Värmning av avloppsvatten med spillvärme för att förbättra kvävereningen energitekniska alternativ för värmning. Jenny Arnell

Transkript

1 Värmning av avloppsvatten med spillvärme för att förbättra kvävereningen energitekniska alternativ för värmning. Jenny Arnell Institutionen för Värmeteknik och Maskinlära CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA Göteborg 2002

2 Examensarbete utfört på Institutionen för värmeteknik och maskinlära, Chalmers tekniska högskola, Göteborg Handledare: Universitetslektor Lennart Persson Elmeroth, Chalmers tekniska högskola Examinator: Professor Thore Berntsson, Chalmers tekniska högskola Göteborg, mars 2002 Värmning av avloppsvatten med spillvärme för att förbättra kvävereningen energitekniska alternativ för värmning. Jenny Arnell

3 Abstract This thesis is based on an idea from Elforsk AB, a Swedish energy research foundation, to heat wastewater with waste heat to get a better nitrogen depletion in the sewage plant. In this work it is taken for granted that a temperature increase will improve the nitrogen reduction. This is due to the fact that bacteria growths faster up to C, based on theoretical assumptions. The aim of the work has been to come up with a solution how wastewater can be heated. One expected problem is fouling of the heat transfer area if not a good solution is found. The possibilities municipalities have to supply sewage water basins with heat have been analysed by studying two different municipalities. The two case studies have been the cities Göteborg and Linköping in Sweden. The two cities have different types of energy systems and sewage treatment plants. In Göteborg the district heating system is large with factories that deliver waste heat. The sewage treatment has to deal with large amount of wastewater due to the fact that separation of for e.g. precipitations is only partly done. The treatment system is modern and includes bio beds. In Linköping the district heating system is smaller but an expansion is planned. The sewage treatment in Linköping receives smaller amounts and more concentrated wastewater. The studied temperature levels, to which the heating should be done, are 15, 20, 25 and 30 C. The heat exchanger system will include an internal heat exchange so that as little external heat as possible has to be used. This results in small temperature difference in the heat exchangers. External heat source Internal heat recovery To manage the large amount, small temperature differences and also the fouling, shell- andtube heat exchanger with large heat transfer area and suitable continuous cleaning technique is required. The required area depends on the temperature increase. To manage the temperature increase several heat exchanger units have to be arranged in series. The heat exchangers have been designed using a process simulation program.

4 For each heat exchanger a cleaning technique is needed. The studied technique is the Taprogge-system with plastic balls that are pressed trough the tubes and removes the fouling. This cleaning is only possible inside the tubes so a internal circulating water system will be needed with the non-fouling fluid on the shell side. As a possible heat source in Göteborg is Shell oil refinery. They already deliver waste heat to the district heating system. There are sources in the refinery that could be used at this low temperature. Approximately 16.7 MW heat is available without competition for a possible delivery to the district heating system. Of the total heat demand, 70.5 MW, the remaining 53.8 MW would be sold for a heat price. This cost will be added to the municipality water cost. A gas fired combined heat and power plant is planned to be built close to the sewage treatment plant in Göteborg. By using the wastewater basin to decrease the return temperature of the district heating system could benefit future flue gas condensation and electricity production. Today there are in Linköping problems with too high return temperatures of the district heating system. A decrease of this temperature should result in an improvement of the fuel gas condensation at the waste heat plant MW extra heat could be used if the return temperature of the district heating system is decreased to 30 C. This heat would be free. The possible cost depends on the decided price of the heat. This cost will be added to the municipality water prise. A new boiler is planned to be built that also will benefit from a lower return temperature, both for heat and electricity production.

5 Sammanfattning Detta examensarbete bygger på en idé från Elforsk AB att värma avloppsvatten med spillvärme för att förbättra kvävereningen. I arbetet har förutsatts att en temperaturhöjning skulle förbättra kvävereningen. Detta beror på att de bakterier som finns i reningsstegen växer snabbare i temperaturer upp till omkring C vilket grundar sig på teoretiska antaganden. Målet med arbetet har varit att ta fram en lämplig metod för värmningen av det orenade avloppsvattnet. Det finns risk för kraftig försmutsning av de värmeöverförande ytorna om inte lämplig kontinuerlig reningsteknik används. Vilka möjligheter kommuner har att förse avloppsvattenbassängerna med värme har undersökts genom att studera två olika kommuner. De två fallstudierna har gjorts i Göteborgsoch Linköpings kommun. Dessa städer har olika typer av energisystem och avloppsreningsverk. Göteborg har ett stort och väl utbyggt fjärrvärmesystem med stora industrier som levererar spillvärme. Reningsverket, Ryaverket, har mycket stora flöden bland annat beroende på att dagvattnet endast är delvis avskilt. Reningsprocessen är modern med bland annat så kallade biobäddar. I Linköping är fjärrvärmesystemet mindre men utbyggnad är planerad. Reningsverket, Nykvarnsverket, arbetar med ett betydligt mindre och mer koncentrerat flöde än i Göteborgsfallet. De undersökta temperaturnivåerna, till vilka uppvärmning skulle ske, är 15, 20, 25 och 30 C. Värmeväxlingssystemet kommer att bestå av en internvärmeväxling för att endast behöva använda så lite extern värme som möjligt. Detta medför att temperaturdifferenserna i värmeväxlarna blir små. Extern värmekälla Internvärmeväxling För att klara stora flöden, små temperaturdifferenser och också försmutsningen kommer tubvärmeväxlare med stora värmeöverföringsytor att behövas. Den yta som krävs kommer att bero av den önskade temperaturhöjningen. För att klara av temperaturhöjningen kommer ett flertal värmeväxlingsenheter behöva kopplas i serie. Hur de stora avloppsvattenflödena skall värmas med värmeväxlare har simulerats i ett dataprogram.

6 Till varje värmeväxling behövs även en reningsteknik. Den teknik som valts är Taproggesystemet med skumplastbollar som pressas genom tuberna och avlägsnar försmutsningen. Med en möjlig rening endast inuti tuberna kommer ett internt cirkulerande vattensystem behövas med icke försmutsande flöde på mantelsidan. I Göteborg har som möjligvärmekälla studerats Shell Raffinaderi AB. De har redan idag spillvärmeleveranser till fjärrvärmenätet. På raffinaderiet finns ett flertal värmekällor som skulle kunna utnyttjas till den nu lägre temperaturen, jämfört med fjärrvärmereturen. Uppskattningsvis skulle 16,7 MW värme kunna tas tillvara utan konkurrens med en möjlig fjärrvärmeleverans. Utav det totala värme som behövs, 70,5 MW skulle de resterande 53,8 MW säljas till ett värmepris. Denna värmekostnad kommer att läggas till konsumenternas vattenkostnad. Göteborg Energi AB planerar att bygga ett gaskombikraftvärmeverk i närheten av Ryaverket. Genom att utnyttja avloppsvatten bassängerna som en värmesänka på fjärrvärmereturen skulle en framtida rökgaskondensering och elproduktion att gynnas. Tekniska Verken AB i Linköping har idag problem med en allt för hög fjärrvärmeretur. En sänkning av denna temperatur skulle medföra att rökgaskondenseringsanläggningen på Gärstadavfallsvärmeverk skulle kunna förbättras. Ytterligare 13,8 MW skulle kunna tillvara tas om fjärrvärmereturtemperaturen skulle sänkas till 30 C. Detta värme skulle i princip vara gratis. Den eventuella värmekostnaden beror av vilket pris Tekniska Verken AB väljer att sätta. Denna kostnad kommer att läggas till konsumenternas vattenkostnad. En tillbyggnad av en ny panna är även planerad som med en sänkt fjärrvärmeretur skulle kunna producera både mer värme och få en högre elproduktion.

7 Förord Jag vill tacka Gunnar Hovsenius, Miljöansvarig Elforsk AB för möjligheten att få utföra denna studie och ett alltid lika trevligt bemötande. I mitt examensarbete har flera parter varit inblandade och ställt upp med svar på mina frågor. Dessa vill jag tacka: Inge Lindahl, processingenjör Tekniska Verken i Linköping AB, Ebbe Edvinsson, Ingenjör Göteborgs Energi AB, Claes Wernersson, Senior processingenjör och Bengt Olofsson, processingenjör båda Shell Raffinaderi AB. Även till övriga hjälpsamma personer riktas ett stort tack. Jag vill särskilt tacka min handledare Lennart Persson Elmeroth, Universitetslektor Institutionen för Värmeteknik och Maskinlära Chalmers Tekniska Högskola, för allt intresse och många vägledande samtal.

8 Innehållsförteckning 1. Inledning Bakgrund Målsättning 4 2. Kommunala energisystem Fjärrvärmenätet Produktionsanläggningar Spillvärmeleveranser Rökgaskondensering 6 3. Värmeväxling av avloppsvattnet Värmeväxlartyper Plattvärmeväxlare Tubvärmeväxlare Spiralvärmeväxlare Reningstekniker Plattvärmeväxlare Tubvärmeväxlare Spiralvärmeväxlare 9 4. Avloppsreningsprocessen Simulerings- och designprogram för värmeväxlare Tekniskt utförande av värmeväxling Fallstudier Göteborg Rya avloppsreningsverk Uppvärmning Göteborg Energi ABs energisystem Möjlig värmekälla Värmeväxlarberäkningar Ekonomi Linköping Nykvarns avloppsreningsverk Uppvärmning Tekniska Verkens ABs energisystem Möjlig värmekälla Värmeväxlarberäkningar Ekonomi Diskussion och slutsatser 32

9 9. Referenser 35 Bilagor Temperatur - Effekt diagram Simulering Ryaverket Simulering Nykvarnsverket Värmeväxlingsberäkningar Resultatfiler CC-Therm Värmeförluster

10 1. Inledning 1.1 Bakgrund Detta examensarbete bygger på en idé från Elforsk AB. Idén består i att undersöka om det är gynnsamt ur kvävereningssynpunkt att ha en förhöjd temperatur på avloppsvatten genom att använda lågvärdiga energikällor. Tidigare har en förstudie [1] i ämnet gjorts. Dagens samhälle strävar också ständigt mot att klara av våra miljöproblem. Övergödning av sjöar och vattendrag är idag ett stort problem. I avloppsvattenreningsprocessen finns nitrifikationsbakterier vilka gynnas av en temperatur upp till ca 40 C. Nitrifikationsprocessen på reningsverken fungerar idag bättre sommartid då temperaturerna är högre. Om man vintertid skulle kunna höja avloppsvattentemperaturen skulle man kunna erhålla en ökad kväverening. I arbetet mot ett energieffektivare samhälle måste alla energikällor utnyttjas på bästa möjliga sätt. Som bakgrund till detta arbete är tanken att utreda möjligheten att ta tillvara värmekällor vid, även i fjärrvärmesammanhang, låga temperatur. Att hitta en lämplig värmesänka för ett fjärrvärmenät och på så sätt kunna få en effektivare energiutvinning är en önskvärd lösning i vissa kommuner. Möjligheten att hos tung industri effektivt tillvarata spillvärmekällor är även en avsikt. För att kunna utreda olika frågeställningar på ett verklighetstroget sätt har två olika kommunala fall kommit att studeras. Dessa fall har stora skillnader i avloppsreningsprocessen. De energisystem som finns i respektive fall skiljer sig dessutom avsevärt. En annan skillnad mellan de två fallen är också ägandeskapet. De kommuner som valts att studeras är Göteborg och Linköping. Avloppsreningsverket i Göteborg, Ryaverket, är mycket stort och modernt. Göteborg har idag flera stora spillvärmeleverantörer till fjärrvärmenätet, till exempel Shells raffinaderi. I Göteborg ägs fjärrvärmenätet av Göteborg Energi AB och Rya avloppsreningsverk av GRYAAB, båda är kommunägda. Detta medför att flera parter blir inblandade. Nykvarns avloppsreningsverk i Linköping är mindre och har krav på sig att förbättra sin kväverening. I Linköping skulle en värmesänka i fjärrvärmenätet vara gynnsamt. Fjärrvärmesystemet i Linköping och Nykvarns avloppsreningsverk har samma ägare, Tekniska Verken AB. För att utreda dessa frågor har arbetet delats upp i två delar. Ett examensarbete som utreder frågan om en temperaturhöjning av avloppsvattnet skulle vara gynnsam för de studerade processerna [2] som har genomförts parallellt med detta examensarbete där de energitekniska frågorna utretts angående uppvärmningstekniker och möjliga värmekällor i de båda studerade 3

11 fallen. De temperaturnivåer som analyserats i de båda examensarbetena är uppvärmning till 15, 20, 25 och 30 C. 1.2 Målsättning Målet för detta examensarbete har varit att inventera nya värmekällor som skulle kunna räcka för att klara uppvärmningsbehovet i bassängerna och undersöka tekniska alternativ det finns för att kunna värma det stora, orenade, avloppsvattenflöden. Genom att analysera två olika fall skulle det kunna dras slutsatser om vilka möjligheter som finns i svenska kommuner. 4

12 2. Kommunala energisystem 2.1 Fjärrvärmenätet Avsikten av ett fjärrvärmesystem är att förse städer och större tätorter med värme till fastigheter och varmvattensberedning. Fjärrvärmesystemet består av produktionsanläggningar, distributionssystem och abonnentcentraler. De produktionsanläggningar som finns i fjärrvärmesystemet kan vara av flera olika typer beroende på historik och lokala förutsättningar. Distributionssystemet består av framledningar med det uppvärmda vattnet från produktionsanläggningarna och returledningar med vatten som gett ifrån sig sitt värme. För att kunna använda sig av värmen i framledningen värmeväxlas det varma vattnet i abonnentcentraler till lokala system. Temperaturen i en framledning varierar beroende på vilka produktionsenheter som är i drift samt vilken temperatur utomhusluften har. En normal temperatur ligger omkring C beroende på system och årstid. Ett typiskt värde på returledningstemperaturen är C Produktionsanläggningar Med en produktionsanläggning för fjärrvärme menas en enhet som med hjälp av tillförd energikälla, bränslen, producerar hett vatten. Det finns en mängd olika typer av produktionsanläggningar som använder olika tekniker och olika bränslen. Vilka anläggningar som finns kopplade till fjärrvärmenätet är beroende av vilken kommun som studeras. Olika anläggningar används i olika utsträckning beroende på årsvariationer och konsumenternas behov. De anläggningar som är bäst ur miljöhänsyn och de som har lägst driftkostnad är de som används i störst utsträckning medan till exempel pannor med oljeeldning endast tas i bruk under mycket kalla perioder Spillvärmeleveranser Värme som i olika typer av industrier betraktas som ett kylbehov kan tas tillvara som så kallad spillvärme. Stora industrier såsom pappers- och massabruk och raffinaderier är processer med stora spillvärmemängder. För att ta tillvara detta värme kan procesströmmarna värmeväxlas direkt med fjärrvärmenätet eller via ett internt system för att motverka läckage från processen till fjärrvärmenätet. Vid låga temperaturer på spillvärmet kan en värmepump användas för att lyfta temperaturen till rätt nivå. Denna teknik utnyttjas idag till exempel för att ta tillvara värme i utgående avloppsvatten. Det renade avloppsvattnet från reningsverken betraktas som en spillvärmekälla där man med hjälp av en värmepump kan tillvarata vattnets värmeinnehåll som annars skulle gå direkt till recipienten. 5

13 2.1.3 Rökgaskondensering Rökgaserna från en panna innehåller vattenånga antingen från kemiskt bundet väte eller från fukt i bränslet. Fukt kan också tillsättas vid förbränningen. Genom att låta till exempel fjärrvärmereturen värmeväxla rökgaserna till låg temperatur så kan vattenångan kondensera ut. Detta innebär att stora mängder spillvärme kan tillvaratas. Genom att mer värme kan fås ut ur samma mängd tillfört bränsle så ökar pannans verkningsgrad. Varma rökgaser Fjärrvärmereturen Figur nr1: Schematisk bild över rökgaskondensering med fjärrvärmevatten. I en rökgaskondenseringsanläggning är det önskvärt att få en låg inkommande temperatur på fjärrvärmereturen så att mer vattenånga kan kondensera ut. Genom rökgaskondensering kan även de utgående rökgaserna renas effektivare. Detta gäller speciellt vid avfallsförbränning. Partiklar, tungmetaller och saltsyra kan infångas och på så sätt renas rökgaserna innan de lämnar verket. Alltså har rökgaskondensering förutom det ökade tillvaratagandet av energi även en positiv miljöeffekt. 6

14 3. Värmeväxling av avloppsvattnet Kvävereduktionen i avloppsreningsprocessen beror av temperaturnivån [2]. Vattnet håller vintertid relativt låga temperaturer vid vilka nitrifikationsbakterierna arbetar dåligt. Om det vintertid skulle vara möjligt att höja temperaturen på det orenade avloppsvattnet, till sommartemperaturer eller eventuellt högre, skulle kvävereningen kunna hållas på en högre genomsnittsnivå året runt. För att klara denna temperaturhöjning av det ofta stora vattenflödet krävs avancerad värmeväxlingsteknik. God värmeöverföring är en viktig faktor för att få god energiekonomi i värmeväxlarna. Då värmeväxlingen kommer att ske med försmutsande fluid förekommer problem. De värmeöverförande ytorna kommer snabbt att få en beläggning, så kallad fouling, vilket kraftigt försämrar värmeöverföringen. Biologiska mikroorganismer som används vid kvävereduktionen, mesofila bakterier, trivs vid temperaturer upp till ca 40 C. Detta medför att ett biologiskt skikt snabbt kommer att växa till på värmeväxlarytorna. Det smutsiga avloppsvattnet innehåller även en mängd partiklar vilket kan medföra partikeluppbyggnad på de värmeöverförande ytorna. För att kunna upprätthålla en god värmeöverföring krävs rening av värmeväxlarytorna. Olika typer av värmeväxlare har olika benägenhet för påväxningar och också olika möjligheter till reningstekniker. 3.1 Värmeväxlartyper Plattvärmeväxlare Plattvärmeväxlaren består av ett antal plattor sammansatta till ett paket. Plattorna är mönstrade för att skapa ett turbulent flöde och att upprätthålla en mekanisk stabilitet trots tungt material. Värmeöverföringen sker på så sätt att den kalla och den varma strömmen passerar på var sin sida om plattorna. Plattvärmeväxlaren finns i ett antal utföranden för att passa olika tillämpningar. Mycket smala passager i värmeväxlaren medför att större partiklar lätt kan sätta igen kanaler. Detta medför att flödet kommer att passerar genom en mindre del av värmeväxlaren och värmeöverföringsförmågan blir nedsatt Tubvärmeväxlare En tubvärmeväxlare består mycket enkelt av en cylindrisk mantel innehållande ett knippe tuber. De medier som passerar på mantel respektive tubsidan värmeväxlas. Tubvärmeväxlare kan konstrueras för att klara stora flöden och höga temperaturer. Tillräckligt höga mastigheter 7

15 på mantelsidan kan erhållas med hjälp av tvärsgående plåtar, bafflar, som ger upprepad korsström. Avvikelse från ren motströms värmeväxling blir då inte vara så stor. Då tuberna har små diametrar kan stora partiklar medföra igensättning. En eventuell igensättning av tuber i värmeväxlaren medför en kraftig försämring av värmeöverföringen Spiralvärmeväxlare Spiralvärmeväxlaren är uppbyggd av två plåtar snurrade så att de bildar två kanaler. Den varma och den kalla strömmen går i motström. Den kalla strömmen går i den yttre kanalen vilket gör att värmeöverföringskoefficienten blir hög och att värmeförlusterna blir små [3]. Spiralvärmeväxlarens design medför att den har en självrenande effekt [3]. Eftersom det endast finns en kanal för vardera varm och kall ström blir foulingen mycket begränsad. Uppbyggnader och påväxningar på ytorna medför att strömningshastigheten lokalt ökar och sliter bort de beläggningar som bildats. Denna värmeväxlare kan endast byggas med en maximal värmeöverföringsyta på 500 m 2 [3], vilket medför att den inte är lämplig för de båda fallen i denna studie då mycket stora ytor kommer att krävas. 3.2 Reningstekniker För att kunna erhålla en bra värmeöverföring krävs att ytorna i värmeväxlaren kan hållas rena. Rengöringsmetoden väljs beroende på typ av värmeväxlare och typ av process. I litteraturen [4] finns flera tekniker för att hålla värmeväxlare rena Plattvärmeväxlare Plattvärmeväxlare kan rengöras under ett driftstopp. Värmeväxlaren skruvas isär och rengöringen sker manuellt. Detta är dock en metod som kan medföra problem. Det är svårt att efter en isärtagning av delarna få alla packningar att sluta tätt igen. Detta gäller speciellt vid låga temperaturer. Även rengörning under drift är möjlig då med hjälp av kemikalier eller bakblåsning. Alfa- Laval har framtagit en teknik, Clean In Place, för rengöring utan nermontering med hjälp av kemikalier, vilket kan medföra säkerhetsrisker. 8

16 3.2.2 Tubvärmeväxlare För tubvärmeväxlare finns tekniker som inte medför ett driftstopp. Dock finns endast tekniker för kontinuerlig renhållning inuti tuberna. För tubernas utsidor är det nödvändigt med manuell rengöring. För att klara av att genomföra en kontinuerlig rengörning krävs alltså att den orena vätskan passerar inuti tuberna och att mediet på utsidan ej är försmutsande. En beprövad teknik är att låta skumplastbollar, Taprogge teknik [5], följa med flödet genom tuberna för att avlägsna smuts på väggarna. Bollarna passerar kontinuerligt genom tuberna så att ingen beläggning kan byggas upp och en bra värmeöverföring kan uppehållas. För att ta bort partikellager och biofilmsbildning på väggarna har bollarnas diametrar gjorts 1-2 mm större än tubdiametern för att de skall pressas mot tubväggarna. Investeringskostnaderna för ett Taprogge-system är höga. Denna teknik används med bra resultat i avloppsvattenförångare på Rya värmepumpstation, tillhörande Göteborg Energi AB. Borstar [4] som följer med flödet är en teknik som bygger på samma princip som med skumplastbollarna. Eventuella påväxningar borstas bort från väggarna så att de värmeöverförande ytorna hålls rena. För att denna teknik skall kunna användas krävs raka tuber. Borstarna följer med flödet i tuberna, samlas upp vid ena sidan och efter en tid vänder flödet och de följer med tillbaka. Luft- eller gasinjektion [4] är en rengöringsteknik där man skapar hög turbulens nära ytorna då luften eller gasen passerar. På så sätt begränsas möjligheten till påbyggnad av partiklar på väggarna och beläggningar avlägsnas. Fluidiserad bäddvärmeväxlare [6] bygger på principen att små fasta partiklar hålls svävande. Partiklarna kommer ständigt i kontakt med värmeväxlarytorna och avlägsnar påväxningar genom en gnuggande effekt. Även för tubvärmeväxlare kan problemen med påväxningar lösas med manuell rengöring. Detta är dock ingen bra metod för avloppsvatten då det kommer att krävas att man rengör mycket ofta. Kraftfulla metoder kan ofta vara nödvändiga för att klara av att få rena ytor, ibland krävs även kemikalier Spiralvärmeväxlare Spiralvärmaren har som tidigare nämnt en självrenande effekt. Vid mycket kraftig försmutsning av värmeöverföringsytorna kan dock manuell rengöring vara nödvändig. Locket på spiralvärmeväxlaren kan monteras av för att komma åt ytorna. För att rengöra ytorna kan kemisk rening vara möjlig. 9

17 Bolluppsamlare Bollpump Inkommande flöde Utgående flöde Figur nr2: Rengöringssystem med hjälp av skumplast bollar av fabrikat Taprogge. 10

18 4. Avloppsreningsprocessen En avloppsreningsprocess består av ett flertal olika reningssteg. Hur processen är uppbyggd och vilka steg som ingår är beroende av hur väl utvecklat reningssystemet är. Vad som är gemensamt för de flesta reningsprocesser är en första rening av grovt smuts i ett galler. Här avlägsnas större föremål så som bomullspinnar och liknande. Sand avlägsnas i ett sandfång. Efter denna grovrensning passerar vattnet genom ett försedimenteringssteg. I vattnet finns stora partiklar som sjunker till botten och bildar ett slam. Avloppsvatten Galler Sandfång Försedimentering Figur nr3: Mekanisk rening av avloppsvatten Efter denna mekaniska rening finns ett flertal steg för att sänka halterna av fosfor och kväve i avloppsvattnet. Både fosfor och kväve är ämnen som åstadkommer gödning av sjöar och vattendrag. Stora mängder kväve och fosfor medför övergödning och syrefattiga bottnar i känsliga recipienter. Det är därför viktigt att kunna reducera dessa komponenter så mycket som möjligt. Kvävereduktion sker genom två delprocesser. Först omvandlas ammoniumjoner till nitrat, nitrifikation. Denna process behöver syre, aerobmiljö. Bakterierna som omvandlar ammonium till nitrat är temperaturkänsliga, mesofila, vilket innebär att de växer snabbt i miljöer upp till ca 40 C. Nitrifikationsprocessen skulle därför gynnas av en förhöjd temperatur. NH O2 NO3 + H 2O + H Nitrifikation Efter nitrifikationen följer denitrifikationsprocessen där nitratet omvandlas till kvävgas. Denna process är anaerob, syrefri, och är inte lika temperaturberoende. 11

19 + C6H12O6 + 2 NO3 + 2H 2,5CO2 + N 2 + 3, 5H 2O Denitrifikation Nitrifikation- och denitrifikationsbassänger Sedimentering Figur nr4: Biologiskt reningssteg, aktivslam process. Olika metoder används för att uppnå önskad kväverening. Aktivslamprocessen är den vanligaste metoden. Här förs avloppsvattnet genom bassänger innehållande ett aktivt slam. En bassäng luftas för att gynna nitrifikationsprocessen och en bassäng hålls syrefri för att gynna denitrifikationsprocessen. Efter dessa båda bassängerna följer en sedimenteringsbassäng där slammet sjunker till botten och återförs till nitrifikationsbassängen. Biobäddar är ett annat exempel på nitrifikation. Där sprids avloppsvattnet över en bädd innehållande ett polymermaterial som ger en stor inre yta där bakterierna kan växa. Efter följer en syrefri denitrifikationsbassäng. Ett annat sätt att erhålla önskad rening är att använda en våtmark där vattnet leds ut över ett mycket stort område med god luftning till en början och med syrefritt mot slutet. För att reducera mängden fosfor i avloppsvattnet tillsätts fällningskemikalier, ofta järn, för att kunna avskilja detta som ett slam. Fällningskemikalier Flockning Sedimentering Renat vatten Figur nr5: Kemiskt reningssteg. I bassängerna kommer värmeförluster, genom förångning av vatten till luften, att ske. Vad som kompenserar denna temperatursänkning är det reaktionsvärme som erhålls från 12

20 nitrifikationen. Genom de erfarenhetsvärden som idag finns från avloppsreningsverken har utgående avloppsflöde ungefär samma temperatur som ingående. Vid luftning förekommer en viss värmeförlust denna försummas här, se bilaga F. 13

21 5. Simulerings- och designprogram för värmeväxlare För design av värmeväxlarenheter kan ett värmeväxlarsystem byggas upp i processimuleringsprogrammet Chem-Cad. Det uppbyggda systemet kan ges önskade indata och med tillräcklig uppsättning indata kan programmet köras. Efter en körning kan övriga processdata för strömmarna avläsas. För att kunna dimensionera en given värmeväxling används funktionen CC-Therm [11]. Genom att välja alternativet Sizing- Shell & Tube kan den aktuella värmeväxlingen dimensioneras. Tillåtna maximala värden på tryckfall och linjära hastigheter på tub- och mantelsidan anges. Hur många stråk som aktuell värmeväxlare skall ha anges även. För att klara små temperaturdifferenser är det nödvändigt att endast ha ett stråk. Varje värmeväxling kan bestå av ett antal serie eller parallell kopplade enheter. Desto fler serie- eller parallellkopplade enheter ju mindre total värmeväxlaryta behövs. Detta medför mindre värmeväxlarkostnad dock kostar varje extra enhet. Programmet anger inte självt hur många enheter i serie eller parallellt som är optimalt utan detta måste anges. Figur nr6: Exempel på seriekopplade värmeväxlarenheter i CC-Therm. Design av värmeväxlingen sker genom att beräkning görs för respektive ingående enhet. I en resultatfil kan värden för mantelstorlek, tubantal och tubdiametrar, nödvändig och designad värmeöverföringsyta med mera avläsas. 14

22 6. Tekniskt utförande av värmeväxling Flödet på avloppsvattnet är stort och skulle medföra onödigt stora effekter vid uppvärmning. För att behöva använda så lite tillförd värme som möjligt används en internåtervinning av värmet i utgående flödet. För att få en fungerande värmeöverföring krävs som tidigare nämnts, reningssystem i värmeväxlarna. Efter diskussion med Alfa-Laval [3] har val av värmeväxlartyp gjorts. Idéen att använda plattvärmeväxlare, som föreslagits i förstudie [1], förkastades relativt snabbt då det hårt smutsade avloppsvattnet skulle snabbt sätta igen de smala passagerna och orsaka försämrad värmeöverföring. För att klara av att upprätthålla en hög värmeöverföring krävs ett reningssystem. Plattvärmeväxlare kan relativt lätt renas på plats med en så kallad CIP-metod (Clean In Place) [3]. Denna rening av plattvärmeväxlaren sker med hjälp av kemikalielösning. Detta skulle dock kräva täta driftstopp. Denna metod anses inte heller ur miljöhänsyn vara en bra metod för att nå en förbättrad kväverening. Möjligheten att använda sig av spiralvärmeväxlare har utvärderats. Den stora fördelen med denna värmeväxlartyp är som tidigare nämnts, att då det endast finns en kanal för varm respektive kall ström kan igensättnings betingad fouling inte lika lätt förkomma. Detta skulle alltså medföra att ingen reningsteknik krävs. Spiralvärmeväxlaren skulle i de fall som studerats dessa vara allt för liten. Dock skulle detta kunna vara en möjlig lösning, med eventuellt flera parallella enheter, för kommuner med mycket små avloppsvattenmängder. För att klara av stora avloppsvattenflöden och den fouling som denna typ av vatten medför krävs stora ytor med möjlighet till kontinuerlig rening. Tubvärmeväxlare kan göras mycket stora och det finns idag beprövade reningsmetoder. Den teknik som valts är den så kallade Taprogge-tekniken [5] som tidigare har beskrivits. Det krävs då att det smutsiga avloppsvattnet passerar inuti värmeväxlarens tuber. Alltså måste ett cirkulerande system byggas för att klara av att växla ingående mot utgående avloppsflöde. Den interna värmeåtervinningen består av ett slutet cirkulerande medium, här har vatten valts, som överför värme från utgående till ingående. Här skulle uppvärmningen kunna ske genom värmepumpning genom ett liknade internt cirkulerande medium men eftersom grundtanken är att ta tillvara outnyttjat spillvärme har inte denna frågeställning utretts. Trycket hos den externa värmekällan är högre än det tryck som avloppsvattnet har i tuberna, detta är en nödvändighet då avloppsvatten ej får läcka in i till exempel det rena fjärrvärmevattnet. 15