Småskalig uppgradering processintern metananrikning och askfilter Åke Nordberg Institutionen för energi och teknik, SLU Henrik Olsson JTI - Institutet för jordbruks- och miljöteknik
Drift- och kapitalkostnader (kr/kwh) Småskalig uppgradering 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Problemställning Trendlinje baserad på Urban et al 2008 och Blom et al 2012 0 0 100 200 300 400 500 Biogasflöde (Nm 3 /timme) Behov att utveckla enkla tekniker som är kostnadsoch energieffektiva vid låga gasflöden
Teknikutveckling vid JTI och SLU Processintern metananrikning Metod för att anrika metanhalten i rötkammaren och reducera H 2 S Askfilter Metod där aska från trädbränslen används för att rena bort CO 2 och H 2 S
Processintern metananrikning CO 2 har ca 40 ggr högre löslighet i slamfasen än CH 4 (35 C, 1 atm, ph 7,0) Biogas (80 (60 % CH 4, 20 40 % CO 2 ) Luft + CO 2 (svepgas) + CH 4 CO 2 -rik rötrest Rötrest Rötkammare Cirkulation rötkammarinnehåll Bubbelkolonn för desorption av CO 2 Substrat CO 2 -fattig rötrest Luft
Uppgradering med askfilter Använder kalciumrik aska från förbränning av trädbränslen för att fixera CO 2 och H 2 S i rågasen Bygger på karbonatiseringsprincipen CaO + H 2 O Ca(OH) 2 Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O
Processintern metananrikning och askfilter Vad har gjorts innan demoförsök på Sötåsen? Processintern metananrikning: Pilotförsök, 15 m 3, reningsverksslam; 87 % CH 4 halt, men högt metanslip (8 %) Modellering och simulering samt kemisk karakterisering av slam Pilotförsök, 5 m 3, gödsel respektive matavfall Askfilter: Laboratorieförsök, 20 dm 3, pellets- och flisaska, definierad gas (CH 4, CO 2, H 2 S) Pilotförsök, 110 dm 3, pelletsaska, biogas (~63% CH 4, ~35 % CO 2, ~2 % H 2 O, ~420 ppm H 2 S) Pilotförsök, 170 dm 3, pelletsaska, kombination med processintern metananrikning Två systemutformningar rågas Askfilter Fordonsgas rågas Processintern metananrikning Askfilter Fordonsgas
% för CH4 och CO2. ppm för H2S Resultat i korthet laboratorieskala 100 90 80 70 CO 2 -upptag för flisaska: 140 g CO 2 /kg torr aska CO 2 -upptag för pelletsaska: 240 g CO 2 /kg torr aska 60 50 40 30 20 10 0 CH4 CO2 H2S 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Att relatera till: Studier gjorda på aska från avfallsförbränning visar upptag på ca 40 g CO 2 /kg aska tid (h) Fullständig fixering av ingående CO 2, dvs 0 % CO 2 i utgående gas Pelletsaska har bäst förmåga att binda upp CO 2 Ingående H 2 S på 3000 ppm och < 1 ppm i utgående gas. Inga spår av svavelämnen eller siloxaner i utgående gas Effektiv evakuering av gas innan askbehållare öppnas ger < 0,2 % CH 4 slip Homogen stabilisering av askan, där ph sjunker från ca 13 till ca 10,5
Systemperspektiv Uppgradering med aska från trädbränslen Växtodling och djurprod. Rötrest Gödsel Skörderester Energigrödor Biogas Biogas produktion produktion Uppgradering Biogastraktor Aska Stabiliserad aska Skogsbruk Träd bränsle Kraftvärme
Pilotskala: processintern metananrikning i kombination med askfilter Upgraderad biogas (97 % CH 4 ) Processintern metananrikning Anrikad biogas (80 % CH 4 ) Liquid manure Digested manure
Pilotskala: processintern metananrikning i kombination med askfilter Rötkammarvolym: 5 m 3 Desorptionskolonn: 230 dm 3 Askfilter: 170 dm 3 SE.Biomethane
Resultat pilotskala Resultat Upptag fram till genombrott 170 g CO 2 /kg torr aska (efter 10 dagar) Totalt upptag 260 g CO 2 /kg torr aska (efter 20 dagar) Total reduktion av H 2 S under hela försöket
Uppskalning av askfilter Beräkningar för två system a) Askfilter som ensam uppgraderingsteknik (60 % CH 4, 40% CO 2 ) b) Askfilter som ett avslutande polerande steg efter processintern metananrikning (80 % CH 4, 20 % CO 2 ) Behov av aska Kapacitet 200 g CO 2 /kg torr aska Biogasproduktion (GWh/år) 0,5 a) 325 1,0 a) 650 2,0 a) 1300 2,0 b) 490 Behov av aska (ton/år)
Uppgraderingskostnad (kr/kwh) Uppskalning av askfilter Preliminär beräkning av uppgraderingskostnad: -kostnader för torkning, komprimering och lagring ingår ej -kostnader för transport av aska ingår ej 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 100 200 300 400 500 Biogasflöde (Nm 3 /h) Trendlinje bearbetad från Urban et al 2008 and Blom et al 2012 Uppgraderingskostnad för enbart askfilter Uppgraderingskostnad processintern+askfilter för 2 GWh
Sammanfattande erfarenheter Fordonsgaskvalité kan nås Enbart askfilter Kombination av processintern metananrikning och askfilter Mycket god förmåga att reducera H 2 S Ingen minskning av metanutbytet Relativt billig teknik Avdrivning av ammoniak från kolonn (10-20 %) Metanslip på 0,2-1,8 % Utmaning att pumpa strårik gödsel med lågt flöde Höga luftflöden ger risk för skumbildning i kolonnen Utfällning i fasta rördetaljer