sterke punten nog sterker te maken en de zwakke punten te elimineren, wordt een optimale uitvoering van de reactor ontwikkeld.  De bouw van een pilootinstelling blijft vaak nodig om de industrie te overtuigen om te investeren.

En verder…

In mijn thesis heb ik het concept, en meer bepaald verschillende geometrieën, van een vortexreactor in detail en stapsgewijs bestudeerd door modellering. Het hoofddoel van mijn onderzoek was de optimalisatie van het snelheidsverschil tussen het stikstofgas en de biomassa pellets. Een toename van het snelheidsverschil resulteert in een betere uitwisseling van energie en dus een verdere procesintensificatie, zoals beschreven. Er is echter een optimum. Wordt de snelheid van het stikstofgas te hoog dan zullen de biomassa pellets uiteindelijk ook in het centrifugaal veld meegesleurd worden uit het reactorvat. Verder werd de omzetting van biomassa in biogas in de reactor onderzocht. In de vortexreactor bleek deze beduidend hoger te zijn dan in de state-of-the-art reactoren. De resultaten van het onderzoek hebben ertoe geleid dat nu aan het Laboratorium voor Chemische Technologie een pilootopstelling wordt gebouwd om de pyrolyse van biomassa ook experimenteel te analyseren.  Mijn masterthesiswerk heeft hiermee een steentje bijgedragen om de pyrolyse van biomassa in vortexreactoren aan de industrie te presenteren als een economisch en ecologisch interessant alternatief voor de omzetting van biomassa.