JTI Institutet för jordbruks- och miljöteknik. Tekniskt jordbruksinstitut med tydlig miljö- och energiprofil

Transkript

1 JTI Institutet för jordbruks- och miljöteknik Tekniskt jordbruksinstitut med tydlig miljö- och energiprofil

2 JTI är en del av SP-koncernen Ingår i SP-koncernen tillsammans med sex systerbolag: SP, SIK, CBI, Glafo, YKI och SMP Tillsammans är vi kvalificerade agronomer, civilingenjörer, tekniker, doktorer, docenter m.m.

3 Detta är JTI Vision JTI är ett självklart val för företag inom jordbruks- och miljöteknisk utveckling Affärsidé Vi utvecklar jordbruks- och miljöteknik för näringslivets konkurrenskraft

4 Intressenter i JTI AGCO Agria Djurförsäkring Agromiljø A/S Akron-maskiner Browik Installation DeLaval International Dina Försäkringar Disperator Götene Gårdsgas Hushållningssällskapens Förbund HS Kristianstad Ideon Agro Food Jordbrukstekniska föreningen Kommunal Lantmännen LRF Länsförsäkringar Partnerskap Alnarp Perstorp Ragnar Sellbergs Stiftelse Ranaverken Rekordverken Sweden SITA Sverige SLA, Skogs- och Lantarbetsgivareförb. Sveaverken Svebio, Svenska Bioenergiföreningen Svensk Mjölk Sveriges Frö- och växtodlare Tekniska Verken i Linköping Tornum Uppsala Vatten och Avfall Vafab Miljö Växjö kommun WSP Sverige AB Överums Bruk

5 JTI:s ämnesområden Jordbruk Miljö Energi

6 Miljö Vi fokuserar på teknik som kan skapa hållbara kretslopp Utvinning av biogas ur organiskt material som avlopp, avfall och fienergigrödor System för att hantera livsmedelsavfall från bostäder, grossister, butiker och itindustrin Utvecklar, utformar och utvärderar småskaliga VA-system

7 Miljösektionen på JTI erbjuder Tillämpad biogasforskning i lab-, pilot- och fullskala Process- och teknikutvecklingsprojekt Förstudier för nya typer av biogasanläggningar Beräkning av biogasutbyte från olika typer av substrat Analys av hushålls- och verksamhetsavfall Provning och utvärdering av avloppsanläggningar Kunskapscentrum för små avlopp

8 Mobil pilotanläggning för biogasförsök Gustav Rogstrand, Forskare JTI - Institutet för jordbruks- och miljöteknik

9 Omvärldsanalys Vilja att nyttja kapaciteten i rötkammare vid avloppsreningsverk effektivare optimering Ambition att ta in nya substrat ombyggnad Skärpning av hygieniseringskrav energieffektivisering Ambition att sluta kretslopp rötrestkvallitet Många tillämpade frågeställningar i anslutning till denna utveckling

10 Varför pilotanläggning och varför i så fall mobil? Ger mer verklighetstrogna tillämpade resultat än labskala Riskfyllt med tillämpade försök vid produktionsanläggning Finns bara ett fåtal fasta pilotanläggningar i Sverige Mer rättvisande resultat om piloten får samma dagliga substratvariation som produktionsanläggningen Mobil teknik ger möjlig tillgång till pilotanläggning oavsett produktionsanläggningens geografisk placering Lokal personal kan testköra olika alternativ utbildning och förankring

11 Vår pilotanläggning - avskalad 600 liter hygieniseringstank För torrare substrat Kraftig blandare Spädning med rötslam Mottagningstank Buffert Blandning Spädning med rötslam Rötkammare 5000 liter Vågceller Alla fyra tankar står på vågceller för exakt flödesmätning Sönderdelningsutrustning Utbytbar - plats för alternativ behandling, exempelvis dispergering eller tillsatsdosering 300 liter hygieniseringstank För lättflytande substrat

12 Vår pilotanläggning - data Funktion Kapacitet Rötkammarvolym 5m 3 (totalt inkl gas 6 m 3 ) Processtemperatur C Uppehållstid dagar Processkapacitet kg våtvikt/dag, 0,5 25 Nm 3 biogas/dag Hygieniseringskapacitet kg/omgång (pastörisering max 80 C) Sönderdelning Valbar (ombord eller extern) Värmesystem Egen elpanna ombord 26 kw Ventildrivning Egen kompressor ombord Gasbehandling Gasklocka och egen automatiserad fackla ombord Gasvolymmätning Kontinuerlig online fluidistor Gaskvalitetsmätning Kontinuerlig online CH 4, CO 2, O 2 och H 2 S Styrning PLC helautomatik med fjärrstyrning och loggning via 3G

13 Möjliga substrat Avloppsslam Fettavskiljarslam Diverse restprodukter från livsmedelsindustrin Källsorterat matavfall Slakterirester (de fraktioner som tillåts enligt ABP) Slam från massaindustri Gödsel Växtodlingsrester Energigrödor

14 Möjliga arbetsområden Prova samrötning med nya substrat Prova rötning vid högre TS och högre biologisk belastning Utvärdera tvåstegsrötning Testa effekten av olika uppehållstid Mesofil v.s. termofil rötning Hygienisering via termofil rötning v.s. pastörisering Studier av rötrestkvallitet Komponenttester vid olika processförhållanden Prova på biogasproduktion vid anläggningar som idag inte aktivt producerar biogas Demonstrationer och utbildningar

15 Några detaljbilder Rötkammare Mätinstrument för biogasvolym och koncentration Gaslagningssäck Hygieniseringstankar

16 Några detaljbilder Fackla Excenterskruvpumpar Manöverpanel El och styrsystem Frekvensomvandlare Bufferttank

17 Flödesschema

18 Relationsritning - från vänster

19 Relationsritning - uppifrån

20 Anläggningen växer fram i JTI s verkstad

21 Effektiv slamrötning - ett projekt vid Sundets ARV i Växjö

22 Bakgrund Växjö behöver mer fordonsgas för sina stadsbussar Beslut att starta insamling av matavfall och samrötning med avloppsslam Detta kräver om- och tillbyggnad av ARV Det innebär också hygieniseringskrav Växjö kommun är intressent hos JTI i en intressentdiskussion föreslog JTI en processkonfiguration där efterrötning energimässigt betalar för hygieniseringen Den mobila pilotanläggningen användes i ett projekt för att testa om detta kunde fungera

23 Förutsättningar Sundets ARV skall alltså ändå bygga ytterligare rötkammarkapacitet Förslaget var att nybyggd rötkammarkapacitet då kan läggas i serie i stället för parallellt med existerande rötkammare Vidare att hygieniseringssteget placeras mellan första och andra rötningssteget och att en delavvattning sker innan hygieniseringen för att inte spendera onödig energi på att koka en massa vatten Frågeställningarna var: Finns det mer biogas att hämta ut rötslammet och är det i så fall tillräckligt för att energimässigt betala för pasteurisering? Kan vi på ett enkelt sätt avvattna rötslam från ca 3,5% ts till ca 10 % ts mellan rötstegen? Kan vi pumpa och få en helomblandad eftrrötningsprocess vid höga ts-halter, vilka tryck uppstår i ledningar och vilken viskositet får vi? Ger delavvattningen ett acceptabelt rejekt?

24 1 2 Försöksuppställning Sundets ARV 5 Mobil pilotanläggning Försökslängden var tre uppehållstider á 22 dagar för rötkammare Substrat Förtjockare Rejektvatten Dispergering Bufferttank Hygienisering Sundets rötkammare 1 Rötkammare Rötrest Sundets centrifug 9 Verkets stora Delflöde rötkammare till projektspecifik jobbar på som vanligt och utrustning Mindre producerar delflöde som gas hyrdes till pilotanläggning in för test. ca 120 m3 Kördes slam/dygn 250 kontinuerligt liter och / dygn, dagtid 5 beskickningar 0,6 Nm 3 biogas/m av ca 3 rötkammaren, mdygn 3 63 % 8 á h/dygn CH 45 4 kg/gång

25 Gasproduktion och sammansättning [Nm 3 /m 3 aktiv & dygn] 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Biogas Metan Specifik metanproduktion [Nm 3 /ton VS ] Biogasproduktion och metanproduktion under försöksled Koncentration [vol %] Den specifika metanproduktionen Metan Koldioxid Koncentration av metan och koldioxid i biogasen

26 Sundets ARV Mobil pilotanläggning Utrötningsförsök 1 Substrat 2 Förtjockare Rejektvatten 3 Dispergering 5 Bufferttank 6 Hygienisering 7 8 Sundets rötkammare 1 Rötkammare Rötrest Satvis utrötning. Växjö I Sundets centrifug Växjö Prov 1; Ackumulerad gas. N-mL CH4 / g VS Förändring Förändring över Förändring RK1 över Förändring (1-2) över över hyg.tanken avvattning över RK2 bufferttanken och (6-7) dispergering (7-8) (5-6) (2-5) Växjö Prov 7; 148 Växjö Prov 6; 138 Växjö Prov 2; 131 Växjö Prov 5; 118 Växjö Prov 4.1; 72 Växjö Prov 1 Växjö Prov 2 Växjö Prov 3 Växjö Prov 4.1 Växjö Prov 5 Växjö Prov 6 Växjö Prov 7 Växjö Prov 8 Växjö Prov 4,2 50 Växjö Prov 4,2; Tid (dagar)

27 Rejektet Tabell 1 Massflöden av ammonium och fosfat baserat på viktade koncentrationer utifrån volymsflödesförhållande mellan 4.1 (95%) och 4.2 (5%) Rejektflöde Ton/dag Ammoniumhalt kg/ton Fosfathalt g/ton Massflöde ammonium kg/dag Massflöde fosfat g/dag 250 0,33 1,01 82, ,33 1, ,33 1,

28 Tungmetaller Tabell 1 Koncentration av tungmetaller [g/ton] i punkt 2 och 8 samt kvoten mellan metall och total-p [ppm] i respektive punkt Punkt 2 [g/ton] Kvot mellan metall och total-p [mg/kg] Punkt 8 [g/ton] Kvot mellan metall och total-p [mg/kg] As 0, ,20 77 Ba 7, , Cd 0, ,08 30 Co 0, , Cr 0, , Cu 8, , Hg 0, ,04 16 Ni 0, , Pb 0, , V 0, , Zn 16, , Total-P

29 Massbalans Teoretiskt skulle de åtgå ca 1,6 MWh/dag för att hygienisera slamfödet enligt bilden ovan. Enligt Växjös konsulter skulle motsvarande designsiffra vara 1,9 MWh/dag inklusive förluster.

30 Försöksled 1 hur gick det?? Process-parameter Sista uppehållstiden Sista veckan Projektmål Enhet Biologisk belastning 2,47 2,49 3,2 kg VS/m3 Metanhalt 74,2 74,7 60 % Utrötningsgrad 11,8 11,9 N/A % TS in till efterrötning 8,8 9,0 10 % Spec. metanprod liter CH 4 /kg VS och dag Biogasprod. 0,38 0,41 0,632 Nm3 biogas/m3 Metanprod. 0,28 0,30 0,38 Nm3 CH4/m3 Ökning av metanprod. Ökning av energiproduktion % 2,0 2,1 2 X teor. Hyg. = 3,2 MWh/d

31 Varför nådde vi inte ända fram energimässigt?? Gasproduktion och biologisk belastning för Sundets rötkammare Vår försöksperiod 4,0 3, ,0 Nm 3 /dag ,5 2,0 1,5 Kg VS/ m 3, dag Gasproduktion 2010 Gasproduktion 2011 VS in till verket 2010 VS in till verket , ,5 0 Jan Feb Mars April Maj Juni Juli Augusti Sept Okt Nov Dec Axelrubrik 0,0

32 Slutsatser Det finns tillräckligt med gas kvar i rötat avloppsslam för att energimässigt betala för pasteurisering genom att lägga till ett efterrötningssteg Mellanavvattningen gick bra med en enklare bandavvattnare och kvaliteten på rejektet blev bra Metaninnehållet blir högt vid rötning efter pasteurisering Det mellanavvattnade och pasteuriserade rötslammet gick bra att pumpa och omrörningen i rötkammaren fungerade väl

33 Ytterligare slutsatser Delavvattningen i kombination med dispergering, pasteurisering och efterrötning producerade ett sirapslikt slam med mycket dåliga avvattningsegenskaper Dispergering konsumerade mycket el och hade ingen positiv effekt på gasprotentialen Pasteurisering av avloppsslam genererar en stark lukt vi testade två luktreduceringstekniker som båda visade sig ha god effekt Pasteuriseringen sänker viskositeten och gör slammet lättare att pumpa och röra om Pasteuriseringen hade i sig en väldigt liten positiv effekt på slammets gaspotential Kan vara positivt för gaspotentialen att bygga in en utjämningstank i systemet i vårt fall resulterade det i en hydrolys (12 h uppehållstid vid ca 20 C) som var positivt för gaspotentialen

34 Tack för uppmärksamheten! Gustav Rogstrand Forskare / Researcher JTI - Institutet för jordbruks- och miljöteknik JTI - Swedish Institute of Agricultural and Environmental Engineering Box 7033, SE Uppsala Tel: Mob: Gustav.Rogstrand@jti.se Internet:

35 Gasproduktion och sammansättning Koncentration [vol %] Metan Koldioxid 0 Koncentration av metan och koldioxid i biogasen Koncentration [Vol %] 2,5 2 1,5 1 0,5 Koncentrationen av syrgas i biogasen 0

36 Gasproduktion och sammansättning Koncentration [ppm] Koncentration av svavelväte i biogasen

37 Substratet Tabell 1 Analys av substratets innehåll av fett, kolhydrater och protein. Proven togs 16 augusti, Provpunkt TS [% av våtvikt] Fett [% av våtvikt] Kolhydrat [% av våtvikt] Protein [% av våtvikt] 1 4,6 0,58 0 1,6 2 3,0 0,15 0 1,4 6 8,5 0,53 0 2,8 7 8,8 0,57 0 2,8 8 7,9 0,43 0 2,8

38 Substratet Tabell 1 Medelvärden för TS, VS och Tot-C under sista veckan av försöksled ett Provpunkt TS [%] VS [%] Tot-C [g/kg] 1 5,1 76,8 20,7 2 3,1 64,1 10,0 3 10,1 65,0 34, ,058 28,1 0, ,20 56,3 0,62 5 9,55 64,4 32,5 6 8,69 62,9 29,1 7 8,88 62,4 29,6 8 8,16 59,8 25,1 9 0,14 67,3 0,33

39 Substratet 6 5 Koncentration [kg/ton] Organisktkväve Ammoniumkväve Total kväve 1 0 Figur 7 Medelkoncentration av totalkväve, organiskt kväve och ammoniumkväve under sista uppehållstiden av försöksled ett (baserad på tre veckoprov)

40 Massbalans ammonium och fosfat

41 Försöksuppställning försöksled 2 Mobil pilotanläggning Labrötkammare (JTIS 35 liters labrötkammare) Råslam från Sundets ARV Rötrest Substrat Bufferttank Sönderdelning TaskMaster Hygienisering Rötkammare 1 (JTIs mobila pilotrötkammare) Labolina rötkammare 2

42 Gasproduktion och sammansättning 1,20 1,00 [Nm 3 /m 3 aktiv & dygn] 0,80 0,60 0,40 Biogas Metan 0,20 0,00 Biogasproduktion och metanproduktion under försöksled 2 från RK1 Den specifika metanproduktionen i RK1 under den sista veckan av försöksled 2 var 278 Nm3metan/tonVS

43 Gasproduktion och sammansättning Koncentration [Vol %] Metan Koldioxid 4 Koncentrationen av syrgas i biogasen under försöksled 2 från RK1 Koncentration av metan och koldioxid i biogasen under försöksled 2 från RK1 Koncentration [Vol %] 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0

44 Körning av RK2 under försöksled 2 På grund av tekniska problem med labrötkammaren (RK3) fick vi förlänga försöksled 2 någon vecka in i januari. På så sätt kunde vi ändå få data för körning av hela systemet under åtminstone en uppehållstid. Tabell 1 Nyckeltal för RK1 under januari Nyckeltal Enhet Gasproduktion sista veckan 11,4 Nm 3 Substrat in 1575 kg VS in 32 kg Specifik metanproduktion 255 Nm 3 metan/ton VS Biogasproduktion 0,33 Nm 3 biogas/m 3 & dag Metanproduktion 0,24 Nm 3 metan/m 3 & dag Tabell 2 Nyckeltal för RK2 under januari Nyckeltal Enhet Gasproduktion sista veckan 12 Nl Substrat in 11,2 Kg VS in 0,182 Kg Specifik metanproduktion 48 Nm 3 metan/ton VS Biogasproduktion 0,049 Nm 3 biogas/m 3 & dag Metanproduktion 0,036 Nm 3 metan/m 3 & dag

45 Substratet Tabell 1 TS-halterna i provpunkt 1-5 angivet i vikt-% Punkt Sista veckan 4,2 3,8 3,9 3,1 Sista uppehållstiden 4,3 3,8 3,9 3,1 Tabell 1 VS-halterna i provpunkt 1-5 angivet i vikt-% Punkt Sista veckan Sista uppehållstiden Mobil pilotanläggning Labrötkammare (JTIS 35 liters labrötkammare) Råslam från Sundets ARV Rötrest Substrat Bufferttank Sönderdelning TaskMaster Hygienisering Rötkammare 1 (JTIs mobila pilotrötkammare) Labolina rötkammare 2

46 Massbalans 0,51 ton/d Massförlust över bufferttank knutet till försöksuppställningen 3,76 ton/d Vattenånga som avgår under hygieniseringen Biogas 0,987 ton/d (Baserat på massbalans) Biogas 1,17 ton/d (Baserat på specifik biogasproduktion i pilotanläggningen) Metanhalt 72,8 % Biogas 0,14 ton/d Metanhalt 72,8 % 114 ton/d 4,22 % TS 77,1 % VS Buffert 113 ton/d 3,79 % TS 69,7 % VS Hygienisering 2 m 3 2 m 3 2 m ton/d 3,92 % TS 69,8 % VS RK 1 o 2 Rötkammare 109 ton/d 3,05 % TS 61,4 % VS RK 3 Rötkammare (Beräknade värden utifrån uppmätt biogasproduktion) 109 ton/d 2,93 % TS 59,7 % VS

47 Massbalans jämförelse försöksled 1 och 2

48 Parametrar för omrörardesign Viskositet [Pa.s] 1 0,8 0,6 0,4 0, Shear rate (Skjuvhastighet) [1/s] Pa.s Potens (Pa.s) y = 0,3576x -0,391 R² = 0,8811

49 Massbalans