Case: Pilotprosessin ohjaus - Susbio
Biokaasulaitoksen käyttäjäkoulutus Aiheet • • • • Biokaasuprosessi – ”Mitä pöntössä tapahtuu?” Raaka-aineet ja kaasuntuottopotentiaali Prosessin seuranta ja mittaukset laboratoriossa Seurantakaavakkeen koulutus ja reaktorin hoitoon liittyvät päivittäiset rutiinit Susbio – Sustainable utilization of waste and industrial non-core material Euroopan Unionin, Central Baltic INTERREG IV A puiteohjelman 2007-2013, rahoittama tutkimus- ja kehitysprojekti. • Kokonaisbudjetti n. 1,5 milj.€ • Kesto 5.2012 – 8.2013 • Turun Ammattikorkeakoulu • Tallinn Technical University • Aiheita • Terveysvaikutteisten komponenttien eristys teollisuuden syötäväksi kelpaavista sivuvirroista, Bioenergian tuotanto pilotkokoluokassa, raaka-ainevirrat, menetelmiö ja tekniikoita raakaaineiden prosessointiin jne. Biokaasulaitokset meillä…. • Suomessa biokaasulaitoksia on ollut 90-luvun alusta lähtien. • Pääasiassa biokaasua hyödynnetään kaatopaikoilla, teollisuudessa, maatilojen yhteydessä ja yhteislaitoksina. • Vuonna 2009 Suomessa • 18 biokaasulaitosta jäteveden puhdistamojen tai teollisuuden yhteydessä • maatilojen yhteydessä 9 laitosta • yhteiskäsittelylaitoksia 6 • Suunnitteilla olevia laitoksia 14. Suomen kaatopaikoista 33:lla biokaasua kerättiin talteen vuonna 2008 • Vuonna 2008 Suomessa tuotettiin biokaasua 142,14 miljoonaa kuutiota. Tästä määrästä tuotettiin lämpöä 405,5 GWh ja sähköä 56,6 GWh. …ja maailmalla, Ruotsi • http://www.biogasportalen.se/BiogasISverigeOchVarlden /Anlaggningskarta#lan=undefined …ja Saksassa Esimerkki biokaasuprosessista Energiakasvit - maissi, sokeriruoko Maatalous -lanta Biokaasu Biokaasuprosessi -kasvimassa Biohajoava jäte -teollisuus -yhdyskunnat Jäännös - ravinteet - org. aines Pelto - Lämpö - Lämpö ja Sähkö - Maakaasuverkko - Alueverkko - Liikennepolttoaine Biokaasuprosessin eri vaiheet • Materiaalien vastaanotto ja varastointi • Mahdollinen esikäsittely (murskaus, hygienisointi 1 h, 70°C) • Varsinainen reaktorikäsittely • Jälkikäsittelyt • Jälkikaasuallas (10-15 % kokonaiskaasuntuotosta) • Neste-kiinteä -erottelu (fosfori kiinteään ja typpi nestejakeeseen) • Lopputuotteet; kaasu ja mädätysjäännös • Biokaasun käsittely käyttökohteesta riippuen (pesu, kuivaus, puhdistus, paineistus) Mistä biokaasu koostuu? • muodostuu mikrobien hajottaessa orgaanista ainesta hapettomissa • • • • (anaerobisissa) olosuhteissa tuotantoon voidaan käyttää lähes kaikkea orgaanista ainesta koostuu 60 – 75 % metaanista 25 – 40 % hiilidioksidista ( + rikkivety, ammoniakki, vety, häkä) voidaan käyttää: lämpö, sähkö, mekaaninen energia, liikennepolttoaine biokaasun laatu ( metaanipitoisuus, kosteuspitoisuus jne.) on suoraan verrannollinen CHP- prosessin toimintaan. Alhainen metaanipitoisuus aiheuttaa käyttökatkoksen. Anaerobinen hajoaminen • Raaka-aineen hajoaminen reaktorissa on monivaiheinen prosessi, josta vastaavat erilaiset mikrobiryhmät • Prosessin päävaiheet: • hydrolyysi (’yhdisteen hajoaminen’) • happokäyminen (asidogeneesi) • etikkahapon muodostuminen (asetogeneesi) • metaanintuotto = biokaasun tuotto (metanogeneesi) • Hajotuksen hitain vaihe määrittää koko prosessin nopeuden Lainattu T. Paavolan esityksestä Meso- vs. termofiilinen prosessi • Termofiilinen prosessi (~55 °C) • Käsiteltävän jätteen nopea hajoaminen • Korkeampi kuormitus • Pienemmät reaktorirakenteet • Herkempi lämpötilan ja pH:n muutoksille sekä inhibitiolle • Mesofiilinen prosessi (~37 °C) • Vakaa toiminta • Alhaisempi lämmitystarve Toimivan prosessin lähtökohdat • Lämpötila • bakteerit eivät kestä suuria lämpötilan muutoksia, varsinkaan nopeita muutoksia (± 1°C) • pH • bakteerien toiminnan edellytyksenä on tietty pH alue (pH 7-8), raaka-aineen puskurointikyky vaikuttaa pH:n stabiiliuteen • Sekoitus • tasainen sekoitus pitää reaktorin massa homogeenisena (ravinteiden tasainen jakautuminen) ja tasalämpöisenä, estäen kerrostumien muodostumisen • bakteerien metaboliatuotteiden vapaa kulkeutuminen pinnalle • sekoituksen optimointi kustannusten ja kaasuntuoton suhteen on erityisen tärkeää • Kuormitus (organic loading rate, ORL) • 2-3 kgVS/m3d • Viipymä • ˃ 20 d Raaka-aineet ja niiden kaasuntuottopotentiaali Sisältö: Kaasuntuottopotentiaali Yhteismädätys ja sen haasteet Kaasuntuottopotentiaalin määritys AMK:ssa Case tuloksia; AMPTS II (perkuujäte) Pilot Kaasuntuottopotentiaali, yleistä • Biokaasulaitoksella voidaan käsitellä mm. • • • • jätevesilietteitä yhdyskuntien ja teollisuuden puhdistamoilta kasviperäisiä jätteitä eläinperäisiä sivutuotteita kuten ruokajätteet lanta • Biokaasun sisältämä metaani muodostuu syötteen sisältämän orgaanisen aineksen (VS) hajotessa. • kaasuntuottopotentiaalilla tarkoitetaan raaka-aineen kykyä tuottaa biokaasua • tutkimuksia tehty runsaasti, mutta vertaaminen vaikeaa, koska ”jokainen prosessi on yksilö” Kaasuntuottopotentiaali, yleistä Yhteismädätys ja sen haasteet Yhteismädätyksellä tarkoitetaan vähintään kahden eri raaka-aineen käyttöä anaerobisessa mädätyksessä • • • tarkoituksena parantaa mädätyksen tehokkuutta huomattavia taloudellisia ja ekologisia etuja verrattuna yhteen raaka-aineeseen metaanin tuotto saattaa kasvaa jopa 50 – 200 % Parantunut kaasuntuotto johtuu monesta tekijästä • yhteismädätyksessä laajempi ravintomateriaali takaa helpommin kaikki tarvittavat hivenaineet ja muut tarvittavat ravintoaineet • yhteismädätyksen suurin haaste on ravintoseoksen erilaisten parametrien tasapainottaminen • ravinteet, hiili-typpi –suhde, pH, erilaiset inhibiot, orgaanisen kiintoaineen määrä • Seoksien suunnittelussa kannattaa ottaa huomioon myös seoksen pumpattavuuden saavuttaminen Yhteismädätyksen tavoitteena pitää olla stabiili prosessi, jolloin pystytään ottamaan mahdollisemman paljon raaka-ainetta vastaan Kaasuntuottopotentiaalin määritys AMK:ssa Case I • voidaan määrittää yksittäisen raaka-aineen kaasuntuottopotentiaali (AMPTS II) • kesto: muutama viikko Case II • voidaan määrittää erilaisten seosten kaasuntuottopotentiaali jatkuvatoimisella AMPTS II laitteistolla • kesto: ylösajo plus kolme viipymää Kaasuntuottopotentiaali laitteisto Case tuloksia; AMPTS II ja Pilot-laitteisto Pilot-kokeen asetukset: • 5%-hapotettua kalaa ja 95% jätevedenpuhdistamon liete • kuormitus (OLR) 2-3,5 kg VS / m3d • VFA alle 10 mmol/l • laskennallinen kesto 108 päivää Tulokset: • metaanintuotto (Liete / yhteismädätys) 0,19 / 0,33 m3CH4/ kgVS • metaanintuotto kasvoi 74 % • Kokonais-VFA KA (Liete / yhteismädätys) 6 / 11 mmol/l Yhteenveto: • Hapotetussa kalassa on hyvä kaasuntuottopotentiaali ja se vaikuttaa positiivisesti kaasuntuottoon myös yhteismädätyksessä • Kaasunkoostumus säilyy samana (metaani 64%, hiilidioksidi 34%) • Yhteismädätys ei mahdollistanut kuormituksen nostoa tässä kokeessa Prosessin seuranta Biokaasuprosessi Sisällysluettelo • • • • • • Miksi mitataan? pH VFA TS/VS Alkaliteetti Ravinnemääritykset Miksi mitataan? • Mittaukset kertovat reaktorin tilasta • Voidaan ennalta ehkäistä mahdollisia ongelmatilanteita – esim. ylikuormitus, inhibitio • Varmistetaan reaktorin toimivuus voidaan vastaanottaa syötteitä tasaisesti Säästää aikaa ja rahaa pH • Prosessin pH vaihtelee orgaanisesta kuormituksesta riippuen • Jokaisella mikrobiryhmällä on oma optimaalinen pHalueensa – metaanibakteerien optimaalinen pH-alue on 6,5 – 7,5 – haponmuodostajabakteerien optimaalinen pH-alue on 5,2 – 6,3 • Liiallinen syöttö johtaa haponmuodostajabakteerien aktiivisuuden lisääntymiseen, jolloin VFA-pitoisuus kasvaa ja pH laskee. Tällöin metaania tuottavien bakteerien elinolot kärsivät, jolloin metaanintuotto laskee pH • Jos syöttö häiriintyy tai keskeytyy, voi pH nousta liikaa. Tällöin haponmuodostajabakteerien toiminta häiriintyy ja koko prosessi saattaa pysähtyä, koska metaanibakteereille ei ole enää ravintoa • pH mitataan kalibroidulla ja/tai viritetyllä pH-mittarilla, jonka elektrodi on tarkoitettu lietteiden mittauksiin • Toimivan prosessin pH on välillä 7-8 Pilotprosessin dataa lisäravinnejaksolta VFA • VFA eli haihtuvat rasvahapot (volatile fatty acids) • Yksi tärkeimmistä indikaattoreista biokaasuprosessin seurannassa • Haihtuvien rasvahappojen kertyminen mädätteeseen kertoo tyypillisesti – liian suuresta kuormituksesta – viipymä on liian lyhyt – uutta syötettä lisätään reaktoriin liikaa. VFA • Rasvahappojen kertyessä mädätteen pH alkaa laskea, mikä heikentää pH-vaihteluille herkkien mikrobien toimintaa ja näin vähentää kaasuntuottoa • Sopivat VFA:n raja-arvot ovat reaktorikohtaisia ja ne pitää määrittää erikseen Pilotprosessin dataa ylikuormitusjaksolta Pilotprosessin dataa tuotantojaksolta VFA • Analyysissä määritetään haihtuvien rasvahappojen pitoisuus näytteestä (g/L, g COD/L, mmol/L) • VFA:n pitoisuusanalyysi tehdään kaasukromatografilla, jolloin näytteen sisältämien rasvahappojen pitoisuudet määritetään standardisuoraa apuna käyttäen • Kaasukromatografi on tarkka analyyttinen laite, jolla voidaan määrittää hyvin pieniä pitoisuuksia TS/VS • TS eli kiintoainepitoisuus (total solids) • VS eli orgaanisen aineen määrä (volatile solids) • Määritys tehdään sekä mädätteestä että syötteestä polttomenetelmillä • Määritys tehdään mädätteestä kerran viikossa ja jokaisesta syöte-erästä TS/VS:stä lasketaan reaktorin kuormitus (kgVS/r-m3d) Kuormitus on tärkein parametri prosessin seurannassa Alkaliteetti • Alkaliteetti kuvaa reaktorin puskurikapasiteettia (mg CaCO3/L, mmol/L) eli kykyä vastustaa pH:n muutosta • End point titrausanalyysi, jossa näyte titrataan 1 M suolahapolla automaattititraattorilla pH-arvoon 4,5 • Voidaan laskea VFA:n ja alkaliteetin suhde, jonka pitäisi olla < 0,25 • Suhdelukua seuraamalla havaitaan muutokset prosessissa ennen kuin häiriö vaikuttaa pH-tasoon Ravinnemääritykset • Käytössä Lasa 100 –spektrofotometri, jolla voidaan määrittää erilaisia kaupallisia kittejä (Ntot, NH4-N, Ctot, liukoinen-P, COD) • Määritetään prosessin ravinnetasapaino (C:N:P) Ravinnemääritykset • Kittitestissä näyte muodostaa värillisen yhdisteen käytettyjen reagenssien kanssa. • Mitä vahvempi näytteeseen muodostuva väri on, sitä suurempi on näytteen sisältämän tutkittavan aineen pitoisuus. Lasa 100 mittaa värin absorbanssin ja laskee mitattavan aineen pitoisuuden (g/L) Prosessin seurannan päivittäiset rutiinit Päivittäisen seurannan merkitys Datan keruu Muut havainnot Reagointi tuloksiin Case: Pilotprosessin ohjaus Päivittäisen seurannan merkitys • Käsitys prosessin tilasta • syötteestä saatava metaanimäärä (m3 CH4/kgVS) • prosessin kaasuntuotto (m3/m3d) • Laitteiston rikkoutumisen ehkäiseminen, kun vika huomataan ajoissa • Perusta prosessin optimoinnille • Analyyseillä pyritään keräämään tietoa mikrobipopulaation tilasta! • Päivittäiset mittaukset saattavat olla ensimmäinen indikaattori prosessin ongelmasta Datan keruu • • • • • • kaasumäärä kaasun koostumus syöttömäärä ja –laatu (huom. VS %) reaktorin lämpötila poikkeukselliset tapahtumat CHP:n sähkön ja lämmöntuotto Pilotprosessin dataa tuotantojaksolta Pilotprosessin dataa tuotantojaksolta Muut havainnot • • • • vaahtoaminen hajut (esim. kaasuvuoto) oudot äänet (esim. pumppu rikkoutumassa) kondenssivesi Reagointi tuloksiin • Suuret muutokset missä tahansa parametrissa ovat yleensä huono asia! • Täytyy keskittyä kokonaiskuvaan • Vaikka yksi tulos saattaa olla normaalista poikkeava, sille voi olla järkevä selitys • Poikkeamille tulisi aina löytää selitys, jotta tiedetään missä mennään • Tärkeää että dataa kerätään jatkuvasti • Tekniset ongelmat otettava aina huomioon (mittarit) • Ongelmatilanteen selvitys lisäanalyyseilla (VFA, pH, alkaliteetti, C/N/P) • Prosessin kuormitus tulisi tuntea koko ajan --> ei liian suuria muutoksia (0,5 kgVS/m3d viikossa) Pilotprosessin dataa ylikuormitusjaksolta Case: Pilotprosessin ohjaus Kuormitus VFA 2,5-3,5 kgVS/m3d <10 mmol/l Syöte Viipymä Kaasuntuotto pH Jätevedenpuhdistamon liete + 1 lisäraaka-aine 23-35 vrk noin 1,0-1,5 m3/m3 7,5-7,8 Case: Pilotprosessin ohjaus Case: Pilotprosessin ohjaus
© Copyright 2024