Miljøprojekt, 1002 – Kombineret bioforgasning og kompostering af kildesorteret organisk dagrenovation i batch-anlæg

Kombineret bioforgasning og kompostering af kildesorteret organisk dagrenovation i batch-anlæg

Bilag B: Biogasproduktion

For at få det bedst mulige grundlag for at vurdere processens gasudbytte, blev der gennemført laboratorieforsøg og pilotskalaforsøg udover selve fuldskalaevalueringen. Et resumé af resultaterne er præsenteret i dette bilag. Forsøgene viste, at der generelt var god overensstemmelse mellem de tre niveauer for gasudbyttet af KOD indsamlet fra Noveren's kommuner. Laboratorieforsøgene viste et gasudbytte på 78 Nm³ metan per ton KOD, pilotskalaforsøget viste et udbytte 74-80 Nm³ metan per ton KOD, mens udbyttet fra fuldskalaevalueringen var på 75 Nm³ metan per ton KOD.

Laboratorieforsøg

Opstilling

Der blev anvendt en PVC beholder på 0,7 l (procesmodul) hvori neddelt KOD blandet med strukturmateriale (savsmuld) blev placeret (i alt 75 g blandet i vægtforholdet 3:2). Herefter blev der tilsat ca. 20 ml vand. Perkolat opsamlet i bunden af beholderen blev pumpet ind over råmaterialet. Løbende blev perkolat fra beholderen, hvori råmaterialet var placeret, overført til en glasbeholder på 0,5 l som var podet med metandannende bakterier fra pilotskalaanlægget (reaktoren). Sideløbende med denne proces, blev der tilbageført en tilsvarende mængde perkolat fra reaktoren til procesmodulet for, at opretholde et konstant volumen i reaktoren. Mængden af gas produceret i reaktoren blev løbende opsamlet og analyseret for CO₂ og metan. Alle forsøg blev udført ved 35°C.

Figur 1: Opstilling til måling af gasudbytte i laboratorium

Figur 1: Opstilling til måling af gasudbytte i laboratorium

Gasudbytte

Gasudbyttet blev evalueret for en række laboratorieforsøg som viste, at en meget stor del (> 80%) af det nedbrydelige kulstof var tilgængeligt for bioforgasning allerede efter 2 dage. VFA udgjorde mellem 50 og 80% af den samlede mængde bioforgasset kulstof. Laktat dominerede i starten, men blev afløst af acetat og iso-butyrat. Der blev opnået et gasudbytte på 350 l metan per kg VS svarende til 78 m³ metan pr ton KOD (produceret biogas indeholdt 65% metan).

Pilotskalaforsøg

Opstilling

Der blev etableret 2 pilotanlæg bestående af et procesmodul konstrueret i beton på 1500 l og metandannelse i en 1.000 l reaktortank. Perkolatet blev cirkuleret mellem procesmodulet og reaktortanken. Det var ligeledes muligt at kontrollere temperaturen i reaktortanken, ligesom temperaturen på perkolatet, der blev tilført procesmodulet, kunne kontrolleres. Hele anlægget var PLC-styret og mængden af produceret biogas blev opgjort løbende, hvorefter gassen blev brændt.

Procesmoduler bestod af betonbrøndringe som var placeret i det fri. Reaktortankene (palletanke) var placeret i en isoleret container sammen med styrings og gasopsamlingsudstyr.

Procesmoduler bestod af betonbrøndringe som var placeret i det fri.

Reaktortankene (palletanke) var placeret i en isoleret container sammen med styrings og gasopsamlingsudstyr.

Styringsenhed med pumpe, ventiler og opvarmningsenhed. Perkolat blev løbende opvarmet og udvekslet mellem procesmodul og reaktor med fastsatte frekvenser. Biogas fra reaktoren blev ledt til vandudskiller (nedkøling i køleskab) hvorefter den producerede gas blev kvantificeret og brændt.

Styringsenhed med pumpe, ventiler og opvarmningsenhed. Perkolat blev løbende opvarmet og udvekslet mellem procesmodul og reaktor med fastsatte frekvenser.

Biogas fra reaktoren blev ledt til vandudskiller (nedkøling i køleskab) hvorefter den producerede gas blev kvantificeret og brændt.

Gasudbytte

Foruden indkøring af pilotanlægget og processen, blev der udført 2 udrådningsforsøg med affald indsamlet fra Noveren's kommuner i perioden fra juni til september 2003. KOD fra Noveren's kommuner blev brugt i forsøgene, og samme udstyr og rutiner blev anvendt til forbehandling som på fuldskalaanlægget. Råmaterialet, brugt i pilotskalaforsøgene, var dermed direkte sammenligneligt med fuldskalaevalueringen. I pilotskalaforsøgene blev temperaturen i reaktoren holdt på 35-38°C, mens temperaturen i procesmodulet varierede mellem 25 og 33°C. I forsøgene blev der over en 6 ugers periode produceret 100-120 m³ biogas svarende til 74-80 m³ metan per ton KOD (metanindholdet i biogassen varierede på mellem 65 og 80%). Gasudbyttet var således tæt på de værdier, der blev opnået i laboratoriet. Opholdstiden på 6 uger i pilotskalaforsøgene, var dog væsentlig længere end i laboratorieforsøgene. Den længere opholdstid i pilotskalaforsøgene kan tilskrives, at der blev anvendt et grovere neddelt råmateriale fra fuldskalaanlægget, sammenlignet med laboratorieforsøgene hvor råmaterialet blev findelt.

Fuldskalaevaluering

Metoder

Mængden af produceret biogas blev løbende registreret vha. flowmåler installeret på gasledningen umiddelbart efter reaktortanken. Prøver af gassen blev udtaget 3 gange per uge til analyse for CH₄ og CO₂. Mængden af vand fraført med biogassen, blev beregnet ud fra temperaturen i reaktortanken under antagelse af, at biogassen var 100 % mættet med vanddamp.

Indledende forsøg viste, at flowmåleren var ustabil i drift pga. højt vandindhold i gassen. Det blev derfor besluttet, at bestemme gasproduktionen sideløbende. Gaspotentialet af perkolat tilført reaktortanken fra procesmodulet blev målt i laboratorieforsøg. Ud fra daglige registreringer af gaspotentiale og volumen af tilført perkolat til reaktortanke, kunne gasproduktionen dermed estimeres. Det var ikke muligt at bestemme gasproduktionen ud fra gasmotorens el-produktion, da denne blev forsynet med gas fra både reaktoren og det eksisterende affaldsdeponi.

Der blev dagligt udtaget prøver af perkolat opsamlet fra procesmodulet, som blev frosset (-18°C) indtil bestemmelse af gaspotentialet. Gaspotentialet af perkolat fra procesmodulet, blev bestemt ved at tilsætte 4 ml af perkolatet til en 120 ml glasflaske, tilsat 30 ml podemateriale (fra mesofil rådnetank fra Ålborg Øst rensningsanlæg). Flasken blev lukket med en prop, hvorefter gasfasen blev fortrængt med N2 for at sikre anaerobe forhold ved forsøgets start. Herefter blev flaskerne inkuberet ved 35°C på rystebord. Foruden prøverne tilsat perkolat, blev der inkuberet kontrolprøver som udelukkende indeholdt podemateriale. Mængden af produceret biogas blev bestemt dagligt, ved at føre en glaskanyle påmonteret en sprøjte gennem proppen. Gastrykket ekspanderede herefter sprøjtens letløbende stempel, hvorefter mængden af produceret gas kunne aflæses. Gasprøverne blev overført til evakuerede venojects, som blev opbevaret ved 5C indtil analyse for metan og CO₂ på Chrompack Packard CP 9002 gaskromatograf udstyret med TDC detekter. Gasudviklingen blev fulgt indtil der ikke kunne registreres yderligere gasproduktion.

Gasudbytte

Da flowmåleren monteret på gasledningen var meget ustabil i drift, var det ikke muligt at bestemme mængden af produceret biogas vha. denne. Dataene for produceret biogas i fuldskalaforsøget er derfor udelukkende baseret på volumen, samt biogaspotentiale af perkolatet opsamlet fra procesmodulet.

I fuldskalaforsøget blev den anaerobe proces fastsat til 6 uger ud fra erfaringer fra pilotskalaforsøgene. I denne periode blev der tilført mellem 60 og 300 l perkolat i timen fra procesmodulet til reaktortanken. Gaspotentialet af perkolat fra procesmodulet var på op til 180 m³ per m³ perkolat. Summeret over 6 uger, blev der produceret 22.100 m³ biogas med et metan-indhold på 60-70%, svarende til en metan-produktion 80 m³ per ton KOD.

En gasproduktion på 80 m³ metan per ton KOD er overestimeret, da der vil tilbageføres organisk stof fra den aktive reaktor, ved flytning af perkolat fra reaktoren til procesmodulet. Gaspotentialet af perkolat fra reaktoren blev dog ikke målt i det aktuelle forsøg, hvilket vanskeliggør en kvantificering af overestimeringen. Der blev dog løbende målt på koncentrationen af VFA (laktat, acetat, propionat, n-butyrat, format og iso-butyrat) i reaktoren. Et groft estimat for gas-potentiale tilbageført til reaktoren kan derfor beregnes ud fra Buswell's formel (C_xH_yO_z = (x/2 + y/8 – z/4) CH₄) som muliggør kvantifisering af gaspotentialet ud fra VFA-koncentrationen. Ud fra Buswell’s formel, samt mængden af perkolat flyttet fra reaktoren til procesmodulet, kan det beregnes, at gasproduktionen i reaktortanken kan være overestimeret med 7,0 m³ biogas per ton KOD svarende til 4,6 m³ metan per ton KOD i forsøgsperioden.

Et samlet gasudbytte for processen kan anslås til 116 m³ biogas eller ca. 75 m³ metan per ton KOD, hvilket stemmer fint overens med resultaterne fra laboratorie- og pilotskalaforsøgene, som gav værdier på hhv. 78 og 74-80 m³ metan per ton KOD.

Generelt

Alle ovennævnte gasudbytter er baseret på råmateriale bestående af 1 ton KOD blandet med 0,5 ton strukturmateriale i form af neddelt grenaffald (på nær laboratorieforsøgene, hvor der blev anvendt savsmuld som strukturmateriale). Mængden af produceret biogas relateret til KOD kan derfor være overestimeret, da det ikke kan udelukkes, at grenaffaldet bidrager til gasproduktionen. Alle forsøg blev dog udført med grenaffald indsamlet om vinteren, og var således frit for løvmateriale. Pt. undersøges gaspotentialet af strukturmaterialet, således at modregning herfor er muligt, og gasudbyttet kan relateres udelukkende til KOD. Udbyttet må dog antages at være meget begrænset, da vedmateriale er svært omsætteligt under biogasprocessen. I massebalanceberegningerne for fuldskalaforsøgene er der anvendt et biogasudbutte på 117 Nm³ per ton KOD (svarende til 1,5 ton råmateriale), svarende til 74 Nm³ metan per ton KOD, som er det laveste metanudbytte, der er registreret i såvel laboratorie-, pilotskala- og fuldskalaforsøg.