publicerat_40.jpg

RKA 19 Torr biogasprocess för lantbruksgrödor

Publikationstyp: Rapporter kretslopp och avfall
Författare: Bernesson Sven, Hansson Kurt, Robertsson Martin, Thyselius Lennart
År: 1999
Sammanfattningsvis har litteraturgenomgången, de teoretiska beräkningarna och re¬sultaten av försöken visat att den uppställda hypotesen gäller, dvs. genom att kombi¬nera en aerob mikrobiell förvärmningsprocess med en efterföljande torrötning skulle förutsättningar för en effektiv och konkurrenskraftig biogasproduktion av ensilerat växtmaterial kunna föreligga.

Litteraturgenomgången har visat att aerob förvärmning är teoretiskt möjlig. Man kan uppnå temperaturer lämpliga för efterföljande mesofila eller termofila anaeroba pro¬cesser. Andra effekter är att den inledande aeroba processen förbrukar lättnedbrytbart substrat så att den efterföljande anaeroba processen blir mer stabil (mindre risk för surgång). Växling mellan aeroba och anaeroba förhållanden kan göra substratet mer tillgängligt för biologisk nedbrytning, vilket innebär att mängden gas inte behöver minska med ett aerobt försteg.

Litteraturgenomgången (redovisar främst rötning utan aerobt försteg) har vidare visat att anaerob nedbrytning är möjlig i substrat med upp till 50 %:s ts-halt. Nedbryt¬ningshastigheten påverkas ej nämnvärt för ts-halter upp till 30 %. Vid ett eventuellt aerobt försteg förbrukas det mest lättomsatta materialet, vilket medför att mer svår¬nedbrytbart material återstår till det anaeroba steget som då troligen kan förväntas gå långsammare. Fördelar med torra system är att, i systemet, ingående tankar och be¬hållare kan göras mindre. Anläggningarna kan därmed bli billigare (mer kostnads¬ef¬fektiva). Vid höga ts-halter innehåller systemet en mindre mängd vatten som måste värmas till rötningstemperaturen och dessutom med en mindre rötkammare blir den värmeavgivande ytan mot omgivningen mindre, vilket tillsammans leder till en poten¬¬tial till en mer energieffektiv process med ett lägre värmebehov. Problem vid höga ts-halter, vid anaerob nedbrytning, är att processen kan bli mer instabil med ökad risk för surgång eller ammoniumförgiftning. Detta skulle till viss del kunna mot¬verkas med ett inledande aerobt steg som förbrukar den lättast nedbrytbara frak¬tionen av substratet. Andra nackdelar är att ett torrare material är svårare att hantera, dvs. det är svårare att pumpa (om alls möjligt) och det är svårare att värmeväxla (leder värme sämre).

Ympningsförfarandet för torra system, som är en viktig förutsättning för att få en stabil nedbrytning, behandlas sparsamt i litteraturen.

I de labförsök som gjordes, inom detta projektet, blev metangasproduktionen 24-35 % lägre från de aerobt behandlade ensilageproverna (proverna värmdes på aerob väg till 41 respektive 50°C). För att uppnå dessa temperaturer förbrukades 10-15 % av torrsubstansen i materialet, vilket är 10-12 gånger mer än vad som skulle behövts en¬bart för att värma upp materialet enligt de teoretiska beräkningarna. Detta tyder på stora värmeförluster och behov av bättre försöksutrustning.

I litteraturen finns några exempel på satsvis rötning i mycket enkla aerobt uppvärmda rötkammare på 80-115 m3. Man hade problem bl.a. med att hålla temperaturen i reak¬torerna på en jämn nivå. Denna sjönk allt eftersom tiden gick. Det rötade substratet hade en hög ts-halt. Några fungerande anläggningar med rötning av växtmaterial, med hög ts-halt, efter aerob förbehandling finns inte beskrivna i litteraturen. Man måste därför vara försik¬tig då man beskriver hur sådana anläggningar bör se ut. En hel del problem återstår att lösa. Till exempel, hur stabil blir den anaeroba processen? Hur skall materialet transporteras mellan de två processtegen? Och hur skall värmeåtervinningen ske? Mycket forskning återstår både i laboratorieskala och i fullstora anläggningar innan tekniken kan anses kommersiellt gångbar. Vidare bör noteras att vid sönderdelning (hackning/malning) av växtmaterial tillförs friktionsvärme i samma storleksordning som alstras vid en eventuell aerob förvärmning. Detta har inte tagits upp i denna studie. Konserverat material, typ ensilage, kan fördröja temperaturhöjningen i det aeroba försteget.

För att bättre förstå vad som händer då ett substrat behandlas aerobt före en rötning måste mass- och energibalanser upprättas för den totala processen. Sådana kan bäst upprättas om substratets innehåll av kol (C), väte (H), syre (O), kväve (N) och ev. svavel (S) är känt före och efter det att substratet behandlats, samt i alla delstegen. Andra möjligheter är att substratet vid motsvarande tidpunkter analyseras i bomb¬kalorimeter eller att dess värmevärde beräknas utifrån dess COD-värde. Om ett sub¬strats lignininnehåll är känt kan dess nedbrytbarhet (vid aerob eller anaerob behand¬ling) uppskattas. Skall substrates nedbrytbarhet studeras mer noggrannt måste dess halt av cellulosa, hemicellulosa, andra sockerarter, lignin, fett, protein m.m. vara känd. Nedbrytbarheten för den organiska substansen varierar, för gräs ligger den ofta kring 50 %, för vissa andra substrat ibland upp mot 80 %.

Möjlig praktisk energiskörd anges vara 4-8 MJ/kg ts både vid kompostering och röt¬ning. Även rötning med aerob förbehandling bör därför ge ett energiutbyte i denna storleksordning. Exempel finns där energiutbytet blivit större.

För komposteringsdelen kan luftbehovet beräknas utifrån substratets kemiska sam¬mansättning, före och efter den aeroba behandlingen. Vid komposteringen bör man vara medveten om att avdunstningen av vattenånga är av betydelse för processens en¬ergibalans. Uttorkningen vid avdunstning av denna ånga kan även påverka processen. Möjligheten att styra luftmängden till komposten är viktig. Omrörning i komposten är viktig för att undvika fuktgradienter och anaeroba zoner. I komposter med gröd¬substrat uppnås ofta temperaturer på 50-60°C, vilket tyder på att aerob förvärmning är möjlig upp till det termofila området. Optimal vattenhalt vid kompostering ligger på 50-70 %.

Potentialen för metanbildning kan beräknas utifrån de kemiska reaktionsformlerna, om substratets kemiska sammansättning är känd. Metangaspotentialen från en vall¬gröda är ca 300 l CH4/kg VS, vilket motsvarar en nedbrytningsgrad av 50-65 % av den organiska substansen. Biogas från de flesta grödor innehåller 50-60 % metan. Rötning går ofta bra vid ts-halter upp till ca 30 %. Vid högre ts-halter sjunker röt¬ningshastigheten snabbt, samt risken ökar att processen går sur. Vallensilage håller vid direktskörd en ts-halt kring 25 %, 40 % om det förtorkas.

Genomförda försök med aerob värmning av ensilage har visat att önskad temperatur (40-55°C) uppnås inom 1-3 dygn. För att uppnå denna temperatur förbrukades 10-15 % av torrsubstansen i ensilaget, vilket tyder på stora värmeförluster vid den aeroba behandlingen, vid jämförelse med teoretiska beräkningar. Vid den aeroba behand¬lingen av ensilaget följde temperatur- och pH-kurvorna det gängse mönstret vid kom¬postering av växtmaterial. Vid den aeroba behandlingen minskade som väntat sub¬stratets mängd av extraktivämnen. Övriga ämnen påverkades endast i ringa grad.

Vid rötning erhölls i försöken mest gas från det obehandlade ensilaget. Mängden metan¬gas från ensilage, aerobt värmt till ca 40°C, var ca 24 % lägre än från det obehand¬lade. Från ensilage, aerobt värmt till ca 50°C, var metangasmängden 35 % lägre än från det obehandlade. Beräkningarna gjordes på bas av mängd ingående ensilage till aerob förbehandling. Från obehandlat ensilage erhölls 380 l metangas/kg VS. Det mesta av gasen erhölls under de 20 första dygnens rötning. Gasen innehöll i samtliga försöksled ca 60 % metan.

Beräkningar har visat att processens (rötning med aerob förvärmning) totala energi¬behov ökar kraftigt vid ts-halter under 15-20 %. Nettoenergiutbytet blir 30-35 % större hos en torrötningsprocess med aerob förvärmning (ts-halt 25 %), jämfört med en konventionell våtrötningsprocess (ts-halt 10%) (ca 50 % större om våtrötnings¬processens ts-halt är 8 % istället för 10 %). Processtemperaturen har, vid beräkning¬arna, antagits vara 38°C.

Jämförs aerob förvärmning av substratet med värmning av detta med en biogaseldad panna, med Pirts ekvationer, finner man att nettoenergiutbytet från processen blir något större vid aerob förvärmning. Om beräkningar med Nyns ekvationer görs med ut¬gående data från Haugs modell kan inga säkra slutsatser kan dras om system med ae¬rob förvärmning eller värmning med biogaspanna ger bäst nettoenergiutbyte.

Luftöverskott, vid det aeroba försteget, har en relativt ringa inverkan på processens nettoenergiutbyte upp till en luftöverskottsfaktor på 15-20 gånger.

Styrning av komposteringsprocessens lufttillförsel efter syre- och/eller koldioxid¬halten i utgående gas från komposten bör ske då processens behov av syre varierar kraf¬tigt mellan olika tidpunkter.

Vid försöken i Alnarp var, vid den aeroba förvärmningen till 40°C, torrsubstans¬förlusterna anmärkningsvärt stora. De var ca 12 gånger större än värmebehovet för upp¬värmningen av substratet. Försöksutrustningen bör därför förbättras innan fler försök görs. Något skiftande resultat från reaktorerna medför att flera upprepningar (minst 3 stycken, gärna fler) måste göras av varje försök vid kommande studier.

I denna studie saknas driftsdata från någon pilotanläggning där växtmaterial torrötas efter aerob förvärmning. Utan sådana blir de beräkningar som gjorts förhållandevis osäkra.

Antal: Ladda ner 4 MB

Tillbaka
Tipsa en vän
  |  
Senast uppdaterad: 2010-07-08

 

JTI - Institutet för jordbruks- och miljöteknik | Box 7033 | 750 07 Uppsala - Växel: 010-516 69 00 | Fax: 018-30 09 56 | info@jti.se