Teknisk beskrivning biogasanläggning

Transkript

1 Teknisk beskrivning biogasanläggning Bio F AB Håkan Andersson Agellus

2 Allmänt Bio F AB har som mål att öka andelen förnyelsebar energi genom förädling av produkter från livsmedelsindustrin i Malmöregionen. Anläggning kommer att dimensioneras för att producera biogas motsvarande ca 30 GWh/ år, inkommande substrat är huvudsakligen biprodukter från livsmedelsindustrin, exempelvis; deg, mjölkprodukter, rågslam, bröd, mjöl/agnar, grönsaker, gödsel, matavfall och spannmål. Anläggningen planeras för 2 rötkammare om m 3, investeringen planeras ske i två steg, buffertlager för inkommande respektive färdigrötat substrat sker inom inhägnad tomt. I första hand sker lagring av substrat ute hos leverantör och fraktas till anläggningen i den takt rötprocessen behöver påfyllning. Översiktsbild, bilaga tb1 Flertalet substrat kommer till anläggningen i fast form, substraten mellanlagras i en hall och doseras in med sk. fastinmatning till en matningsbrunn. Spädvatten tillsätts i förekommande fall. Flytande substrat lossas via dockningstratt/lucka ner i matningsbrunnen. Matningsbrunnen är via undertrycksventilation ansluten till ett biologiskt filter på området. Den tekniska beskrivningen innehåller information om alla enheter i anläggningen: förbehandling av inkommande substrat, hygienisering, uppvärmningsanläggning, rötningskammare, behandling och lagring av rötrest, uppgradering av biogasen, propantank samt biogasmack. Det är vår avsikt att den tekniska beskrivningen ska ge en god överblick över de olika stegen i processen och att den slutliga utformningen fastställs när upphandlingen av entreprenörerna för byggnation är genomförd. Anläggningens delar: Matningsbrunn med dockningsstation, teknikhus med pumpar, rötkammare, efterrötkammare, slutlager, pannrum med skorsten, biologiskt filter, tryckhöjningsstation med torkfilter, lagerhall, uppgraderingsanläggning. Processpeskrivning, bilaga tb2 Matningsbrunnens volym är 200 kbm, spädvattentanken är 200 kbm, dessa kan komma att kompletteras med ytterligare volym. Rötkammarnas våta volym är 2 ggr kbm, efterrötkammarens volym är 750 kbm, slutlagervolym är kbm. Matningsbrunnens volym motsvarar drygt tre dygns buffert. Hallens lagerkapacitet motsvarar ca en veckas substrattillförsel. (I steg 2 ökar mottagningsvolymen på ett korresponderande sätt. Rötkammarnas och efterrötkammarens volym medför en hydraulisk uppehållstid om mer än 100 dygn. Planerat slutlager motsvarar ytterligare drygt 37 dygns dygns produktion, rötresten säljs sedan till växtodlare i närområdet för spridning på åkermark. In och utfart förses med fjärrstyrda grindar, hela området kommer att inhägnas, vägar byggs för att möjliggöra rundkörning via byggnaden. Buffertlager för inkommande substrat dimensioneras med ca 350 ton (mellantank och matningstank) för mottagning av flytande substrat samt en hall med fickor för mottagning och hantering av fasta substrat (ca 200 ton), detta motsvarar ca 7 dagars drift, med två rötkammare, beroende på sammansättningen av substrat i realtid. Vi beräknar med 1 täckt lager för färdigrötat substrat dimensioneras om ca m 3. 2

3 För att minimera luktspridning kommer all tömning av substrat att ske via helt slutna system. Mottagningshallen kommer att förses med undertrycksventilation med luftavledning till ett biologiskt filter. Det biologiska filtret dimensioneras för aktuella substratmängder, vara bestyckat med tät botten, dränering och återföring av överskottsvätska, befuktningsanläggning, filtermaterialet utgörs av organiskt filtermaterial som kan bytas vid behov. Tömning och hämtning av substrat kommer att ske vardagar mellan och Vi full produktion kommer transportbehovet att vara ca 14 fordon/arbetsdag för in- och uttransport per arbetsdag. Registrering av substratmängder sker med fast anlagd fordonsvåg alternativt med påbyggda vågar på transportfordon. Mottagningshall Mottagning av pumpbart substrat: översiktsbild, bilaga tb3. Flytande pumpbart substrat tillförs anläggningen via tankbil. Avlastning sker via tömningsrör direkt till en mellantank på V=150 kbm, D=10 m,h=3 m för att möjliggöra tömning med självfall från bilen. Tanken förses med redundanta nivåmätare/överfyllnadsskydd. Tvättvatten från bilarna töms med självfall till mellantanken. Bild 1, avlastning av substrat Därefter pumpas substratet till en sluten omrörd mottagningstank (buffertmagasin) med effektiv volym på ca 200 m 3, ventilationsröret är anslutet till den gemensamma frånluften för luktreduktion via biofilter. Substratet pumpas med en varvtalsreglerad exenterskruvpump, med kapaciteten m³/h, till respektive hygieniseringstank via tryckvakt, flödesmätare och pneumatiska ventiler. Före pumparna installeras en macerator för extra sönderdelning av substratet. 3

4 Mottagning av fast substrat: Fasta substrat levereras via flakbil eller container som tippas under tak i lagringsfickor. Materialet transporteras med lastmaskin från lagringsfickor till fastinmatning (delvis via förbehandlingsutrustning för att separera substrat från ev emballage etc). Emballage lagras i container för vidare transport till avfallsanläggning. Processbeskrivning, bilaga tb4. Förbehandling: Det flesta substrat som ska rötas behöver någon form av förbehandling för att minska driftproblem samt för att påskynda eller underlätta nedbrytningsprocessen. Förbehandlingen är begränsad till att homogenisera torra och flytande material samt avskiljning av plastförpackningar som härrör från exv. inplastat bröd. Förbehandling är nödvändig för att åstadkomma en effektiv sönderdelning av materialet, vilket underlättar blandningen med övriga råvaror i mixtanken. Sönderdelningen gör även materialet mer lättillgängligt för mikroorganismerna att bryta ner i rötkammaren. Homogenisering av fasta och flytande material till en slurry kommer att ske i mottagningstanken med hjälp av skärande pumpar. Efter homogenisering pumpas slurryn vidare i processen. Teknikrum: I teknikrummet är elskåp och styrdator installerade. Datorn styr anläggningen som helhet enligt följande: Varje timme eller efter valfritt intervall styr datorn följande pumpsekvenser. Vid matning med 82 ton/dygn pumpas drygt 3 kbm från efterrötkammaren till slutlagret. Därefter pumpas ungefär samma volym från rötkammaren till efterrötkammaren. Slutligen pumpas en något större volym från matningsbrunnen till rötkammaren. Varje rötkammare har ett flexibelt gaslager på drygt 1100 kbm, efterrötkammaren har likaså ett flexibelt gaslager på drygt 150 kbm. Producerad biogas (ca 60% metan) transporteras via en tryckhöjningsstation till företagets uppgradering och/eller till intern gaspanna för uppvärmning av processen eller i nödfall till nödkylare med luftkylning. Pannan har en kapacitet att förbruka all producerad biogas. Flispanna: För uppvärmning av substrat samt till hygieniseringen kan en flispanna med lager komma att uppföras. Flispannan är av hetvattentyp och är inrymd i hallbyggnaden, även lager av flis kommer att finnas inne i hallen. Pannan har en effekt på ca 1 MW och den är försedd med rökgascyklon och har en skorstenshöjd på ca 12 meter. Askan samlas upp i behållare på ca 2 m3. Askan sprids efter analys som skogsgödsel och återförs därmed till kretsloppet. Rötkammare 2 st. rötkammare med effektiv volym om 2 ggr > m³ med måtten H<15m, D= 27,5 m Rötning kommer att ske inom temperaturintervall: C (mesofil) ). Rötkammarens maximala mantelhöjd beräknas till ca 8 m och totalhöjd 15 meter. Rötkammare och efterrötkammare kommer ha ett driftstryck på 0,8-3,5 mbar. Rötkammaren utrustas med omrörningssystem som är dimensionerade för substratens TS-halt. Rötkammaren utförs i betong med epoxibehandling. Tankarna isoleras med mm frigolit, samt kläds med Trp-plåt i standardkulör och förses med omrörare, bafflar, nivå- och temperaturgivare, nivåvakt för överfyllnadsskydd, siktglas med torkare, dysvatten och belysning. Till tankarna levereras 1st gemensam spiraltrappa samt gångbryggor. 4

5 Rötkammaren är försedd med temperaturövervakning för reglering och konstanhållning av temperaturen samt nivågivare för reglering av ut- och inpumpning. Uppvärmning och konstanthållning av rötkammartemperaturen regleras via återvinningsvärmeväxlaren efter hygieniseringen. Rötkammaren förses dessutom med värmeslingor för att säkerställa rätt rötningstemperatur oavsett aktuell hygiensieringsvolym. Den bildade gasen samlas upp i en gasdom på toppen av rötkammaren där hydrauliska över- och undertryckssäkringar är placerade. Gasmängden mäts med gasflödesmätare. Det yttre membranet har alltid samma form på grund av att stillastående luft mellan membranen även utgör isolering i taket. Dubbelmembrantakets inre volym är flexibel relaterat till gasproduktionen. Dubbelmembrantaket utgör således ett buffertlager för producerad biogas. I reaktorn är temperaturen mellan 35 och 43 grader (sk mesofil rötning) Reaktorn kommer att matas från matningsbrunnen ett antal gånger per dygn för jämnast möjliga gasproduktion. I toppen på reaktorn kommer mindre mängder syre (luft) blåsas in för att gynna svavelnedbrytande bakterier som reducerar svavelväte till elementärt svavel. Trycket i reaktorn är 0,8-3,5 mbar. Efter en genomsnittlig uppehållstid på ca 30 dygn, pumpas rötresten från reaktorn till en efterrötkammare på 750 m 3, vars huvudsakliga uppgift röta ut materialet fullständigt samt att sänka temperaturen på rötresten till under 25 grader C. Vilket medför att metanproduktionen upphör innan rötresten därefter pumpas vidare till slutlager. Gas som produceras i efterrötkammaren under temperatursänkning samlas upp och utgör ca 2-4% av den totala gasproduktion. Värmeväxling sker mellan matningsbrunn och efterrötkammare med hjälp av värmeöverföringsslangar/rör inne i behållarna. Substratet förvärms på så sätt samtidigt som rötresten kyls. Processen styrs via en PLC som är placerad i teknikrummet. Processen kan även fjärrstyras via dator. Larm skickas till förutbestämda mobiltelefoner. Gasen kommer primärt användas för uppgradering till fordonsgas. Bild 2, exempel på rötkammare 5

6 Hygienisering Vi har valt att göra hygieniseringen (vid >70 C i minst 1 timma), i 2 st tankar, vardera med volymen 2,5 m³, som växelvis beskickas, så att en kontinuerlig beskickning sker av rötkammarna. Detta system ger en jämnare gasproduktion och bästa utrötningsgraden. Tankarna förses med sidomonterad skärande pump/ omrörare, nivåstyrning, temperaturstyrning, automatiska in- och utloppsventiler, automatisk bottentömning, samt automatisk renblåsning av sugledningar till utloppspumpen, som pumpar till rötkammarna med kapaciteten m³/h. Bottentömning sker via pump med tryckledning till balanstank på 3 m 3 med möjlighet att pumpa tillbaka substratet vid ej godkänd hygienisering. Substratet värms upp, dels via återvinning av värme efter hygienisering och rötkammarna, samt från gasuppgraderingen. Primäruppvärmning samt slutuppvärmning sker via gaseldad/fliseldad panna. Luktbehandling Biogasanläggningen kommer att utrustas enligt bästa tillgängliga teknik för luktreduktion. I detta kapitel beskrivs de vanligaste teknikerna och vilken teknik som slutligen kommer att användas bestäms först när anbud från leverantörer har kommit in. Biofilter Biofilter är den vanligaste metoden för luktreduktion i Sverige. Bakterier och svampar som växer på ett bärarmaterial tar upp ämnen som kan ge upphov till luktolägenhet från ventilationsluften och använder dem som energi, kolkälla eller näringsämnen. Bärarmaterialet kan vara organiskt, t.ex. flis, bark eller kompost, eller oorganiskt t.ex. fibermaterial, leca eller plast. Med tanke på masstransporten är det viktigt att materialet är poröst och att kanalbildning undviks. Efterhand bryts organiska bärarmaterial ned och behöver bytas ut. Biofilter kan konstrueras som en öppen lösning, där den behandlade luften går direkt ut, eller som en sluten lösning där den behandlade luften samlas upp för vidare behandling. Med en sluten lösning är det möjligt att släppa ut luften i en skorsten, vilket ökar utspädningen och ger mindre lukt i närområdet. Eftersom processen är helt biologisk är det viktigt att filtret hålls fuktigt och att temperatur, flöde och ph inte varierar för mycket. Den ingående luften behöver fuktas till nära 100 %, och filtret ska hålla % fuktighet. Ett bärarmaterial med buffrande egenskaper kan hålla ph på en jämn nivå runt ph 6-8, men ibland kan tillsats av kalk vara nödvändigt. I övrigt kräver biofilter mycket lite kemikalietillsatser. En nackdel med biofilter är känsligheten för toxiska ämnen. En hög halt av t.ex. ammoniak eller svavelväte omöjliggör användning av biofilter utan förbehandling. Efter ett driftsstopp tar det tid innan den mikrobiella processen tar fart igen, och variationer i luftflödet ger en instabil process. De flesta anläggningar som har biofilter uppger att de är nöjda med luktreduktionen (Norsk vann 2004, Avfall Sverige 2007). De problem som uppstår rör främst filtrets fuktighet och masstransport. Biofilter har fördelen att i princip samtliga ämnen kan reduceras och metoden är säker i drift. Biofilter är, enligt Hwang m.fl. (1994), den bäst lämpade metoden för att reducera halter av svavel- och kväveföreningar. Även fördelarna med att använda en beprövad teknik bör betonas. Fördelar: lätt att underhålla, välbeprövad teknik, liten kemikalieanvändning 6

7 Nackdelar: platskrävande, känsligt för ammoniak och svavelväte, risk för problem med kanalbildning i filtret och uttorkning Bioskrubber Bioskrubbern har stora likheter med biofilter, men processlösningen ser lite annorlunda ut. Biomassan kan växa på fyllkroppar, exempelvis av Kaldnes-bärare (s.k. trickling filter), eller vara suspenderade i vattenlösning. Luktämnena som förs in i skrubbern underifrån löses i vattenlösningen som flödar nedåt. Biomassan bryter ned ämnena på samma vis som i ett biofilter. I anläggningar där bioskrubber används som förbehandling för luft med hög svavelvätehalt är biomassan inhiberad, utom de bakterier som kan reducera svavelväte. På anläggningar som enbart har bioskrubber har reningsgraden ibland varit otillräcklig. Koustinas m.fl. (2005) visade att bioskrubber kan reducera etylacetat med upp till 96 %. I sina experiment såg de även att igenväxt av trickling filter kan minska masstransporten av syre och därmed reducera effektiviteten. Enligt Pettersson (2001) har det funnits svårigheter att få en stabil process och slagg som sätter igen fyllkropparna kan skapa problem. I övrigt är processen lik ett biofilter och samma krav finns på låg toxicitet m.m. Fördelar: lätt att underhålla, liten kemikalieanvändning. Nackdelar: ofta otillräcklig luktreduktion, känsligt för ammoniak och svavelväte, risk för problem med igensättning av fyllkropparna, känsligt för variationer i luftflöde och halt av Luktämnen. Bild 3, exempel på skrubber och biofilter Redundans Systemet är uppbyggt med hög redundans i alla led. Reaktorn hålls totalomrörd med hjälp av tre stycken oberoende omrörare samt kan även röras om med hjälp av pumpen i teknikrummet. Värmen överförs till reaktorn med hjälp av flera separata värmeslingor. 7

8 Gasen kyls via markförlagd ledning och två oberoende kondensfällor för att reducera innehållet av vattenånga i gasen. Gasen torkas vidare i gastork innan den går till uppgradering. Utpumpning av det färdigrötade substratet till efterrötkammare med minst 7 dagars uppehållstid (ca 750 kbm) och senare till rötrestlagret sker via 1st excenterskruvpump med pumpkapaciteten m³/h. Detta har flera fördelar jämfört med bräddning; mindre risk för igensättningar samt att nivån kan varieras för bättre bekämpning av svämtäcke, genom att vätskeytan passerar fram och tillbaka via omrörarens övre propeller. Därför har vi inte med någon separat avskiljning av detta. Rötrestlager Vidare installeras en tank med effektiv volym om m³ utförd i betong, tanken kommer inte att vara isolerade. Tanken förses med sidomonterad omrörare med tillhörande servicetrappor, nivåmätare och högnivåvakt. Tanken är försedd med förbigång för gas och slamledning. Tanken förses med membrantak för minimering av lukt och undertrycksventilation som leds till biologiskt filter. Bild 5, rötrestlager med tak och stos för in- och utlastning Övrig utrustning En utvändigt placerad fordonsvåg med fjärravläsning och kortterminal placeras vid anläggningens infart. Alternativt förses transportfordon med inbyggd våg. 8

9 Värmebalans Förbrukningen: 10-12% av bruttoenergi innehållet i substraten, kommer att gå åt för uppvärmning av processen/hygienisering, den exakta fördelningen är svår att bedöma, den beror bla på hur mkt som skall hygieniseras. Elförbrukningen beräknas till ca 3,5-4% av bruttoenergi innehållet i substraten. Gasuttag Gasen tas ut från toppen av rötkammaren där en hydraulisk säkerhetsventil är placerad. Gasen leds direkt till efterrötkammaren. Genom denna princip hamnar kondensvatten och eventuell medföljande skum direkt i efterrötkammaren och går inte vidare i gassystemet. Gasfacklan med sluten låga installeras på ledningen till gasklockan. Start/stopp av facklan styrs av nivån i gasklockan. På gasledningen installeras gasmätare, kondenavskiljare samt tryckmätare. Gasmängden överförs sedan till anläggningen för uppgradering. Svavelväte H 2 S Baserad på från produktionsanläggningen erhållen rågas med H 2 S-innehåll så erfordras avskiljning av svavelväte. Rötningsprocessen byggs med utrustning för indosering av järnklorid vilket ger en svavelvätehalt på ca ppm in till gasuppgraderingsanläggningen. I gasuppgraderingsanläggningen installeras processutrustning för avskiljning av svavelväte. Processen består av en adsorbtionstank fylld med aktivt kol. H 2 S reagerar med O 2 och bildar H 2 O och elementärt svavel (S 8 ). Elementärt svavel förblir kvar på det aktiva kolet. Det aktiva kolet byts ut efter att adsorbtionstanken är mättad med S 8. Anslutningar samt tank förses med provuttag så att det är möjligt med manuell provtagning klarlägga hur mycket kapacitet som återstår i det aktiva kolet. Adsorbtionstanken förses med manuell by pass ventil för att kunna byta det aktiva kolet under drift. H 2 S-halten efter aktivt kolfilter är vid normal drift 0 ppm. Uppgradering, CO 2 -reduktion Den producerade rågasen från anläggningen ansluts sedan med gasledning till den uppgraderingsanläggning som valts. Anläggningen levereras för en kapacitet av Nm 3 /h rågas i två etapper. För att få en hög tillgänglighet installeras dubbla mellantryckskompressorer och tryckhöjningsenheter. Detta ger en 100 % redundans för 50 % av den framtida max. kapaciteten. Biogas innehåller förutom metan även koldioxid samt mindre mängder vatten, kväve och svavelväte. För att biogas ska uppfylla den svenska standarden SS Biogas som bränsle för snabbgående ottomotorer behandlas biogasen i en uppgraderingsanläggning. I uppgraderingsanläggningen renas biogasen så att den innehåller minst 95 volymprocent metan och så att övriga specifikationer i standarden uppfylls. Energiinnehållet i den uppgraderade gasen ligger i intervallet 9,4 till 9,9 kwh/nm³. De vanligaste metoderna som används för uppgradering av biogas är: Vattenskrubber PSA (Pressure Swing Adsorption) Kemisk absorption Vilken av dessa metoder, eller eventuellt ytterligare någon annan teknisk lösning med likvärdig prestanda, som kommer att väljas avgörs först när anbud från olika leverantörer har kommit in. 9

10 Komprimering, torkning och uppgradering av gas Den uppgraderade gas som lämnar absorptionstornet behöver för att uppfylla kraven för fordonsbränsle torkas och odöriseras. Gasen komprimeras upp till 4-5 bar(g) för att vid detta tryck torkas i en PSA - tork (kallregenererad). Gasen torkas till en daggpunkt av -60 ºC vid 4 bar(g). Komprimering för lastväxlarflak Den uppgraderade gas som lämnar uppgraderingen komprimeras till 250 bar med automatiskt växlingssystem för fyllning av 6 st lastväxlarflak respektive matning till lokal mack (max. 100 m från gasuppgraderingen). Biogasmack En mack för fordonsgas installeras enligt bilagd situationsplan. Biogasmack förväntas förse ca 200 årsfordon med bränsle, totalt ca 2 GWh. Detta innebär att tankningar per dygn kommer att genomföras. Odörisering Den torkade gasen odöriseras med THT (tetrahydrotiofen) 18 mg/nm 3 för att vid eventuellt gasläckage kunna uppfattas via lukt. Värmeåtervinning Processanläggningen värms med hetvatten från flispanna (> 140 grader C) alt. ånga (> 3 bar). Vattentillsats till systemet sker med avhärdnings samt avmineraliseringsutrustning typ RO-filter som ingår i gasreningsanläggningen. Val av värmeenergi för uppvärmning kan vara rågas, pellets eller flis. I detta projekt planeras för en flisanläggning. Värmeåtervinning sker genom en cirkulationskrets mellan hygieniseringen och rötkammaren. Anläggningen förses med cirkulationspump, ventiler, termometrar samt nödkylningsbatteri för nödkylsystem samt kulvert mellan gasuppgraderingen och värmeväxlaren. Den maximala återvinningen täcker en del av årsbehovet för att värma substratet innan hygienisering i biogasproduktionsanläggningen. 1.Tillämpade föreskrifter AFS 2005:2 samt AFS 2005:3 EGN 2011, BGA Konstruktionskontroll gällande konstruktioner för biogasreaktor, biogaslager och i förekommande fall rötrestlager avseende behållare, lock och membran. 3.Tillverkningskontroll inkluderande utvändig och invändig okulär kontroll, i förekommande fall radiografering av svetsar. Täthetskontroll med övertryck 1,5 ggr driftstryck utförs av ackrediterat organ. Intyg från ackrediterat organ avseende kontrollplanens upprättande och efterföljelse bifogas leveransen. Egenkontroll på utförande redovisas. 4.Installationskontroll utförs dessutom i form av egenkontroll. 10