Technologie hydrotermální konverze (testované společností DEKONTA)

DEKONTA, a.s. (www.dekonta.cz) je renomovanou společností poskytující služby v oblasti ochrany a dekontaminace životního prostředí. Byla založena v roce 1992 jako firma specializovaná na oblast biologického čištění kontaminovaných zemin. Zaměstnává 120 kvalifikovaných pracovníků. Ročně zpracovává nebezpečný odpad v množství v řádu statisíců tun a řeší stovky ekologických projektů.

V roce 2013 zahájila společnost díky podpoře Technologické agentury ČR přípravy na výstavbu v tuzemsku prvního demonstračního zařízení využívajího technologii tzv. hydrotermální konverze (SCWG - SuperCritical Water Gasification). Její zvláštností je velmi rychlá konverze organických látek ve vodní suspenzi za nadkritických podmínek na plynný produkt bohatý na metan a vodík.

Technologie je známá od 70. let minulého století, nicméně až v posledních cca 10 letech je vážně uvažována pro energetické zhodnocení odpadů či biomasy.

Využitelnost procesu SCWG ověřuje v laboratorních podmínkách několik pracovišť ve světě (např. Forschungzentrum Karlsruhe v Německu; Univerzita a National Institute of Advanced Science and Technology v Hirošimě, Japonsko; Natural Energy Institue na Havaji, USA; Pacific Northwest National Laboratory, Richland, USA; ETH Zurich, Švýcarsko; University of Leeds, UK; University of Twente, Nizozemí a další), realizovány jsou však již i pilotní jednotky (Holandsko, Německo). V SRN je pak již navíc v přípravě polokomerční provozní aplikace.

Tradiční metody „suchého“ zplyňování jsou limitovány zejména následujícími faktory: vysoká vlhkost materiálu dramaticky snižuje celkovou energetickou účinnost procesu (voda ze vstupního materiálu je nejprve odpařena), povaha heterogenních štěpných reakcí a jejich chemismus vede ochotně ke vzniku dehtů a nezreagovaných tuhých zbytků a tak vyžaduje navazující čistění produkovaných plynů (odstranění tuhých částic a dehtů). Tyto tradiční metody jsou stále ve stádiu vývoje a vhodným uspořádáním a technickými opatřeními lze produkci dehtů a nezreagovaných zbytků omezit či dokonce eliminovat. I v tomto případě však zůstává zásadním omezením limitovaná vlhkost zpracovávaného materiálu.

Zplyňování v prostředí vody v nadkritickém stavu (SCWG) naproti tomu cíleně probíhá ve vodném prostředí. Voda je zde jak rozpouštědlem, tak i reakční médiem. Obsah vody ve vstupním materiálu nemá sám o sobě dopad na celkovou energetickou účinnost procesu. Termokonverzní reakce navíc probíhají v homogenním prostředí a odpadají tak pomalejší heterogenní reakce mezi tuhou a plynnou fází, což a-priori snižuje produkci dehtovitých látek.

Z hlediska podmínek provozu můžeme rozlišit dva typy procesů. Při teplotách cca 400 – 550 °C je termodynamicky preferovaným produktem konverze metan a oxid uhličitý.

Voda se stává tekutinou v kritickém stavu při překročení kritického tlaku a teploty: 22 MPa a 374 °C. V okolí kritického bodu a v nadkritických podmínkách má voda zcela odlišné vlastnosti, než na jaké jsme zvyklí u vody za podmínek běžných. Podmínky existence nadkritického stavu jsou patrné z fázového diagramu vody. V nadkritickém stavu voda dramaticky mění v podstatě veškeré své vlastnosti. Uveďme například hodnotu relativní permitivity, která je u vody za běžných podmínek 80 a dělá z vody jedno z nejpolárnějších rozpouštědel. Hodnota 5 vody v nadkritickém stavu je naopak blízká organickým látkám (benzen 2,3; hexan 1,9), což prakticky znamená, že voda v nadkritickém stavu (Super Critical Water) se stává nepolárním rozpouštědlem a dobře rozpouští organické látky i plyny. Iontově rozpustné sloučeniny (soli) se naopak ve vodě za nadkritických podmínek přestávají rozpouštět. Mezi další velmi odlišné vlastnosti patří menší hustota, velmi malý iontový součin, malá viskozita a malé povrchové napětí. Všechny tyto vlastnosti poskytují velmi zajímavý potenciál pro řadu termochemických konverzních aplikací.

Mezi přednosti procesu SCWG patří zejména fakt, že voda je zde žádoucím rozpouštědlem a reakčním činidlem zároveň, což přináší výše zmíněné výhody. V principu není problémem i zpracování materiálu s nízkým obsahem hořlaviny (jednotky až desítky procent) Pro takové případy by bylo tradiční suché zplyňování energeticky zcela neúčinné. Výhody procesu SCWG spočívají i ve stavu produkovaných plynů, které jsou jednak již komprimované a jednak neobsahují nežádoucí nečistoty, čili odpadá jejich složité čistění. Vhodným uspořádáním lze navíc docílit separace jednotlivých složek plynu (zejména oddělení oxidu uhličitého) a to díky odlišné rozpustnosti ve vodě za vysokého tlaku. Další výhoda procesu spočívá v možnosti zpracování toxických či zdravotně nebo hygienicky závadných materiálů, protože za daných podmínek dochází k 100 % hygienickému zabezpečení/detoxikaci zpracovaného materiálu a to díky úplné mineralizaci. Tento fakt nabývá na významu například u materiálů vyžadujících dle platné legislativy pasterizaci nebo hygienizaci před jeho dalším zpracováním (například v bioplynové stanici). Srovnáme-li technologii SCWG s anaerobní fermentací (která rovněž zpracovává organické materiály s vysokou vlhkostí), je předností také mnohem menší rozměry zařízení a rychlejší průběh (doba zdržení max. jednotky minut).

Společnost DEKONTA v současné době dokončuje výstavbu pilotní jednotky pro testování SCWG technologie. Jednotka je koncipována pro průtok vody s organickým substrátem do 2 l/min, hlavní výměník tepla je navržen pro výkon 64 kW, instalovaná pec má příkon 40 kW. Technologie je navržena pro dosažení teplot 550 °C při tlaku 260 bar. V roce 2014 budou zahájeny provozní testy.

Níže jsou uvedeny fotografie pořízené během výstavby zařízení (prosinec 2013 - leden 2014).