Kontinuerlig HTL-reaktor ved SINTEF Energi

Om HTL

Hydrotermisk væskegjøring (HTL) er en termokjemisk prosess som utnytter vannet i råstoffet, ved prosessbetingelser der man unngår fordampningsvarmen for vann. Dette gjør prosessen svært interessant for råstoff med høyt fuktinnhold, som organiske restprodukter og slam. Teknologien bruker høye trykk og temperaturer der vannet er i sub- eller superkritisk tilstand. Under disse betingelsene endrer vannet sine fysiske og kjemiske egenskaper, noe som gir kjemiske reaksjoner som løser opp den organiske strukturen i biogene materialer og omdanner dem til drivstoffmellomprodukter.

Selv om HTL ennå ikke er kommersiell, regnes teknologien som svært lovende, også fra et teknisk-økonomisk synspunkt. HTL er for tiden under demonstrasjon.

Om den kontinuerlige HTL-reaktoren

Gjennom det norske nasjonale infrastrukturprosjektet NorBioLab2 har SINTEF Energi investert i et kontinuerlig HTL-minipilotsystem i laboratorieskala, installert i slutten av 2019. Reaktoren er bygget med forskningsfokus, for å studere råstofftyper og deres egnethet, samt driftsproblemer som uorganiske stoffers skjebne, korrosjon og effekten av trykkavlastning på disse. Minipiloten opererer typisk med 1 L/t slurrytilførsel med 10 vekt-% tørrstoffinnhold, og kan operere under toppmoderne betingelser, det vil si opptil 500 °C og 350 bar. Reaktoren er utstyrt med online gassmåling, som gir informasjon om volumer og typer gass som genereres. Ved å separere og analysere produktene kan man oppnå masse- og karbonbalanser.

Systemet har mulighet for å inkludere spenningsbelastede korrosjonsprøver for testing av materialer og sveiser i et reelt HTL-miljø. For å legge til rette for dette var det nødvendig med et relativt stort rom for å sette inn prøvene, og en CSTR-reaktor ble derfor valgt. Minipiloten er utstyrt med doble stempelpumper og et totrinns trykkavlastningssystem for å studere effekten av trykkavlastning på produktenes sammensetning og fordeling.

Tekniske spesifikasjoner

• Reaktortype: Kontinuerlig CSTR-reaktor
  • Internt volum 1000 ml
  • Indre diameter 80 mm
  • Indre høyde 200 mm
• Tilførselskapasitet: 0,5-2 L/t
• Forvarming til 500 °C
• Toppmoderne driftsbetingelser
  • 500 °C
  • 350 bar
• Dobbel pumpe
• Mulighet for totrinns trykkavlastning
• Online gassmåling
  • Gassvolum (gassmåler)
  • MikroGC for permanente gasser: CH₄, CO₂, CO, C2Hx, H₂
• Mulighet for å studere korrosjon (6 prøver per kjøring)
• I henhold til PED 2014/68/EU – CE-sertifisering
• Krav til råstoff: partikkelstørrelse under 120 µm, tilnærmet runde former og ikke-farlig materiale
• Tørking og maling er tilgjengelig som forbehandling

Screening av råstoff

Den kontinuerlige reaktoren kan brukes til å teste ulike råstofftyper og blandinger under ulike HTL-betingelser. Hvor mye bioolje man kan oppnå, avhenger av råstoffslurryen, aller mest av tørrstoff-, uorganisk- og karboninnholdet. For vedbasert biomasse produseres vanligvis mellom 50 og 100 g bioolje etter én kjøring.

Eksempler fra ulike nasjonale og EU-prosjekter

Råstofftyper, blandinger og HTL-driftsbetingelser ble studert for å avdekke hvordan driftsbetingelsene påvirker utbytte og kvalitet på bioolje, og hvordan ulike råstofftyper oppfører seg under HTL. Forsøkene ble utført under både sub- og superkritiske HTL-betingelser. Det må bemerkes at ulike råstofftyper krever ulike driftsbetingelser for optimal prosessering.

Korrosjonstester

Den kontinuerlige reaktoren gir mulighet til å undersøke korrosjon på ulike legeringer under reelle HTL-betingelser.

Korrosjonstestene utføres i samarbeid med Materialer og nanoteknologi i SINTEF AS.

Små C-ringprøver ble belastet til sin respektive flytegrense ved testtemperaturen, det vil si kompensert for nedgangen i styrke ved høy temperatur for hver legering. Prøvene ble satt inn i HTL-reaktorens indre rom og plassert adskilt med keramiske avstandsstykker.

Et eksempel fra EU-prosjektet BL2F, der målet med arbeidet var å eksponere industrielt relevante konstruksjonslegeringer for reelle HTL-betingelser og vurdere om de egner seg til bruk i et fullskalaanlegg. Stenger og muttere av samme materialkvalitet som C-ringene ble maskinert for å unngå galvanisk korrosjon. Deretter ble C-ringene forhåndsbelastet med strekklapper for å oppnå ønsket flytegrense ved HTL-temperaturen, 390 °C. I dette prosjektet ble det utviklet en modellsaltløsning for å hindre at det dannes et beskyttende biooljelag på legeringenes overflate. Etter testen ble legeringene rengjort og analysert med optisk mikroskop for å avdekke korrosjonsangrep og -typer på materialene.

Hydrotermisk gassifisering (HTG)

Katalytisk og lavtemperatur HTG kan allerede utføres i reaktoren opp til 500 °C. I løpet av 2026 skal riggen oppgraderes med en ny høytemperaturreaktor (HT) som kan operere ved temperaturer opp til 600 °C, samt en toppmoderne saltseparator som fjerner mesteparten av saltene fra råstoffet.

Eksempler på fordelene ved hydrotermisk behandling av biorestmaterialer finnes her.