De anaerobe mesofiele en thermofiele vergisting van varkensdrijfmest: de invloed van een thermisch-oxidatieve voorbehandeling op het vergistingsproces

De anaerobe mesofiele en thermofiele vergisting van

varkensdrijfmest

Citation for published version (APA):

Meesters, J. J. P. (1985). De anaerobe mesofiele en thermofiele vergisting van varkensdrijfmest: de invloed van een thermisch-oxidatieve voorbehandeling op het vergistingsproces. (Waste management; Vol. WMIII1984/02). Technische Hogeschool Eindhoven.

Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/1985 Document Version:

Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.

• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.

• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.

Link to publication

General rights

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain

• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.

If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:

www.tue.nl/taverne Take down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us at: openaccess@tue.nl

providing details and we will investigate your claim.

Onderzoek en advisering op het gebied van afval- en milieubeheer door de KHT en de THE.

DE ANAEROBE MESOFIELE EN THERMOFIELE VERGISTING VAN VARKENSDRIJFMEST

februari 1985

Deelrapport nr. \JMIII 19 84/0 2 van de rapportage betreffende fase III 1984 van het KHT-THE-Provincie Noord-Brabant pro-ject 'Waste Management'.

KHT· postadres Postbus 90153. 5000 LE Tilburg KHT· adres Gebouw 8. kamers 1007-1009 KHT· telefoon (013) 662431/662010

THE- postadres Postbus 513. 5600 MB Eindhoven THE- adres Hoofdgebouw, kamer 3.04 THE-telefoon (040) 474554/472118

VARKENSDRIJFMEST

De invloed van een thermisch-oxidatieve voorbehandeling op het vergistingsproces

Afstudeerverslag van J.J.P. Meesters

Februari 1985

Technische Hogeschool Eindhoven

Afdeling der Scheikundige Technologie

Afstudeercoach ir. S.P.P. Ottèngraf

Het onderzoek naar de invloed van een thermisch oxidatieve voorbehandeling op de vergisting van varkensdrijfmest is uitgevoerd als deelproject van het Waste Management fase III.

Het project Waste Management betreft een gezamenlijk onder-zoeksprogramma van de Provincie Noord-Brabant, de Katholieke Hogeschool Tilburg en de Technische Hogeschool Eindhoven. Het project dient uiteindelijk een aantal bouwstenen op te leveren voor het provinciaal afvalstoffenbeleid voor de periode 1986-1990.

In tegenstelling tot de experimenten beschreven in het rap-port 'Vergisting van drijfmest en zuiveringsslib: de invloed van thermische, thermisch-chemische en thermisch-oxidatieve voorbehandeling op het vergistingsproces' (1983), zijn in de onderhavige studie de vergistingsprocessen in continu doorstroomde reactoren uitgevoerd.

De economische haalbaarheid van de anaerobe vergisting van v~rkensdrijfmest staat of valt met de conversiegraad en de omzettingssnelheid van het proces.

Anaerobe vergisting van varkensdrijfmest vindt plaats in drie stappen: hydrolyse, zuurvorming en methaanvorming. Uit voorgaande onderzoeken is gebleken dat de hydrolyse de snelheidsbepalende stap is.

In het onderhavige onderzoek is bezien of een thermisch-oxidatieve voorbehandeling van de mest een gunstig effect heeft op het vergistingsproces: het materiaal wordt thermisch reeds gedeeltelijk gehydrolyseerd en moeilijk vergistbare stoffen worden mogelijk geöxideerà tot gemakKelijker te vergisten stoffen.

Allereerst is de invloed onderzocht van een thermisch-oxidatieve voorbehandeling bij 120, 150 en 180°c op de roesofiele vergisting (32°C) van varkensdrijfmest.

Voor-stijging van de methaanproductie tijdens de vergisting. Een thermisch-oxidatieve voorbehandeling bij 180°C had geen of nauwelijks invloed op de rnethaanproductie.

Vervolgens is de invloed onderzocht van een thermisch-oxidatieve voorbehandeling op de thermofiele vergisting

(55°C) van varkensdrijfrnest. Bij een gemiddelde verblijf-tijd van 18 dagen in de vergister resulteerde een voorbe-handeling bij 120°C in een lichte daling van de methaan-productie, een voorbehandeling bij 150°C veroorzaakte een geringe stijging.

Overschakeling van een verblijftijd van 18 dagen naar 12 dagen resulteerde in een aanzienlijke daling van de methaan-productie bij alle proefmonsters. Bij deze verblijftijd bleken alle voorbehandelde monsters minder methaan te produceren dan een onbehandeld monster.

Een economische evaluatie van het voorbehandelingsproces

bij 120°C, toegepast op de roesofiele vergisting van varkens- . drijfmest, wees uit dat ook bij de geconstateerde sterke

stijging van de methaanproductie het niet rendabel is een voorbehandeling in het vergistingsproces in te bouwen.

Concluderend. kan gesteld worden dat thermisch-oxidatief voorbehandelen van varkensdrijfrnest, met als doel de rentabiliteit van het vergistingsproces te verhogen, niet toepasbaar is.

1. Inleiding 1

2. De anaerobe vergisting 3

2.1. Het micro-biologische verloop van de vergisting 3 2.2. Oorzaken van de slechte vergistingseigenschappen

van varkensdrijfmest

2.3. Verbetering van het vergistingsproces door een thermische, een thermisch-chemische, of een thermisch-oxidatieve voorbehandeling

2.3.1. Eisen waaraan de voorbehandeling

4

4

moet voldoen 4

2.3.2. Mogelijke voorbehandelingen 5

3. Literatuuronderzoek 6

3.1. Onderzoek aan de Stanford University, California 6 3.1.1. De gevolgde werkwijze 6 3.1.2. Lignocellulose-achtige materialen 6 3.1.3. Stikstofhoudende materialen 7 3.2. Onderzoek door Pfeffer en Khan 7 3.3 Het onderzoek van TNO in Aoeldoorn 8 3.4. Het onderzoek aan de T.H. Eindhoven 8 3.5. Biogasproductie uit varkensdrijfmest bij

semi-continue vergisting 9

3.6. Discussie en conclusies van het

literatuur-onderzoek 9

4. Meetresultaten 11

4.1. De invloed van een thermisch-oxidatieve voorbehandeling op de roesofiele vergisting van varkensdrijfmest

4.1.1. De voorbehandelingen 4.1.2. De vergisting

4.2. De invloed van een thermisch-ox~datieve voorbehandeling op de thermofiele vergisting van varkensdrijfmest 4.2.1. De voorbehandelingen 4.2.2. De vergisting 4.3. Conclusies 4.3.1. De roesofiele vergisting 4.3.2. De thermofiele vergisting 11 11 12 17 17 18 20 20 21

5. Economische evaluatie van het

voorbehandelings-preces bij roesofiele vergisting 22 5.1. Berekeningsmethode van de kosten en de baten

van de voorbehandeling 5.1.1. De kosten 5.1. 2. De baten 5.2. De investeringen 5.2.1. De pomp 5.2.2. Compressor 1 5.2.3. De warmtewisselaar 5.2.4. Compressor 2

5.2.5. Ênergieverbruik voor verwarming reactielucht

5.2.6. De voorbehandelingsreactor 5.2.7. De gasmotor/generator

5.3. De rentabiliteit van het voorbehandelings-nreces 5.4. Discussie van de economische evaluatie 6. Conclusies en aanbevelingen

Literatuurlijst

Lijst van gebruikte afkortingen en symbolen Appendices

Appendix Ia Mesofiele vergisting

Analyseresultaten van de monsters Ib Thermofiele vergisting

Analyseresultaten van de monsters I Ia Mesofiele vergisting

Dagelijkse methaanproductie per versus de tijd

IIb Thermofiele vergisting

Dagelijkse methaanoroductie per versus de tijd

III Mesofiele vergisting

m m 3 vdm 3 vdm 23 23 25 25 25 26 26 30 31 31 32 33 35 37 38 42 45 45 46 47 50

Gemiddelde dagelijkse methaanoroductie per 3

m vdm versus de dag van de week 53 IV Mesofiele vergisting

Gemeten en berekende CODtot-waarden;

Gemeten gehaltes aan lagere vetzuren Vb 'l'hermofiele vergisting

Gemeten gehaltes aan lagere vetzuren VI De gebruikte analysemethoden

VII Experimentele uitvoering

VIII De biologische afbreekbaarheid van varkensdrijfmest

IX De invloed van diverse fysisch-chemische factoren ou de vergisting

x

XI XII

De temperatuur

Het vaste stofgehalte De pH Voedingssamenstelling Menging Toxische stoffen De afzetproblematiek van vdm in 1980 Ammoniakstripper

De correctiefactor E voor het logarit-misch gemiddelde temperatuurverschil versus het thermisch rendement Pth voor

55 56 57 59 62 64 64 66 67 67 68 68 71 72

l. Inleiding

Als gevolg van de explosieve groei van de bic-industrie de afgelopen jaren zijn er problemen ontstaan rnet betrekking tot de afzet van de geproduceerde mest. De bodem kan narnelijk slechts een bepaalde maximale belasting met in mest aanwezige stoffen verdragen. Overschrijding van deze norm heeft een negatieve invloed op de kwaliteit en/of kwantiteit van het verbouwde produkt. r1et na1ne de belastingen met nitraat, fosfaat en kaliurn spelen hierbij een grote rol. Varkensmest heeft bovendien nog een hoog gehalte aan kooer. Het koper hoopt zich op in de grond en op den duur wordt het gehalte aan koper zo hoog dat regenwormen sterven waardoor de

luchtigheid van de grond afneemt.

Op basis van milieukundige normen voor fosfaatbelastingen van de grond berekenden H. Boeltink en D. Logernann (l) voor 1979 een jaarlijks overschot aan fosfaat voor Nederland van 80.662 ton. Dit komt neer op een overschot aan varkensdrijfmest van 16 miljoen ton of een overschot aan rundveedrijfmest van 40 miljoen ton.

Hen zal dus verwerkingsmetheden moeten vinden welke zowel uit

milieukundig als uit economisch oog?unt aanvaardbaar zijn.

Eén van de veelbelovende mogelijkheden is geschetst in figuur 1.

VLOK~1IDDEL

EFFLUE:~T

-figuur !

Belangrijke voordelen van het opnemen van een anaerobe vergistingsreactor in dit proces z~Jn:

1. Productie van een energiedrager (nethaan).

2. Reductie van het COD-gehalte van de mest; dit is de hoeveelheid zuurstof, uitgedrukt in g/1, welke nodig is om de mest volledig af te breken.

Reiniging door anaerobe vergisting alleen is onvoldoende omdat een volledige COD-reductie door anaerobe vergisting onmogelijk is. Tevens vindt er tijdens de anaerobe vergisting slechts een geringe reductie plaats van het stikstof- en

fosfaatgehalte.

Procestechnisch gezien zijn de nadelen van anaerobe vergisting:

1. Een grote gevoeligheid voor temperatuurschommelingen en de aanwezigheid van toxische stoffen.

2. Een lage conversiegraad ( lager dan 50% oo COD-basis) 3. Een lage reactiesnelheid waardoor lange vergistings-tijden

(!

20 dagen) en derhalve grote reactoren nodig zijn.

Het doel van het onderhavige onderzoek is beide laatste nadelen te verkleinen: een hogere conversiegraad betekent een hogere gasproductie en een hogere COD-reductie, verhoging van de reactiesnelheid verlaagt de investeringskosten van het proces.

Getracht wordt dit doel te bereiken door de mest thermisch-oxidatief voor te behandelen: monsters varkensdrijfmest zijn bij verschillende temperaturen ( 120 tot 180°C) voorbehandeld in de aanwezigheid van lucht. De aldus verkregen monsters zijn semi-continue vergist bij temperaturen van 32°C (meso-fiele vergisting) en 55°C (thermo(meso-fiele vergisting) met een onbehandeld monster als referentie.

2. De anaerobe vergisting

2.1. Het micro-biologische verloop van de vergisting

De anaerobe vergisting kan in drie achtereenvolgende stappen ingedeeld worden: hydrolyse, zuurvorming en methaanvorming. Hydrolyse en zuurvorming worden bewerkstelligd door

~~r~l~s~-~a~t~rië~ (a). Deze bacteriën scheiden exo-enzyrnen

uit die hoogmoleculaire stoffen hydrolyseren tot monomeren: polysacchariden tot eenvoudige suikers, vetten tot glycerol en vetzuren. Door fermentatieprocessen ontstaan vervolgens uit de monomeren laag moleculaire stoffen: lagere vetzuren, alcoholen, H₂, co, co₂, NH

3 en H2

s .

~c~t~aib~c!eEi~n (b) zetten propionzuur, lagere vetzuren en

andere fermentatieproducten om in azijnzuur en een waterstof-kooldioxide-mengsel. Dit laatste geschiedt alleen bij een

-5

lage waterstofspanning (PH lager dan 9.10 atm.) •

go~o~a~eia~t~a~t~rië~

(c) 2zetten het waterstof-kooldioxide-mengsel om in acetaat en vetzuren. Deze groep bacteriën is nauwelijks actief, omdat de waterstofspanning laag gehouden wordt door de methaanbacteriën.

Methaanvorming wordt bewerkstelligd door ~e1h~anb~c1e~i~n (d). Deze bacteriën zijn zeer substraatspecifiek en gebruiken

slechts H₂, co

2, CO, methanol, mierezuur en azijnzuur als

substraat. Ze hebben een zeer lage groeisnelheid en vereisen strikt anaerobe condities.

Dit alles resulteert in het volgende schema:

ORG&~ISCH MATERIAAL

I

a • b . . VETZUREN --~---.--t•~H

2

+ _{C0 2}

~ACETAAT

_+d

_d

cH₄ + co 2 ~figuur

2--Schema micro-biologische afbraak van organisch materiaal

-2.2. Oorzaken van de slechte vergistingseigenschappen van varkensdrijfmest

Als belangrijkste oorzaken van de slechte vergistings-eigenschappen van varkensdrijfmest zijn te noemen:

l.De aanwezigheid van biologisch niet-afbreekbare stoffen. Naast het feit dat deze stoffen zelf niet afbreekbaar zijn kunnen zij er tevens de oorzaak van zijn dat de vergisting van biologisch wél afbreekbare stoffen verhinderd wordt. Een voorbeeld hiervan is lignocellulose. In dit complex zijn het afbreekbare cellulose en hemicellulose omgeven door een onafbreekbare lignine-matrix.

2.De aanwezigheid van biologisch langzaam afbreekbare stoffen. Hieronder vallen complexe (onopgeloste) stoffen als vetten en polysacchariden. De afbraak van deze stoffen gaat langzaam omdat deze stoffen alle fasen van de micro~biologische

afbraak moeten doorlopen.

3. Het hoog vaste stofgehalte.

Een hoog vaste stofgehalte zal tot gevolg hebben dat de

micro-organismen gedeeltelijk omsloten zullen zijn met inert vast materiaal. Hierdoor zal de specifieke activiteit van de micro-organismen-populatie dalen en daarmee de overall reactiesnelheid.

2.3. Verbetering van h~t vergistingsproces door een thermische, een thermisch-chemische of een thermisch-oxidatieve

voorbehandeling

2.3.1. Eisen waaraan de voorbehandeling moet voldoen

Uit 2.2. blijkt dat een voorbehandeling van varkensdrijfmest een gunstig effect kan sorteren op de vergisting indien: -biologisch niet-afbreekbare stoffen omgezet worden in

biologisch wel afbreekbare, waarbij eventueel ingesloten stoffen vrijkomen,

-het organisch materiaal gehydrolyseerd wordt,anders dan langs micro-biologische weg,

-het vaste stofgehalte verlaagd wordt.

Hydrolyse en verbreking van de chemische structuur van biologisch niet-afbreekbare stoffen hebben automatisch een verlaging van het vaste stofgehalte tot gevolg omdat in het algemeen onoplosbare stoffen omgezet worden in oplosbare stoffen.

2.3.2. Mogelijke voorbehandelingen

Naast vermalen, invriezen of bestralen, voorbehandelingen waarvan weinig effect verwacht wordt, zijn de mogelijkheden:

Een louter !h~~i~c~e_v2oEb~h~n~e!i~g

Hierbij wordt het materiaal gedurende een bepaalde tijd op een temperatuur hoger dan 150°C gehouden. Dit heeft hydrolyse tot gevolg. Lotens (2) vond bij een thermische behandeling van zuiveringsslib met een CCDtot-gehalte van 69 g/1 een verhoging van het CODfil-gehalte met een factor 3 bij

temperaturen van 160 tot 220°C en verblijftijden groter dan een half uur.

Een !h~~i~c~-~h~m!s~h~ ~o2r~e~a~d~lin~

Het hydrolyserende effect van de thermische voorbehandeling zal nog versterkt worden door de toevoeging van natronloog of kalk.

Een !h~r~i~c~-2x!d~tie~e_v2oEb~h~n~e!i~g

Naast de thermische hydrolyse vindt er bij deze behandeling ook nog een partiële oxidatie plaats. Hierdoor ontstaan

er mogelijk gemakkelijk vergistbare stoffen als lagere vetzuren.

3. Literatuuronderzoek

Door verscheidene onderzoekers is de invloed onderzocht van thermische, thermisch-chemische en thermisch-oxidatieve voorbehandelingen op de vergisting van organische materialen.

3.1. Onderzoek aan de Stanford University, California

Onder leiding van P.L. McCarthy (3,4,5,6,7) werd de invloed onderzocht van thermische en thermisch-chemische voorbehan-delingen op de vergisting van verschillende organische

materialen. De onderzochte materialen zijn onder te verdelen in twee groepen:

-lignocellulose-achtige materialen als huisafval, agrarisch afval en hout,

-stikstofhoudende materialen als primair en secundair afvalwaterslib en dierlijke mesten.

Het doel van de onderzoekers was door de voorbehandeling de afbreekbaarheid van het materiaal te verhogen.

3.1.1. De gevolgde werkwijze

Het materiaal werd voorbehandeld bij temperaturen van 120 tot 250°C, terwijl de pH gevariëerd werd van 1 tot 13. De voorbehandelingsduur bedroeg steeds 1 uur.

Na de voorbehandeling werd het materiaal geneutraliseerd met natronloog of zoutzuur. De anaerobe roesofiele vergist-baarheid werd bepaald door aan 7,5 ml monster 143 ml ent

toe te voegen. Gedurende 25 tot 30 dagen werd de gasproductie gemeten en vergeleken met de gasproductie van zowel onbehandeld materiaal als entmateriaal.

3.1.2. Lignocellulose-achtige materialen

Voor deze materialen vond men dat een thermische

voor-behandeling de biologische afbreekbaarheid nauwelijks verhoogt. Toevoeging van natronloog of zoutzuur tijdens de thermische voorbehandeling sorteerde een veel sterker effect. Hieruit kan geconcludeerd worden dat voor de verbreking ·van het

ligninecomplex extreme omstandigheden nodig zijn. Het gemeten optimum lag bij pH= 13 en T

=

200°C. De conversiegraad van de vergisting steeg als gevolg van de voorbehandeling van 51 naar 58% net als gevolg een 14% hogere gasproductie.

Bij elke pH-waarde vor.d men een optimale temperatuur boven welke de vergistbaarheid weer daalde. Dit is waarschijnlijk te wijten aan polymerisatiereacties van eenvoudig te vergisten stoffen als suikers, furfuralen en allerlei zuren tot

onvergistbare producten. Dergelijke reacties treden vooral op bij een hoge pH, een hoge temperatuur en een hoge concentratie aan opgeloste stoffen.

3.1.3. Stikstofhoudende materialen

Onderzoek is verricht naar de thermische en thermisch-chemische voorbehandeling van primair en secundair afvalwaterslib. Bij primair slib resulteerden genoemde behandelingen niet in een stijging van de vergistbaarheid. De onderzoekers vermoeden dat als gevolg van allerlei nevenreacties onafbreekbare stoffen ontstaan.

Bij secundair slib vond men wel positieve resultaten. Een thermische voorbehandeling bij 175°C resulteerde in een stijging van de conversiegraad van 48 naar maximaal 68%. Verder verhogen van de temperatuur veroorzaakte een daling van de conversiegraad. Verhoging of verlaging van de pH bij de voorbehandeling gaf slechts een geringe stijging van de conversiegraad. Gezien de hoge kosten van chemicaliën achten · de onderzoekers het niet zinvol het materiaal

thermisch-chemisch voor te behandelen.

De daling van de conversiegraad bij hogere temperaturen schrijven de onderzoekers toe aan het optreden van Browning-reacties. Dit zijn polymerisatiereacties van vooral amine-en carboxylgroepamine-en waarbij nitrogamine-ene polymeramine-en amine-en copolymeramine-en

(melanoidinen) ontstaan. Browningreacties treden vooral op

bij hoge temperaturen en extreme pH-waarden.

3.2. Onderzoek door Pfeffer en Khan

Pfeffer en Khan (8) onderzochten de invloed van een thermisch-chemische voorbehandeling op de vergisting van huisvuil. De meest extreme voorbehandeling (130°C en 3 g NaOH per 100 g droge stof) resulteerde in een gasproductieverh~ging van 20% ten opzichte van niet-behandeld huisvuil.

Pfeffer en Khan vergeleken in hun onderzoek echter de resultaten van proeven met voorbehandeld materiaal met resultaten van proeven met onbehandeld materiaal welke zij twee jaar eerder gedaan hadden. Het valt derhalve te betwijfelen of men de gevonden resultaten met elkaar mag vergelijken.

3.3. Het onderzoek van TNO in Apeldoorn

Door Van Voórneburg (9) zijn bij TNO proeven uitgevoerd met betrekking tot de invloed van een thermisch-chemische voorbehandeling beneden 100°C op de vergisting van varkens-drijfmest. De voorbehandelingstemperatuur werd gevarieerd van 36 tot 90°C, de kalktoevoeging van 0 tot 25 g/1 (pH tot

12,7). De voorbehandelingsduur bedroeg maximaal 24 uur. Batchgewijze vergisting bleek echter niet tot gunstige vergistingsresultaten te leiden.

3.4. Het onderzoek aan de Technische Hogeschool Eindhoven Door Oesterbroek (10) is de invloed onderzocht van een thermische voorbehandeling op de vergisting van zuiverings-slib en de invloed van een thermische, een thermisch-chemische, en een thermisch-oxidatieve voorbehandeling op de vergisting van varkensdrijfmest.

Thermische voorbehandelingen van zuiveringsslib bij 80 en 150°C leidden tot een hogere conversiegraad voor de vergisting. Een voorbehandeling bij 80°C gaf het beste resultaat te zien, narnelijk een verdubbeling van de gasopbrengst na 56 dagen. Er trad geen gasproductie op bij materiaal dat bij 220°C

voorbehandeld was, wat geweten werd aan de vorming van toxische verbindingen.

Voor varkensdrijfmest vond Oesterbroek een daling van de conversiegraad na thermische voorbehandelingen op 120, 150 en l80°C, terwijl er na een voorbehandeling bij 220°C

helemaal geen vergisting meer optrad. Ook thermisch-chemische voorbehandelingen bij 150 en 180°C, met natronloog of kalk als toeslag, resulteerden in een lagere conversiegraad van de vergisting vergeleken met de conversiegraad van de

Een thermisch-oxidatieve voorbehandeling daarentegen

resulteerde in een aanzienlijke stijging van de conversie-graad; ook de tijdens de proeven gemeten maximale dagelijkse gasproductie lag voor de thermisch-oxidatief voorbehandelde monsters duidelijk hoger. De conversiegraad steeg door een voorbehandeling bij 150 of 180°C met 14, respectievelijk 9%, de maximale dagelijkse gasproductie met res~ectievelijk 90 en 165%.

3.5. Biogasproductie uit varkensdrijfmest bij semi-continue verqisting

De semi-continue vergisting van varkensdrijfmest is door verschillende onderzoekers bestudeerd. Tabel 1 toont de gevonden resultaten. Onderzoeker Van Velsen ( 11) Braun ( 12) Aubart (13) Wilkie ( 14) Hashimoto (15) Chavadej ( 16) Temperatuur (oC) 30 ? 37 ? 55 ? verblijftijd (dagen) 15 10-15 11 6 5 14 -Tabel 1-methaanproductie 3 3 (rn CH₄

I

m vdrn) 12 12 8 12 16 9

-Resultaten van semi-continue vergisting van diverse onder-

zoekers-3.6. Discussie en conclusies van het literatuuronderzoek Uit het literatuuronderzoek blijkt dat thermische, thermisch-chemische en thermisch-oxidatieve voorbehandelingen een

oositief effect kunnen hebben op de vergistbaarheid van organische materialen. Uit het onderzoek van Oesterbroek blijkt dat in het geval van varkensdrijfmest de beste

resultaten te verwachten zijn met een thermisch-oxidatieve voorbehandeling.

Semi-continue vergisting van aldus voorbehandelde varkens-drijfmest zal moeten resulteren in een aanzienlijke stijging van de gasproductie ten opzichte van de waarden vermeld in tabel 1, dit in verband met de extra investerings- en

4. Meetresultaten

4.1. De invloed van een thermisch-oxidatieve voorbehandeling .op de mesofiele vergisting van varkensdrijfmest.

4.1.1. De voorbehandelineen

Vijf monsters varkensdrijfmest Z~Jn batchgewijs voorbehandeld in een hoge drukreactor (zie appendix VII), waarbij de

temperatuur, de fractie lucht in de reactor f en de druk in de reactor gevarieerd werden. De voorbehandelingsduur was steeds 1 kwartier. Tabel 2 toont de belangrijkste analyse-resultaten van de vijf voorbehandelde monsters en het onbehandelde monster. (Voor alle analvseresultaten zie appendix Ia)

Monster Voorbehandeling

T p _{f CODtot CODfil pH VFA} (OC) (atm (g/1) (g/1) (meq/1)

1

-

-

-

100 36 7,2 282 2 120 65 0,4 98 37 7,4 301 3 150 65 0,4 98 48 7,3 296 4 180 65 0,4 98 58 7,2 316 5 180 65 0,5 97 56 7,1 314 6 180 80 0,6 95 58 7,3 280 -Tabel

2--Analyseresultaten van de zes monsters

vdm-Er heeft dus slechts een geringe oxidatie plaatsgevonden ( 2 tot 5% ) . Toename van het CODfil-gehalte trad pas op bij 150 en 180°C. Verhoging van f en P bij 180°C gaf geen verdere verhoging van het CODfil-9ehalte te zien.

Het gehalte aan lagere vetzuren is gestegen door de voor-behandeling, behalve bij monster 6, wat misschien te wijten is aan een gedeeltelijke polymerisatie van de vetzuren.

4.1.2. De vergisting

Alle zes monsters zijn geënt met gistende varkensdrijfmest verkregen uit proeven van H.J.M. Oosterbroek. De vergisters

(zie appendix VII), met een inhoud van 1 liter, werden gevuld met 600 ml monster en 300 ml entmateriaal.

De vergisting vond plaats bij 32°C. Het

geprodu~eerde

methaangas werd gezuiverd van kooldioxide en opgevangen in een gasburet. Na een aanloopperiode, variërend van 4 tot 5 weken waari~ niet gevoed werd, is begonnen met de continue vergisting. Dagelijks (vijf dagen per week) werd 63 ml gistende varkensdrijfmest afgetapt en 63 ml vers materiaal toegevoegd, wat neerkomt op een gemiddelde verblijftijd van 20 dagen. Deze verblijftijd werd gedurende de gehele

proef constant gehouden om de invloed van de voorbehandelingen goed te kunnen waarnemen.

Tijdens de vergisting werd dagelijks de gasproductie gemeten (niet in het weekend) . Van het effluent werd regelmatig het caotot-gehalte bepaald evenals de pH en het gehalte aan

lagere vetzuren. Het CODfil-gehalte werd één keer gemeten. In appendix IIa zijn de dagelijkse methaanproducties van de zes monsters weergegeven in m3 methaan per m3 vdm. Hierbij

is voor de zaterdag, de zondag en de maandag steeds een gemiddelde waarde uitgezet. (m3 methaan bij 23°C)

Tabel 3 geeft de gemiddelde waarde van de methaanProductie voor de vier weken waarin de vergisting het best verliep en tevens de maximale gasproductie gevonden in 1 week.

Monster Methaanproductie Maximale methaanproductie

(Nm 3 CH 4

I

3 _{vdm) (Nm}3 _CH 4

I

3 _vdm) m m 1 7,7 8,9 2 16,5 18,0 3 16,0 20,4 4 10,7 10,9 5 9,6 10,4 6 7,7 8,9 -tabel

-Uit tabel 3 blijkt duidelijk dat de voorbehandelingen bij 120 en 150°C een sterke stijging van de methaanproductie bewerkstelligd hebben, terwijl de voorbehandelingen bij 180°C slechts een geringe of geen stijging veroorzaakt hebben in vergelijking met de methaannroductie van het onbehandelde monster.

Uit Appendix IIa blijkt dat voor monster 3 nog geen statio-naire toestand bereikt is. De in tabel 3 gegeven waarde voor de methaanproductie van monster 3 kan dus nog aan de lage kant liggen:

Om te bepalen of het onregelmatige voeden (niet in het weekend) invloed had op de stabiliteit van het vergistingsproces, werd voor elke dag van de week de gasproductie gemiddeld. (zie appendix III). Hieruit blijkt dat alleen voor monster 2

de methaanproductie in het weekend achterbleef bij de methaan-productie in de rest van de week, de andere monster vertoonden geen daling van de methaanproductie tijäens het weekend.

Appendix IV toont de gevonden CCDtot-waarden en daarnaast de CCDtot-waarden welke berekend zijn uit de eerste gemeten CODtot-waarde, de dagelijkse methaanproducties en de CCD-waarde van de voeding. Deze theoretische waarde volgt uit een CCD-balans:

met

( 1)

Q : voedingsdebiet in 1/d

V .

COD · CCD-waarde van de voeding in g/1 _v· Qeff: Effluentdebiet in 1/d

CODeff: CCD-waarde van het effluent in g/1 (= CCD-waarde van de gistende mest in de vergister)

QCH : methaanproductie in 1/d

4

2,64 : omrekeningsfactor van liters methaan naar g COD Methaan reageert met zuurstof volgens:

Hieruit volgt dat voor oxidatie van 1 liter 0

CH

4 (23 C, 1 atm) nodig is: ---1-.273.2.32 = 2 64 , g 0 2

V : Volurne van de vergister in l verg

,6CaO: toename van de cao-v1aarde van de gistende mest in g/1 .6t: tijdsinterval, waarin de cao-toename heeft

plaatsgevonden in dagen

Als .6 t op l daq gesteld wordt, is het mogelijk om uit de caoeff-waarde op dag i (= caoi) en de methaanproductie oo dag i+l de waarde van caoeff op dag i+l (=Caoi+l) te

berekenen:

Qv

COOi+l = cao1 + V . (Caov - caoi) -verg

QCH

4

2 , 6 4 . -vverg Hierbij is tevens Qeff gelijkgesteld aan Qv. Met Q

=

0,063 1/d

V

V _verg

=

0,9 1 volgt:

caoi+l

=

0,93.CaOi + 0,07.CaOv- 2,93.QCH 4

( 2)

( 3)

Uit appendix IV blijkt dat de theoretisch berekende Caotot-waarden redelijk overeen komen met de gemeten caotot-Caotot-waarden.

Uit de gemeten caofi₁-waarden (zie appendix IV) valt af te leiden dat hydrolyse van de vaste stof bij het onbehandelde monster een veel grotere rol speelt dan bij de voorbehandelde monsters. Als we narnelijk voor elk monster (COOv-caoeff)

vergelijken met (caofil,v-caofil,eff) krijgen we het volgende beeld:

Monster (CODv-CODeff) (CODfil,v-CODfil,eff) (CODfil,v-CODfil,eff) (CODv-CODeff) (g/1) (g/1) 1 19 6 0,32 2 40 26 0,65 3 30 22 0,73 4 30 19 0,63 5 25 19 0,76 6 22 15 0,68 -tabel

4--Afname van het CODfil-gehalte in vergelijking tot

de afname van het

CODtot-gehalte-In deze tabel is te zien dat bij het onbehandelde monster

het grootste gedeelte van de CODtot-afname tijdens de vergisting voor rekening komt van afbraak van vaste stof,·

terwijl dit bij de voorbehandelde monsters niet is. De microbiologische hydrolyse, welke nog een grote rol speelt

bij het onbehandelde monster, is bij de voorbehandelde

monsters blijkbaar vervangen door een thermisch-oxidatieve hydrolyse. Hierbij dient wel opgemerkt te worden dat bij

monster 2 het CODfi₁-gehalte niet toegenomen was door de

voorbei1andeling; waarscnijnlijk worden bij de voorbehandeling opgeloste stoffen omgezet in gemakkelijker te vergisten

stoffen.

Het gehalte aan lagere vetzuren lag tijdens de vergisting

niet erg laag (zie appendix V). Hieruit blijkt dat naast

hydrolyse de methaanvorming ook een belangrijke rol speelt

bij de afbraaksnelneid.

De pH varieerde sleerits weinig tijdens de vergisting (minder

dan 0,4 pH-eenheid) en nad bij alle monsters een waarde van ongeveer 8, terwijl Oasterbroek (10) een pH-waaràe van

Wanneer we de vergister beschouwen als een continue ideale menger, kunnen we de reactiesnelheidsconstante k (dag-1) voor elk monster berekenen uit een COD-balans:

Hieruit volgt:

k.t

=

CODv - CODeff

CODeff

liCOD Uit vergelijking ( 1) volgt met

1, t == 0

( 4)

QCH

CODeff:::: (CODv-

2,64.~

(5)

V

Combinatie van (4) en (5) geeft:

k. T

=

Het T

=

20 dagen is het nu mogelijk om uit de methaanproductie

en het COD -gehalte voor elk monster de reactiesnelheid3· -v

constante k te berekenen. (zie tabel 5) * Monster _{(QCH /Qv)} COD k 4 V m3;m 3 g/1 d -1 1 8,4 100 0,014 2 17,9 98 0,047 3 17,4 98 0,044 4 11,6 98 0,023 5 10,4 97 0,020 6 8,3 95 0,015 -tabel

5--Reactiesnelheidsconstanten van de afbraak van de

*

verschillende

monsters-Omdat de factor 2,64 berekend is met de

methaanpro-ductie üij 23°C, moet ook voor de waarde van

(QCH /Qv) de waarde bij 23°C ingevuld worden.

In tabel 5 zien we dat k bij de monsters 2 en 3 ruim

drie maal zo groot is als k bij monster 1. Ook bij de monsters 4 en 5 is k groter dank bij monster 1, echter het verschil is minder groot ( een factor 1,5).

4.2. De invloed van een thermisch-oxidatieve voorbehandeling op de thermofiele vergisting van varkensdrijfmest

4.2.1. De voorbehandelinaen

Vier monsters varkensdrijfmest werden thermisch-oxidatief voorbehandeld, twee bij 120°C, twee bij 150°C. De wijze van voorbehandelen is beschreven in appendix VII. De druk was steeds 60 atm, de fractie lucht in de reactor bedroeg

0,4. De verblijftijd was 15 minuten.

Voor een goede thermofiele vergisting is het noodzakelijk dat de NH

4-N-concentratie lager is dan 2 g/1. Omdat vdm 4 tot 5 g/1 NH

4-N bevat, moesten alle monsters eerst gestript worden.

Elk monster vdm ( 4 voorbehandelde en 2 onbehandelde) werd met calciumhydroxide op pH = 10 gebracht. In de installatie,

zoals geschetst in appendix XI, werd vervolgens de ammoniak uit de vdm. gestript: in de eerste natte wandkolom stroomt vdm langs de wand naar beneden, in de tweede kolom een 25%-ige zwavelzuuroplossing. In tegenstroom wordt lucht door de kolom-men gepompt. In de eerste kolom neemt de lucht ammoniak on uit de vdm, in de tweede wordt de ammoniak geabsorbeerd in de zure oplossing.

Na het strippen werden drie monsters geneutraliseerd: één

onbehandeld monster , één monster dat bij 120°C voorbehandeld was, en één monster dat bij 150°C voorbehandeld was. Het

neutraliseren gebeurde met zoutzuur tot een oH van om en nabij 7. De overige drie monsters werden niet aeneutraliseerd. De

invloed van het al dan niet neutraliseren op de verqisting

kon op deze manier onderzocht worden.

_Tabel 6 toont de belangrijkste analyseresultaten van de zes

~e vergisten monsters én van een onbehande1d, ongestript

monster, dat als referentie fungeerde, aangeduid met R. (Voor

Monster Voorbehandelings- _{CODtot CODfil} pH NH 4-N VFA temperatuur (OC) _{(g/1) (g/ 1) ( g/ 1) (meq/1)} 1

-

100 41 7,5 _{1 '1} 333 2

-

100 37 10,1 1,0 343 3 120 97 40 7,1 1,8 375 4 120 97 37 9,5 1,8 380 5 150 94 55 7 1 1 1,5 392 6 150 94 47 9,9 1 1 4 397 R

-

103 33 7,2 4,2 322 -tabel

6--Analyseresultaten van de 7

monsters-De oxidatiegraad bedroeg dus voor de bij 120°C voorbehandelde monster 3%, voor de bij 150°C voorbehandelde monsters 6%. Het CODfil-gehalte is toegenomen bij de monsters 5 en 6. De geneu-traliseerde monsters hebben een hogere waarde van CODfil dan de niet geneutraliseerde monsters; blijkbaar worden bij hogere pH bepaalde stoffen gebonden aan de vaste stof.

Het gehalte aan NH

4-N is bij alle monsters lager dan 2 g/1, wat vereist is voor een goed verlopende thermofiele vergisting. Als gevolg van de voorbehandelingen zijn de gehaltes aan lagere vetzuren gestegen.

4.2.2. De vergisting

De vergisters zijn opgestart met een mengsel van koeiernest en water in de verhouding 1:4. Koeien hebben een hogere lichaams-temperatuur dan varkens, waardoor de bacteriën uit koeiernest zich gemakkelijker kunnen acclimatiseren aan thermofiele omstan-digheden (55°) dan bacteriën uit varkensmest. De verdunning van 1:4 werd gemaakt om het NH₄-N-gehalte laag te maken.

Na drie weken werd begonnen met de voeding van de vergisters: eerst drie weken met een verblijftijd van 18 dagen, vervolgens vijf weken met een verblijftijd van 12 dagen. De nH is enkele malen gemeten, evenals het gehalte aan laoere vetzuren.

Appendix IIb geeft de dagelijkse methaanproductie van de zes monsters in Nm3 methaan per m3 vdm. Voor de zaterdag, de zondag en de maandag is steeds een gemiddelde waarde uitgezet. Tabel 7 ge~ft de gemiddelde waarden van de methaanProducties van de zes monsters. Monster Methaanproductie (Nm 3 CH₄

I

m 3 vdm) T = 18 dagen 1 = 12 dagen 1 16,4 8,1 2 17,2 14,4 3 15,7 9,8 4 16,7 8,9 5 18,2 10,4 6 17,6 9,1

tabel 7 De methaanproductie voor de verschillende monsters

Deze tabel laat zien dat er als gevolg van de voorbehandeling bij 120°C een lichte daling is opgetreden (3-4%) in de methaan-productie bij T

=

18 dagen. De bij 150°c voorbehandelde

monsters vertonen een geringe stijging van de productie. (2-11%)

Door de overschakeling van T

=

18 dagen o~ 1

=

12 dagen is de methaanproductie voor alle monsters gedaald (16-51%). De thermisch voorbehandelde monsters bleven bij deze verblijftijd duidelijk achter bij het onbehandelde, niet geneutraliseerde monster, terwijl het onbehandelde, geneutraliseerde monster de laagste productie noteerde. Gemiddeld daalde de productie

door voorbehandelen bij 120°C met 18% en door voorbehandelen bij 150°C met 13%.

De lage methaanproductie voor monster 1 moet veroorzaakt zijn door de toename van de Cl--concentratie. Door neutra-lisatie van de varkensdrijfmest na het ammoniakstrip~en

is de Cl -concentratie ongeveer verviervoudigd (tot 9 g/l) wat blijkbaar funest is voor de thermofiele vergisting.

Het gehalte aan lagere vetzuren (zie appendix Vb) lag bij de meting voor T

=

18 dagen laag, voor T

=

12 dagen weer hoger. Het verloop van het gehalte aan lagere vetzuren

komt globaal overeen met het verloop van de methaanproductie.

De pH had tijdens de vergisting voor alle monsters een waarde tussen 7,0 en 8,1. Deze varieerde slechts weinig.

Uit de formule gegeven in 4.1.2. is het mogelijk voor de verschillende monsters de reactiesnelheidscanstante te bere-kenen. Zie tabel 8.

Monster k -1 (dag ) T

=

18 dagen T

=

12 dagen 1 0,049 0,025 2 0,054 0,058 3 0,048 0,034 4 0,054 0,029 5 0,069 0,039 6 0,064 0,032 -tabel 8. De reactiesnelheidsconstanten

voor de afbraak van de verschillende monsters

We zien in deze tabel een toename van k bij de monsters 5 en 6 voor T = 18 dagen ten opzichte van de onbehandelde monsters. Voor T = 12 dagen is k voor alle voorbehandelde monsters veel kleiner dan k voor monster 2, terwijl ook k van monster 1 klein is.

4.3. Conclusies

4.3.1. De roesofiele vergisting

Een thermisch-oxidatieve voorbehandeling van vdm bij 120 of 150°C geeft een sterke stijging van de methaanproductie. Een thermisch-oxidatieve voorbehandeling bij 180°C had nau-welijks of geen positief effect op de methaanproductie, waarschijnlijk als gevolg van de vorming van onvergistbare

Omdat bij monster 2 het CODfil-gehalte niet toegenomen was door de voorbehandeling, wordt de stijging van de methaan-productie waarschijnlijk veroorzaakt door omzettingen van

opg~loste stoffen in gemakkelijker te vergisten stoffen.

Uit de redelijk hoge concentraties aan lagere vetzuren tij-dens de vergisting kan geconcludeerd worden dat ook de methaan-vorming een stap van het vergistingsproces is welke mede

bepalend is voor de reactiesnelheid.

De vergisting verliep redelijk stabiel, echter een meer

gelijkmatige voeding kan de stabiliteit en daarmee de methaan-productie mogelijk nog verhogen.

4.3.2. De thermofiele vergisting

Thermisch-oxidatieve voorbehandelingen bij 120 en 150°C hebben nauwelijks of geen positieve invloed op de methaan-productie. Bij een verblijftijd van 18 dagen vertoont het bij 150°C voorbehandelde monster nog een enigzins hogere rnethaanproductie, bij een verblijftijd van 12 dagen is de methaanproductie het hoogst bij het onbehandelde,

on9eneutra-liseerde monster. Voor alle monsters geldt dat de methaan-productie per rn3 vdrn daalt bij overschakeling van T

=

18

dagen op T

=

12 dagen. Het slechter verlopen van de vergisting uit zich tevens in een stijging van het VFA-gehalte. In

tegenstelling tot het verloop van de methaanproductie bij

de roesofiele vergisting, verloopt bij de thermofiele vergisting de methaanproductie nogal onregelmatig, wat duidt op een

5. Economische evaluatie van het voorbehandelingsproces bij roesofiele vergisting

Een bij per

thermisch-oxidatieve voorbehandeling van varkensdrijfmest 120 of 150°C heeft een sterke stijging van de gasproductie m3· varkensdrijfmest tot gevolg. Wegens het geringe verschil in gasproductieverhoging tussen beide voorbehandelingen onder-ling wordt gekozen voor de laagste voorbehandeonder-lingstemperatuur, 120°C.

In dit hoofd~tuk worden de kosten en baten van de voorbehandeling naast elkaar gelegd: de opbrengst uit de extra gasproductie zal immers de extra investerings- en bedrijfskosten moeten compenseren.

roer tor

membraanpomp warmtewisselaar _{I - - -.... lucht}

I I

;-0

compressor 1 vergister reactor CH

I

I

I

I - -

j

L -figuur 3-I

_I

L -

~El

_ectr1c1te1t . . .

-Processchema van de

In dit proces wordt de onbehandelde mest opgewarmd met de reeds voorbehandelde mest in 6en tube-shell-warmtewisselaar. Een membraanpomp, aangedreven door compressor 1, pompt de mest door de warmtewisselaar de reactor in. Compressor 2 comprimeert de reactielucht tot 5 bar. Deze druk wordt gehandhaafd in de reactor om te voorkomen dat de mest in de reactor of de warmte-wisselaar gaat koken. De voorbehandelde mest stroomt via de warmtewisselaar naar de vergister.

Een qedeelt~ van de extra qasopbrengst ( a.~.v. de

voorbehan-deling) wordt gebruikt om de reactor op 120°C te houden. De rest wordt omgezet in electriciteit. Na aftrek van de electri-citeit nodig voor de beide compressoren en de roerder van de reactor blijft een netto electriciteitsopbrengst over, welke geleverd wordt aan het plaatselijke electriciteitsnet.

5.1. Berekeningsmethode van de kosten en de baten van de voorbehandeling

5.1.1. De kosten

De jaarlijkse kosten van de voorbehandelingsinstallatie kunnen onderverdeeld worden in:

Kapitaalskasten _ . A a _ _ _ _ _ _ kapitaalskasten onderhoudskosten energiekosten arbeidskosten

Van elke procesunit wordt de investering I bij de leverancier opgevraagd voor een bepaalde capaciteit. De investering bij een andere capaciteit volgt uit:

met i.c.f.

=

de investering -capaciteit-factor.

Deze factor is door Mills (28) en Eauman (29) voor diverse procesunits bepaald.

Gutbrie (30) heeft op basis van gegevens van 42 plants uit de procesindustrie voor verschillende procesunits de factor bepaald, waarmee de kale investering van de unit vermenig-vuldigd dient te worden om te komen tot de investering nodig voor de geinstalleerde unit. Deze factor duidde hij aan met

de term 'bare module factor'. (b.m.f.) In deze factor zijn verwerkt:

pijpleidingen fundering instrumenten electrische installatie isolatie verf

plaatsen van de unit transport

verzekeringen belastingen

tijdelijke faciliteiten salarissen voor tijdelijk

personeel Tenslotte wordt de investering nog vermenigvuldigd met de factor onvoorzien, f _onv. . In deze berekening wordt voor f _onv. de in de praktijk vaak gehanteerde waarde 1,1 gebruikt.

De totale investering, Itot' wordt dan: Itot = I . (b.m.f.) .fonv.

De totale investering wordt met de methode der annuïteiten verdeeld over de afschrijvingstermijn. De annuïteit a is de fractie van de totale investering welke gedurende de afschrij-vingstermijn ( n jaren) jaarlijks afgeschreven dient te worden bij een bepaalde rente i: _i(1+i)n

a

=

(1+i)n - 1

Aangenomen wordt dat de installatie in 8 jaar afgeschreven wordt met een rente van 8%. Dit geeft voor de annuïteit een waarde van 0,174 .

Onderhoudskosten

De onderhoudskosten worden berekend als zijnde 3% van het geinvesteerde bedrag.

~n~rgi~k~s!_e!!

Het methaan wat nodig is voor het in stand houden van de reactietemperatuur in de voorbehandelingsreactor wordt onttrokken aan de extra methaanproductie.

Indien het voorbehandelingsproces is voorzien van een gasmotor/

generator, wordt de benodigde electriciteit voor het proces aan de electriciteitsgenerator onttrokken; als dit niet het geval is, wordt electriciteit afgenomen van het plaatselijk electriciteitsbedrijf.

Arbeidskosten

Aangenomen wordt dat de gemiddelde arbeidskosten per manjaar

t 75.000,- bedragen en dat het aantal arbeidskrachten voor de voorbehandelingsinstallatie 2 bedraagt.

5.1.2. De baten ..

De baten van de voorbehandeling bestaan uit de vergoeding

voor de geleverde electriciteit, óf de vergoeding voor

het gas, indien het mogelijk is het biogas rechtstreeks te gebruiken of als zodanig te verkopen. Hieruit volgen zes verschillende scenario's.

5.2. De investeringen

5.2.1. De pomp

Hethon in Ruurlo levert een membraanpomp met een capaciteit van 5,56 kg/s vdm voor f 13.700,- .

Voor de pomp geldt: i.c.f. = 0,70 ; b.m.f.

=

3,48

Tabel 9 toont de investering van de pomp voor verschillende capaciteiten.

0

_vdm

0

_pomp 1_tot (103 ton/j) (kg/s) (103 guldens) 25 0,79 13 50 1,59 22 100 3,17 35 200 6,34 58 500 15,85 109 1000 31,71 177

pomp-5.2.2. Compressor 1

Compressor 1 levert de benodigde perslucht voor de mernbraanpomp. Bij een capaciteit van 5,56 kg/s vdm verbruikt de pomp 3 m3/min perslucht van 7 bar.

Arnero, Badhoevedorp, levert een compressor die deze capaciteit levert voor f 13.480,- met een electrisch vermogen van 18 kW. Aangenomen wordt dat het compressorvermogen rechtevenredig is met Qvdm.en dat I evenredig is met (P )i.c.f.

comp

Voor compressoren geldt: i.c.f.

=

0,82 ; b.m.f.

=

3,21

Tabel 10 toont voor de verschillende ca?aciteiten de benodigde investering voor compressor 1 en het benodigde vermoqen.

Qvdm Pcomo.l 1tot (103 ton/j) (kW) (103 guldens) 25 3 10 50 5 17 100 10 30 200 21 53 500 51 112 1000 103 198

-Tabel lD.Vermogen en investering voor compressor

1-5.2.3. De warmtewisselaar

Gekozen is voor een tube-sheli-warmtewisselaar uit r.v.s 316.

t2---+---~---.~ tl

T2·~----~---+----Aannames: T ₁

=

120°C ; t ₂

=

20°C · C _{' p,vdm}

=

3 3 > 0 < 0

P _vdm

=

10 kg/m • t -_{' 1-} 35 C ·, T₂

=

105 C ;

de energie welke nodig is om de vdrn van 105°C te verwarmen tot 120°C

=

de energie welke nodig is om onbehandelde vdm te verwarmen van 20 tot 35°C bij een vergisting zonder voorbehandeling. Deze laatste aanname impliceert dat verwarming van de vdm

van 105 tot 120°C geen extra kosten meebrengt.

Als t

1 laag is (klein warmteoverdragend oppervlak), is er veel gas nodig om de reactor op 120°C te houden. Is t

1 hoog, dan i's er weinig gas nodig. De totale kosten (kapitaalkosten + onderhoudskosten + energiekosten) moeten geminimaliseerd worden. Hieruit volgt de optimale grootte van de warmtewis-selaar (s).

Voor tube-sheil-warmtewisselaars uit r.v.s. 316 gelden de volgende prijzen en waarden van i.c.f.: (bron WEBCI (31) )

AWW I

~

i.c.f. (m2) ( 1

o

3 glds) (m2) 10 35 0 - 10 0,314 50 90 10 - 50 0,583 100 154 50 - 100 0,772 500 512 100 - 500 0,755 > 500 0,657

-tabel 11. prijzen en waarden van i.c. f. van

tube-shell-warmtewisselaars-De kapitaalskasten van de warmtewisselaar zijn gelijk aan: I . b.m.f . . fonv . a= I . 3,39 . 1,1 . 0,174 = 0,65 . I De onderhoudskosten zijn gelijk aan:

I . b.m.f . . f 0,03 = I.3,39. 1,1 ~ 0,03 = 0,11 I onv

De totale kosten K

1 zijn dan gelijk aan: 0,76 . I Voor de energiekosten geldt:

Hierin is: Qvdm" ( 105 -t1).cp,vdm K2 = . fCH ( 1) Hv,CH 4 4 H _v,CH 4 fCH 4

de verbrandingswarmte van methaan de prijs van 1 m3 methaan

Een warmtebalans over de warmtewisselaar geeft:

0vdm.cp,vdm· (l 2 0-T2)

=

Aww.U. (~tm,log)corr. ( 2 ) Hierin is U de warmteoverdrachtscoëfficiënt in w;m2•0c.

(~t

1 ) is het aecorrigeerde logaritmisch gemiddelde m,. og corr. ·

-temperatuurverschil in °c.

e is de correctiefactor voor (~t

1 ) voor het feit dat

m, og

een tube-shell-warmtewisselaar geen zuivere tegenstroom-warmtewisselaar is.

( 3)

Het thermisch rendement Pth van de warmtewisselaar is gelijk aan:

Tl-T2 120-T₂ pth

=

_Tl-t2

=

_120-20 Uit ( 4) volgt T₂

=

( 1 2 0- 1 0 0 p th )

U1't (3) en (4) volgt·. (At _{o m, log} )

₌

(100 lOOP

_-

_th )

(5) en (6) invullen in (2) met C d

=

4,2 kJ/kg.°C en p,v m

u=

150 w;m2•0c geeft: A

=

WW 28 ·Qvdm.Pth (l-P th) • E ( 4) (5) ( 6)

In 'Tubular exchangers manufacturers association' (32) zijn grafieken gegeven waarin e als functie van Pth weergegeven is voor series van warmtewisselaars (zie appendix XII).

Het is dan mogelijk bij een gekozen waarde voor Q _vdm P _th te varieren. Uit Pth volgt met behulp van Appendix XII e,

uit Pth' Qvdm en e volgt Aww.

Uit A kan met behulp van tabel 11 de investering voor de

WW

warmtewisselaar berekend worden, waaruit dan de kosten K 1 volgen. Uit Pth en Qvdm volgt K₂ uit formule (1). (er geldt dat (105-t₁)

=

(85-lOOPth) )

(K

1+K2) kan bij elke waarde van Qvdm geminimaliseerd worden. Uit K₁ volgt de benodigde investering , uit K

2 volgt het

jaarlijks verbruik aan methaan voor verwarming van de vdm tot 105°c, Q . Tabel 12 geeft de resultaten weer voor verschillende

vl

gasprijzen.De keuze van deze prijzen wordt verklaard in § 5.3. De waarden voor I in tabel 12 zijn de kale investeringen,

'WW

14 ₄

.

4

Aantal ww's _AWW I _{WW Qv} Aantal ww's A _{WW Iww Qv} Aantal ww's A _WW I _{WW Qv} 0_vdm

1 1 1 1 10 35 183 1 20 53 131 1 16 46 148 25 l 20 53 367 1 41 80 266 1 41 80 266 50 1 50 90 661 1 82 132 531 1 82 132 531 100 1 127 184 1194 1 163 223 1063 1 163 ·223 1062 200 1 408 445 2656 1 633 598 2191 1 633 598 2190 500 1 1000 822 4778 2 869 1472 2919 2 736 1320 3317 1000 I N \0 I

Scenario D. fCH

=

f 0,46 _{Scenario E. fCH}

₌

f 0,56 _{Scenario F. fCH}

₌

f 0,78

4 4 4

Aantal ww's A I _Qv Aantal ww's A I _Qv Aantal ww's A I _{Qv 0} vdm WW WW ₁ WW WW ₁ WW WW ₁ 1 20 53 133 1 27 63 116 1 37 76 103 25 1 55 97 233 1 55 97 232 2 43 165 146 50 2 58 202 398 2 74 244 332 2 98 303 265 100 2 147 412 663 2 174 468 584 3 155 643 399 200 2 435 935 1461 2 605 1161 1129 3 508 1552 731 500 2 981 1594 2654 2 776 2050 1991 3 1000 2446 1460 1000

Tabel 12. De benodigde investering voor de ww en de benodigde waarde van Q voor verschillende v1

capaciteiten en verschillende scenario's. ~ in m 2

,

I _WW in 10 3 _{guldens, Qv} in 10 3 m3 _{CH 4/j, Qvdm in 10}3 ton/j.

5.2.4. Compressor 2

Compressor 2 comprimeert de reactielucht tot 5 bar. In de batchexperimenten bedroeg de zuurstofafname bij een verblijf-tijd van 15 minuten 11 gew-%. Deze 11% afname zal ook bij de continue voorbehandelingsreactor gebruikt worden.

Een partiële oxidatie van vdm van 2% komt bij een CCD-waarde van de mest van 100 g/1 neer OP een zuurstofconsumptie van 2.10-3 kg

o

₂;kg vdm.

Lucht bevat op gewichtsbasis 22% zuurstof; het luchtdebiet

Q

1 wordt dan: 2.10 -3 .Q d .10 6

v m

(0,22-0,11.0,22).1,29.365.24.60

0₁

=

0,122.Qvdm m3/min

Geveke, Amsterdam levert een zuigercompressor, die 16,5 m3/min lucht van 5 bar levert, voor f 50.000,- . Deze comoressor heeft een stroomverbruik van 71 kW.

Het stroomverbruik van de comoressor wordt rechtevenredig met Q

1 geacht, de investering evenredig met Q1i.c.f. i.c.f.

=

0,82 ; b.m.f.

=

3,21

Tabel 13 toont de benodigde investerinq en het stroomverbruik van compressor 2.

0 vdm Ql p _{I tot}

( 1

o

3 ton/j) (m3 /min) (kW) ( 1

o

3 gulden)

25 3 13 44 ' 50 6 26 77 100 12 52 137 200 24 103 240 500 61 258 509 1000 122 516 898

2-5.2.5. Energieverbruik voor verwarming reactielucht Als reactielucht wordt lucht van buiten aangezogen. Deze lucht wordt gecomprimeerd tot 5 bar. Omdat de reactielucht de reactor in gaat met een temperatuur van 20°C en de reactor verlaat met een temperatuur van 120°C, is er energie nodig om de reactor op 120°C te houden. Het is niet rendabel om een warmtewisselaar toe te passen om nog warmte terug te winnen uit de gereageerde lucht wegens de lage

warmteover-drachtscoëfficiënt . De hoeveelheid methaan welke nodig is om de reactielucht te verwarmen van 20 tot 120°C, Qv , is

2 gelijk aan:

=

o

₁

.60.24.365.c

₀

,

₁

.~T

=

H. v,CH 4

In tabel 14 ziJ"n de waarden van Q _-v weergegeven als functie van Q d .

_{v m}

0_vdm (103 ton/j) 25 50 100 200 500 1000 2 Qv 2 (103 m 3 CH 4/j) 5 10 20 41 lOl 203

-tabel 14. _Qv als functie van Qvdm

2

5.2.6. De voorbehandelingsreactor

Uitgegaan wordt van een verblijftijd van de vdm in de reactor van 15 minuten, zoals in de batchexperimenten. Het reactor-volume VR wordt 2 keer zo groot gekozen als nodig is voor

de vdm. 6

2.15.Q d .10

V

=

V m

R 3

365.24.60.10

Dan geldt:

₌

_5,7.10 -2 _.ovdm

Veenstra uit Coevorden levert een dubbelwandig reactorvat (VR = 8 m3) uit rvs 316 inclusief roermotor (PR

=

2,2 kW) voor t 48.500,- .

Voor een verticaal reactorvat geldt: i.c.f.

=

0,65

0 vdm VR PR 1_tot (103 ton/j) (m ) 3 (kW) (10 3 guldens) 25 1, 4 0,4 75 50 2,9 0,8 120 100 5,7 1,6 186 200 11 3,1 285 500 29 7,8 535 1000 57 16 830

-tabel 15 Investering en roerdervermogen van de voorbehandelingsreactor

5.2.7. De gasmotor/generator

Bij de scenario's A, C enE wordt het geproduceerde gas, na aftrek van Q en Q , gebruikt om electriciteit op te

v1 v2

wekken. Dit gebeurt met een gasmotor/generator.

Omdat het vergistingsproces zonder voorbehandeling in deze scenario's ook een gasmotor/generator bevat en de investering voor de gasmotor/generator niet rechtevenredig is met het

geleverde vermogen, moet de extra investering voor een grotere gasmotor/generator ( a.g.v. de voorbehandeling) berekend

worden uit het verschil tussen de investering met voorbehan-deling, IGM' en de investering zonder voorbehanvoorbehan-deling, IGZ" Deze berekening wordt uitgevoerd voor elke combinatie van scenario en varkensdrijfmestàebiet.

Voor onbehandelde mest is de methaanproductie gelijk aan

3 3

8,9 m per m vdm; voor voorbehandelde mest is de productie gelijk aan 18,0 m3;m3 vdm. (zie tabel 3)

Het benodigde vermogen van de gasmotor/generator is gelijk aan: p = QCH .2,3 4 365.24 = 0,26.QCH 4

Hierin is: 2,3: het aantal kWh dat uit 1 m3 methaan geproduceerd kan worden.

QCH : de netto methaanproductie in 103 m3/j 4

Voor onbehandelde mest is QCH gelijk aan 8,9.Qvdrn· Voor voorbehandelde mest is QCH

g~lijk

aan:

4

(18,0.Q d - Q - Q ) v m v

1 v2

Van Velsen (17) vermeldt voor een gasmotor/~enerator van 550 kW een prijs van f

825.000,-i.c.f.

=

0,75

b.m.f.

=

1,46

Voor de extra investering en het extra geleverde vermogen van de gasmotor/generator zie tabel 16.

Scenario A Scenario C Scenario E Qvdm IG PG IG PG IG PG 25 31 10 58 19 80 28 50 51 20 117 46 140 55 100 132 60 202 94 305 145 200 276 152 336 186 548 311 500 668 466 834 587 1201 863 1000 1285 1071 1714 1451 2096 1796

tabel 16. De extra investering en het extra geleverd vermogen van de gasmotor/generator, voor de scenario's A, C, en E. 1G

=

1 GM-1 Gzi

PG

=

PGM-PGzi IG in 103 guldens; PG in kW;

Qvdm in 103 ton/j.

5.3. De rentabiliteit van het voorbehandelingsproces In tabel 17 zijn de resultaten weergegeven van de

berekening van de kosten en de baten van het voorbehan-delingsproces voor zes verschillende scenario's. Deze scenario's gaan uit van verschillende baten van het proces (bron: Wijnands (33)):

Scenario A

Het gas wordt met behulp van een gasmotor/generator

omgezet in electriciteit. Deze electriciteit wordt geleverd aan het electriciteitsnet: vergoeding 8 ct/kWh. Omdat l m3 methaan 2,3 kWh oplevert (17), komt dit neer oo een prijs/

3

'

waarde voor het methaangas van 2,3.8

=

18 ct/m .

Scenario B

3 Het gas wor~t geleverd aan het gasnet: opbrengst 32 ct/m

Scenario C

Electriciteit wordt geleverd aan een naburige industrie: opbrengst 13 ct/kWh (dus 29 ct/m3 methaan).

Scenario D

Gas wordt geleverd aan een naburige industrie: opbrengst 46 ct/m3 methaan.

Scenario E

De geproduceerde electriciteit wordt intern gebruikt. De prijs is dan gelijk aan de dagstroomprijs: 25 ct/kWh. Dit komt neer op 56 ct;m3 methaan.

Scenario F

Het gas wordt intern gebruikt en gewaardeerd tegen de prijs van huisbrandolie waarbij rekening gehouden wordt met het verschil in verbrandingswarmte. Opbrengst: 78 ct;m3·methaan.

De ~aEi!a~l~o~t~n van het proces zijn berekend door alle

investeringen van de verschillende procesunits te sommeren en te vermenigvuldigen met de annuïteit.

De onde~h~u~s~o~t~n zijn berekend als zijnde jaarlijks 3%

van de totale investering.

De arbe~d~k~s!e~ zijn onafhankelijk gesteld van de capaciteit

De ~n~r~i~k~s!e~ voor de scenario's A, C en E zijn nihil omdat alle energie welke nodig is voor de voorbehandeling onttrokken wordt aan de extra qas/electriciteitsproductie. Voor de scenario's B, Den F is het noodzakelijk electri-citeit in te kopen van het electriciteitsbedrij~ à 25 ct/kWh.

De ~a!e~ van het voorbehandelingsproces volgen uit de

opbrengst uit het extra geproduceerde gas, respectievelijk de extra geproduceerde electriciteit.

Tabel 17 geeft voor de verschillende scenario's de waarden van (baten-kosten) per m3 vdm voor verschillende capaciteiten van de installatie. (Baten-kosten) Qvdm _Qvdm ( 103 ton/j) (guldens/ton) A B

c

D E F 25 -8,6 -9,0 -8,9 -8,5 -8,7 -7,2 50 -5,1 -5,4 -5,3 -4,9 -5,0 -3,2 100 -3,3 -3,6 -3,4 -3,0 -3,0 -1,1 200 -2,3 -2,5 -2,3 -1,8 -1,7 +0,1 500 -1,6 -1,7 -1,5 -0,9 -0,7 +1,2 1000 -1,2 -1,2 -1,0 -0,3 -0,0 +2,0 -tabel 17. (baten-kosten) per m 3 vdm van de

voorbehan-deling als functie van de capaciteit.

5.4. Discussie van de economische evaluatie

Uit tabel 17 blijkt dat alleen voor scenario F het

voor-behandelinasoroces rendabel is voor orote capaciteit. Echter, dit scenario gaat uit van een volledig gebruik van het

geproduceerde gas in het eigen bedrijf. Het is zeer onwaar-schijnlijk dat dit realiseerbaar is, met name in de zomer-maanden.

Er is bij de evaluatie geen rekening gehouden met kosten voor grondaankoop, kantoren, gebouwen, bestrating en warmte-verliezen van de installatie.

Bij de berekening van de investering van de diverse proces-units is er van uitgegaan dat het mogelijk is elke unit tot elke gewenste schaal op te schalen. Dit kan met name

bij de membraanpomp, de compressoren en de gasmotor/generator problemen opleveren. Het wordt dan noodzakelijk ·om meerdere units parallel te schakelen waardoor de totale investering hoger komt te liggen.

Bij de warmtewisselaar is een overall-warmteoverdrachts-coëffièiënt aangenomen van 150 W/m2.0c. Deze is gekozen uitgaande van fouling-factors voor de warmtewisselaar van

0,002. Als deze waarden te laag ingeschat zijn wordt U kleiner dan 150 w;m2.0c, en daarmee de warmtewisselaar groter en duurder. Zijn deze waarden te hoog ingeschat, wordt de warmtewisselaar kleiner en goedkoper.

Bij het op temperatuur houden van de reactor is uitgegaan van een verbrandingsrendement van 100% voor de verbranding van het gas. Ook zijn voorzieningen welke nodig zijn voor de verwarming van de reactor niet opgenomen in de berekening.

Stoken van biogas levert als afvalgas so₂ op. Het is daarom mogelijk dat de uitlaatgassen van de gasmotor gereinigd dienen te worden.

Bij de berekening is tevens niet gekeken naar andere voor-delen van de voorbehandeling, die een positief effect kunnen hebben op de verdere verwerking van de mest. De con-reductie van de vergisting ligt hoger waardoor de nazuivering minder belast wordt. De filtreerbaarheid van de mest is verbeterd als gevolg van afbraak van grote moleculen tijdens de voorbehandeling.

6. Conclusies en aanbevelingen

Een thermisch-oxidatieve voorbehandeling van

varkens-drijfmest bij 120 of 150°C resulteert bij roesofiele vergis-ting in een aanzienlijke stijging van de methaanproductie. Deze stijging wordt veroorzaakt door omzettingen tijdens de voorbehandeling van moeilijk vergistbare of onvergist-bare stoffeh in gemakkelijker te vergisten stoffen. Een thermisch-oxidatieve voorbehandeling bij 180°C geeft nauwelijks of geen stijging van de methaanproductie,

waarschijnlijk als gevolg van de vorming van onvergistbare en/of toxische s~offen (voorbehandelen bij 220°C maakt vergisting van varkensdrijfmest zelfs onmogelijk (10) ).

Uit een economische evaluatie van de voorbehandeling bij 120°c is gebleken dat het niet rendabel is een thermisch-oxidatieve voorbehandeling toe te passen.

Een thermisch-oxidatieve voorbehandeling bij 120 of 150°C bij de thermofiele vergisting van varkensdrijfmest had slechts een geringe stijging of zelfs een daling van de methaanProductie tot gevolg. Bij een verblijftijd van 18 dagen vertoonden de monsters welke bij 150°C voorbehandeld waren nog een geringe stijging in methaanproductie, voor een verblijftijd van 12 dagen vertoonden alle voorbehandelde monsters een lagere methaanproductie dan het onbehandelde, ongeneutraliseerde monster.

Een thermisch-oxidatieve voorbehandeling van varkensdrijfmest kan derhalve niet gezien worden als een methode om de

rendabiliteit van een vergistingsinstallatie te verhogen.

Een verbetering van de rendabiliteit van het vergistings-proces zal waarschijnlijk gezocht dienen te worden in goedkope methoden.