processintern metananrikning

Småskalig uppgradering –

processintern metananrikning och askfilter

Åke Nordberg

Institutionen för energi och teknik, SLU Henrik Olsson

JTI - Institutet för jordbruks- och miljöteknik

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

0 100 200 300 400 500

Drift-och kapitalkostnader (kr/kWh)

Biogasflöde (Nm³/timme)

Småskalig uppgradering

Trendlinje baserad på Urban et al 2008 och Blom et al 2012

Problemställning

Behov att utveckla enkla tekniker som är kostnads-

och energieffektiva vid låga gasflöden

Teknikutveckling vid JTI och SLU

• Processintern metananrikning

• Metod för att anrika metanhalten i rötkammaren och reducera H

S

• Askfilter

• Metod där aska från trädbränslen används för att rena

bort CO

och H

S

Luft

Luft + CO₂ (svepgas)

Substrat

Biogas (60 % CH₄, 40 % CO₂)

Cirkulation

rötkammarinnehåll

Rötrest

Rötkammare Bubbelkolonn

för desorption av CO₂ Biogas (80 % CH₄, 20 % CO₂)

”CO₂-rik” rötrest

”CO₂-fattig” rötrest

+ CH₄

Processintern metananrikning

CO₂ har ca 40 ggr högre löslighet i slamfasen än CH₄ (35°C, 1 atm, pH 7,0)

Uppgradering med askfilter

• Använder kalciumrik aska från förbränning av trädbränslen för att fixera CO

och H

S i rågasen

• Bygger på karbonatiseringsprincipen CaO + H

O → Ca(OH)

Ca(OH)

+ CO

→ CaCO

+ H

O

Processintern metananrikning och askfilter

Vad har gjorts innan demoförsök på Sötåsen?

• Processintern metananrikning:

• Pilotförsök, 15 m³, reningsverksslam; 87 % CH₄ halt, men högt metanslip (8 %)

• Modellering och simulering samt kemisk karakterisering av slam

• Pilotförsök, 5 m³, gödsel respektive matavfall

• Askfilter:

• Laboratorieförsök, 20 dm³, pellets- och flisaska, definierad gas (CH₄, CO₂, H₂S)

• Pilotförsök, 110 dm³, pelletsaska, biogas ^{(~63% CH}4, ~35 % CO₂, ~2 % H₂O, ~420 ppm H₂S)

• Pilotförsök, 170 dm³, pelletsaska, kombination med processintern metananrikning

Processintern metananrikning

Askfilter

Askfilter rågas

Fordonsgas

Fordonsgas rågas

Två systemutformningar

Resultat i korthet laboratorieskala

• Fullständig fixering av ingående CO₂, dvs 0 % CO₂ i utgående gas

• Pelletsaska har bäst förmåga att binda upp CO₂

• Ingående H₂S 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 % CH₄ slip

• Homogen stabilisering av askan, där pH sjunker från ca 13 till ca 10,5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 20 40 60 80 100 120 140 160

% för CH4 och CO2. ppm för H2S

tid (h) CH4

CO2 H2S

CO₂-upptag för flisaska: 140 g CO₂/kg torr aska CO₂-upptag för pelletsaska: 240 g CO₂/kg torr aska Att relatera till: Studier gjorda på aska från avfalls- förbränning visar upptag på ca 40 g CO₂/kg aska

Rötrest Växtodling

och djurprod.

Gödsel

Skörderester Energigrödor

Biogas produktion

Skogsbruk

Träd bränsle

Kraftvärme Aska

Stabiliserad aska

Biogas produktion

Upp- gradering

Systemperspektiv

Uppgradering med aska från trädbränslen

Biogas- traktor

Processintern metananrikning

Anrikad biogas (80 % CH₄)

Upgraderad biogas (97 % CH₄)

Liquid manure Digested manure

Pilotskala: processintern

metananrikning i kombination med

askfilter

SE.Biomethane

Pilotskala: processintern

metananrikning i kombination med askfilter

Rötkammarvolym: 5 m

Desorptionskolonn: 230 dm

Askfilter: 170 dm

Resultat

• Upptag fram till genombrott 170 g CO₂/kg torr aska (efter 10 dagar)

• Totalt upptag 260 g CO₂/kg torr aska (efter 20 dagar)

• Total reduktion av H₂S under hela försöket

Resultat pilotskala

Uppskalning av askfilter

Beräkningar för två system

a) Askfilter som ensam uppgraderingsteknik (60 % CH₄, 40% CO₂) b) Askfilter som ett avslutande polerande steg efter processintern metananrikning (80 % CH₄, 20 % CO₂)

Biogasproduktion (GWh/år)

Behov av aska (ton/år)

0,5 ^a) 325

1,0 ^a) 650

2,0 ^a) 1300

2,0 ^b) 490

Behov av aska

Kapacitet 200 g CO₂/kg torr aska

Uppgraderingskostnad för enbart askfilter

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

0 100 200 300 400 500

Uppgraderingskostnad(kr/kWh)

Biogasflöde (Nm³/h)

Trendlinje bearbetad från

Urban et al 2008 and Blom et al 2012

Uppgraderingskostnad processintern+askfilter för 2 GWh

Uppskalning av askfilter

Preliminär beräkning av uppgraderingskostnad:

-kostnader för torkning, komprimering och lagring ingår ej -kostnader för transport av aska ingår ej

Sammanfattande erfarenheter

• Fordonsgaskvalité kan nås

• Enbart askfilter

• Kombination av processintern metananrikning och askfilter

• Mycket god förmåga att reducera H₂S

• 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