Masterproef Opzuiveren van biogas tot biomethaan voor het gebruik als vervoersbrandstof of injectie in het aardgasnetwerk

Masterproef Opzuiveren van biogas tot biomethaan voor het gebruik als vervoersbrandstof of injectie in het aardgasnetwerk

Studiegebied Industriële wetenschappen en technologie

Opleiding Master in de industriële wetenschappen: Milieukunde

Academiejaar 2010-2011

Seppe Van Damme

Howest – departement Academische bachelor- en masteropleidingen, Graaf Karel de Goedelaan 5, 8500 Kortrijk

1

2

Masterproef Opzuiveren van biogas tot biomethaan voor het gebruik als vervoersbrandstof of injectie in het aardgasnetwerk

Studiegebied Industriële wetenschappen en technologie

Opleiding Master in de industriële wetenschappen: Milieukunde

Academiejaar 2010-2011

Seppe Van Damme

Howest – departement Academische bachelor- en masteropleidingen, Graaf Karel de Goedelaan 5, 8500 Kortrijk

3

Voorwoord Bij het kiezen van mijn masterproef kwam biogas in verschillende onderwerpen aan bod. Het opzuiveren en opwerken van biogas tot biomethaan voor gebruik als vervoersbrandstof, sprong er voor mij uit omdat er momenteel in Europa enkel in Zweden praktische toepassingen van bestaan. Wanneer ik begon aan mijn masterproef was ik zoals een klein visje in een zee van informatie. Maar, hoewel er veel informatie beschikbaar was, moest ik toch zoeken naar goede, correcte en vooral relevante informatie. Gelukkig kon ik altijd rekenen op de hulp van mijn interne promotor Han Vervaeren. Ik werd ook ondergedompeld in het simulatieprogramma AspenTech plus, waar ik voordien nog niet mee gewerkt had. Het aanleren en efficiënt werken met dit programma was een moeilijke taak . Er doken verschillende problemen op die zeer moeilijk op te lossen waren en zeer veel tijd in beslag namen.. Zoals vermeld is dit niet enkel mijn verdienste. Hierbij wil ik dan ook mijn interne promotor Han Vervaeren bedanken. Hij hielp me niet enkel met het vinden van goede en relevante informatie, maar hij gaf me ook duidelijke richtlijnen wat er in de masterproef besproken moest worden. Ik wil ook Joël Hoegie bedanken om me wegwijs te maken in AspenTech plus. Ook al was hij mijn promotor niet, hij stond altijd klaar om mij te helpen als ik op een obstakel botste tijdens het programmeren. Hij heeft me altijd zo veel als mogelijk geholpen tijdens het zoeken naar oplossingen voor de lang aanslepende problemen met het programma.

I

Abstract Fermentation is globally used to treat biological waist. In this process biogas is produced and mostly used as a renewable fuel for a cogeneration installation. However the heat produced in a cogeneration installation is in most cases not optimally used and a lot of potential energy is lost. This means there is a need to implement a new technique to use the full energetic potential of the produced biogas. In order to optimize the full potential biogas is processed by removing the CO2 and creating biomethane. Two techniques where researched, the high pressure waterscrubber and an aminescrubber. Both processing installations where designed in AspenTech plus to research and optimize their efficiency and there determine their economical feasibility. The research revealed a positive result in producing biomethane at a reasonable production price in comparison to natural gas or transportation fuels. Both installations had roughly the same costs. By carefully comparing both systems the aminescrubber processing installation was chosen as the best match to produce biomethane. The next step is to build a test installation to confirm the theoretical results and to research the efficiently and cost of new upcoming techniques like the PSA/VPSA.

II

Inhoudsopgave Voorwoord ......................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................ II Lijst van afkortingen ........................................................................................................ VII Lijst van Tabellen ........................................................................................................... VIII Lijst van figuren................................................................................................................ IX Inleiding ............................................................................................................................ 1 1.

Situering bedrijf .......................................................................................................... 2

2.

Literatuurstudie .......................................................................................................... 3 2.1 Inkaderen van het onderwerp .................................................................................. 3 2.1.1 Doelstelling ....................................................................................................... 3 2.1.2 Problematiek ..................................................................................................... 3 2.1.2.1 Biogas ........................................................................................................ 3 2.1.2.2 Biomethaan ................................................................................................ 4 2.2 Opzuiveringstechnieken .......................................................................................... 6 2.2.1 Verwijderen van water....................................................................................... 6 2.2.1.1 Condensatiemethode ................................................................................. 7 2.2.1.2 Droogmethode............................................................................................ 7 2.2.1.3 Vergelijking van de verschillende H2O verwijderingtechnieken ................... 8 2.2.2 Verwijderen van H2S ......................................................................................... 8 2.2.2.1 Verwijdering tijdens het vergistingsproces .................................................. 8 2.2.2.2 Verwijdering na het vergistingproces .......................................................... 9 2.2.2.3 Vergelijking van de verschillende H2S verwijderingtechnieken...................11 2.2.3 Verwijderen van siloxanen (siliciumverbindingen) ............................................12 2.2.3.1 Adsorptie met geactiveerd houtskool .........................................................12 2.2.3.2 Toevoegen van sterke zuren .....................................................................13 2.2.3.3 Adsorptie op vaste adsorbantiemiddelen ...................................................13 2.2.4 verwijderen van zuurstof/lucht ..........................................................................13 2.2.5 Verwijderen van ammoniak ..............................................................................13 2.2.6 Verwijderen van hogere en gehalogeneerde koolwaterstoffen .........................13 2.3 Opwerkingstechnieken ...........................................................................................14 2.3.1 Fysische CO2 absorptie ...................................................................................14 2.3.1.1 Principe .....................................................................................................14 2.3.1.2 Processchema...........................................................................................15 2.3.1.3 Kosten .......................................................................................................15

III

2.3.2 Chemische CO2 absorptie met een aminescrubber ..........................................16 2.3.2.1 Principe .....................................................................................................16 2.3.2.2 Processchema...........................................................................................16 2.3.2.3 Warmtewisselaar .......................................................................................17 2.3.2.4 Kosten .......................................................................................................18 2.3.3 Pressure swing adsorption (PSA),Vacuum pressure swing adsorption (VPSA) 19 2.3.3.1 Principe .....................................................................................................19 2.3.3.2 Processchema...........................................................................................20 2.3.3.3 Kosten .......................................................................................................21 2.3.4 membraanscheiding .........................................................................................21 2.3.4.1 Principe .....................................................................................................21 2.3.4.2 Processchema...........................................................................................22 2.3.4.3 Kosten .......................................................................................................23 2.3.5 Cryogene scheiding .........................................................................................23 2.3.5.1 principe......................................................................................................23 2.3.5.2 Processchema...........................................................................................24 2.3.5.3 Kosten .......................................................................................................24 2.3.6 Vergelijking van de verschillende opwerkingstechnieken .................................25 2.3.6.1 Voor- en nadelen .......................................................................................25 2.3.6.2 Vergelijking van de CH4-verliezen en CH4-verrijking ..................................26 3.

Materiaal en methoden .............................................................................................27 3.1 AspenTech plus......................................................................................................27 3.1.1 Hoge druk waterscrubber .................................................................................27 3.1.2 Aminescrubber .................................................................................................28 3.2 Hoge druk waterscrubber .......................................................................................28 3.2.1 Inleiding ...........................................................................................................28 3.2.2 Processchema..............................................................................................29 3.2.3 Waswater .........................................................................................................30 3.2.3.1 Waswater debiet........................................................................................30 3.2.3.2 Waswater temperatuur ..............................................................................30 3.2.4 Biogas toevoer .................................................................................................30 3.2.5 Waskolom ........................................................................................................30 3.2.6 Flashtank .........................................................................................................31

IV

3.2.7 Luchttoevoer ....................................................................................................31 3.2.7.1 Lucht debiet ...............................................................................................31 3.2.7.2 Lucht temperatuur .....................................................................................31 3.2.8 Desorptiekolom ................................................................................................31 3.2.9 Regeneratie .....................................................................................................32 3.3 Aminescrubber .......................................................................................................32 3.3.1 Inleiding ...........................................................................................................32 3.3.2 Processchema .................................................................................................33 3.3.3 Waswater .........................................................................................................33 3.3.3.1 Wasdebiet .................................................................................................33 3.3.3.2 Temperatuur wasvloeistof..........................................................................33 3.3.4 Biogas toevoer .................................................................................................34 3.3.5 Waskolom ........................................................................................................34 3.3.6 Warmtewisselaar .............................................................................................34 3.3.7 Desorptiekolom ................................................................................................34 3.3.8 Afgassen ..........................................................................................................35 3.3.9 Waswaterregeneratie .......................................................................................35 3.4 Validatie testen .......................................................................................................35 4.

Resultaten en besprekingen .....................................................................................37 4.1 Wobbe-index ..........................................................................................................37 4.2 Case studie ............................................................................................................37 4.2.1 Biogas parameters ...........................................................................................37 4.2.2 Installatie input/output ......................................................................................37 4.2.3.1 Processchema...........................................................................................38 4.2.3.2 Waswater ..................................................................................................39 4.2.3.3 Voeding .....................................................................................................40 4.2.3.4 Waskolom .................................................................................................41 4.2.3.5 Flashtank ...................................................................................................42 4.2.3.6 Desorptiekolom .........................................................................................43 4.2.3.7 Afgassen ...................................................................................................44 4.2.3.8 Waswaterregeneratie ................................................................................45 4.2.3.9 Gekozen parameters .................................................................................45

V

4.2.4 Aminescrubber .................................................................................................46 4.2.4.1 Processchema...........................................................................................46 4.2.4.2 Waswater ..................................................................................................47 4.2.4.3 Waskolom .................................................................................................49 4.2.4.4 Warmtewisselaar .......................................................................................50 4.2.4.5 Desorptiekolom .........................................................................................51 4.2.4.6 Afgassen ...................................................................................................52 4.2.4.7 Aminescrubber ..........................................................................................52 4.3 Validatie testen .......................................................................................................53 4.4 Economische analyse.............................................................................................54 4.4.1 Hoge druk waterscrubber .................................................................................54 4.4.1.1 Vaste kosten..............................................................................................54 4.4.1.2 Voorbehandeling .......................................................................................54 4.4.1.3 Biogas energieconsumptie ........................................................................54 4.4.1.4 Wasvloeistof verliezen ...............................................................................54 4.4.1.5 Wasvloeistof pompsysteem .......................................................................54 4.4.1.6 Compressor ...............................................................................................55 4.4.1.7 Onderhoudskosten ....................................................................................55 4.4.1.8 Totale kostprijs ..........................................................................................55 4.4.2 Aminescrubber .................................................................................................56 4.4.2.1 Vaste kosten..............................................................................................56 4.4.2.2 Voorbehandeling .......................................................................................56 4.4.2.3 Biogas energieconsumptie ........................................................................56 4.4.2.4 Wasvloeistof verliezen ...............................................................................56 4.4.2.5 Wasvloeistof pompsysteem .......................................................................56 4.4.2.6 Regeneratie ...............................................................................................57 4.4.2.7 Onderhoudskosten ....................................................................................57 4.4.2.8 Totale kostprijs ..........................................................................................58 4.4.2.9 Vergelijking met fossiele brandstoffen .......................................................58 5.

Conclusie ..................................................................................................................60

6.

Bijlagen .....................................................................................................................61

Bronnen ...........................................................................................................................64

VI

Lijst van afkortingen WKK

Warmtekrachtkoppeling

WI

Wobbe Index

NGV

Aardgasvoertuig (natural gas vehicle)

CBM

Gecomprimeerd biomethaan (compressed biomethane)

LBM

Vloeibaar biomethaan (liquid biomethane)

PSA

Perssure swing adsorption

VPSA

Vacuum pressure swing adsorption

COS

Carbonyl sulfide

HETP

Height Equivalent to a Theoretical Plate

RWZT

Rioolwater zuiveringsinstallatie

MEA

Monoethanolamine

NTU

Number of Transfer Units

LPG

Liquid propane gas

VII

Lijst van Tabellen Tabel 2-1: Standaard samenstelling van biogas................................................................ 3 Tabel 2-2: Samenstelling laag- en hoogcalorisch aardgas ................................................ 4 Tabel 2-3: Normen voor injectie bij 25°C ........................................................................... 5 Tabel 2-4: Normen voor vervoersbrandstof in Zweden...................................................... 6 Tabel 2-5: Voor- en nadelen van H2O verwijderingtechnieken .......................................... 8 Tabel 2-6: Voor- en nadelen van H2S verwijderingtechnieken ..........................................11 Tabel 2-7: Investeringskosten waterscrubber ...................................................................15 Tabel 2-8: Onderhoudskosten waterscrubber ..................................................................15 Tabel 2-9: Investeringskosten aminoscrubber ..................................................................18 Tabel 2-10: Onderhoudskosten aminoscrubber per jaar ..................................................19 Tabel 2-11: Investeringskosten (V)PSA ...........................................................................21 Tabel 2-12: Onderhoudskosten (V)PSA per jaar ..............................................................21 Tabel 2-13: Investeringskosten membraanscheiding .......................................................23 Tabel 2-14: Onderhoudskosten membraanscheiding .......................................................23 Tabel 2-15: Investeringskosten cryogene scheiding .........................................................24 Tabel 2-16: Onderhoudskosten cryogene scheiding ........................................................24 Tabel 2-17: Voor- en nadelen bij de opwerkingstechnieken .............................................25 Tabel 2-18: CH4-verliezen en CH4-verrijking bij opwerkingstechnieken ............................26 Tabel 3-1: Validatiemethode test parameters ...................................................................36 Tabel 4-1: Gegevens flashdruk ifv de regeneratie ............................................................42 Tabel 4-2: Resultaten validatie testen ..............................................................................53 Tabel 4-3: Kostprijs gemodelleerde hoge druk waterscrubber..........................................55 Tabel 4-4: Kostprijs gemodelleerde aminescrubber .........................................................58 Tabel 4-5: Kostpijs per kWh voor gebruikte brandstoffen .................................................58 Tabel 5-1: Vergelijking van de twee gemodelleerde technieken .......................................60

VIII

Lijst van figuren Figuur 2-1: Biogasproductie per type inputmateriaal ......................................................... 4 Figuur 2-2: Processchema waterscrubber........................................................................15 Figuur 2-3: Processchema aminoscrubber.......................................................................16 Figuur 2-4: Dubble pipe exchanger ..................................................................................17 Figuur 2-5: Shell-tube warmtewisselaar ...........................................................................18 Figuur 2-6: Scheidingsmechanisme in de adsorptie kolom ..............................................19 Figuur 2-7: Processchema (V)PSA ..................................................................................20 Figuur 2-8: Gasvloeistof absorptiemembraan ..................................................................22 Figuur 2-9: Processchema membraanscheiding ..............................................................22 Figuur 2-10: Processchema cryogene scheiding..............................................................24 Figuur 3-1: Processchema hoge druk waterscrubber zonder regeneratie ........................29 Figuur 3-2: : Processchema hoge druk waterscrubber met regeneratie ...........................29 Figuur 3-3: Processchema aminescrubber.......................................................................33 Figuur 4-1: Processchema hoge druk waterscrubber .......................................................38 Figuur 4-2: CH4 zuiverheid ifv water debiet ......................................................................39 Figuur 4-3: CH4 zuiverheid ifv was temperatuur ...............................................................40 Figuur 4-4: CH4 zuiverheid ifv # theoretische platen ........................................................41 Figuur 4-5: flashdruk ifv de regeneratie ............................................................................42 Figuur 4-6: CO2 verwijdering ifv luchtdebiet .....................................................................43 Figuur 4-7: CO2 rest ifv lucht temperatuur .......................................................................44 Figuur 4-8: Processchema aminescrubber.......................................................................46 Figuur 4-9: Wasvloeistof debiet ifv de CH4 zuiverheid ......................................................47 Figuur 4-10: CH4 zuiverheid ifv temperatuur ....................................................................48 Figuur 4-11: CH4 zuiverheid ifv was debiet.......................................................................49 Figuur 4-12: Uitgang temperatuur ifv het oppervlakte.......................................................50 Figuur 4-13: # theoretische platen in de desorptiekolom ifv waswater zuiverheid .............51

IX

Inleiding In de masterproef wordt er naar een zo goedkoop en efficiënt mogelijke manier gezocht voor het opwerken van biogas naar biomethaan, zodat het kan gebruikt worden als vervoersbrandstof of injectie in het aardgasnetwerk. Om dit te realiseren wordt een amineen waterscrubber in AspenTech Plus gesimuleerd om zo de voor- en nadelen van deze technieken te kunnen afwegen en een keuze te kunnen maken tussen de twee technieken. Omdat biomethaan als brandstof wordt gebruikt, worden er hoge kwaliteitsnormen aan verbonden. Voordat biogas biomethaan genoemd mag worden moeten eerst verschillende elementen zoals water, H2S, CO2, siloxanen, gehalogeneerde koolwaterstoffen, ammoniak en lucht verwijderd worden.

1

1. Situering bedrijf Exergy is een project dat werd opgericht door Veerle Sentobin en bvba Sentobin. Mw. Sentobin is milieucoördinator. Zij nam het administratieve voortouw voor het opstarten van het project. Ze is zaakvoerder binnen bvba Sentobin samen met Marleen Cool. Het doel van het project is een haalbaarheidsstudie uitvoeren in Vlaanderen voor het opzuiveren en opwerken van biogas voor het gebruik als vervanging van fossiele brandstoffen. Er werd berekend dat er ongeveer 40-50% niet hernieuwbare primaire energiebronnen kunnen bespaard worden, wanneer biomethaan wordt gebruikt als vervoersbrandstof. Voor deze haalbaarheidstudie zal er op de site van Greenbridge nagegaan worden of het haalbaar is een vergistinginstallatie met bijhorende opwerkingsunit te voorzien in beheer van Exergy. De haalbaarheid van de opwerkingsinstallatie wordt onderzocht op verschillende criteria. Dit project kan een grote stimulans betekenen voor de erkenning van biomethaan als volwaardige biobrandstof en als een energetisch interessant alternatief voor het plaatsen van een WKK.

2

2. Literatuurstudie 2.1 Inkaderen van het onderwerp 2.1.1 Doelstelling Het doel is het opstellen van een literatuurstudie voor het opwerken van biogas tot biomethaan om te gebruiken als vervoersbrandstof.

2.1.2 Problematiek Het probleem van biogas ligt zoals uitgelegd in de inleiding bij de aanwezigheid van andere (al dan niet spore) elementen naast methaan. Vooraleer er kan begonnen worden met het bespreken van de technieken wordt het concept van biogas, biomethaan en het gebruik als vervoersbrandstof in dit hoofdstuk eerst beschreven.

2.1.2.1 Biogas Biogas of stortgas is een gasmengsel dat ontstaat door het anaeroob vergisten van organisch materiaal zoals mest, rioolslib, actief slib of gestort huisvuil. Bij de productie van biogas blijft er een digestaat als restproduct over dat gebruikt kan worden in de landbouw. Het gebruik van opgewerkt biogas (als vervoersbrandstof of voor injectie in het aardgasnet) komt steeds meer in het daglicht te staan. Dit komt vooral omdat het gebruik van biogas als brandstof voor een WKK enkel energetisch rendabel is als er meer dan 31 % van de warmte optimaal kan benut worden (Biogas-E vzw, 2009). Als dit niet mogelijk is, is de opwerking tot biomethaan een betere keuze. Hoewel dit zeer positief is brengt het opwerken van biogas tot biomethaan veel kosten met zich mee en is een afweging noodzakelijk. De verschillende elementen en hun concentratie in het biogas is belangrijk voor de bepaling van de kwaliteit (Tabel 2-1). Tabel 2-1: Standaard samenstelling van biogas (Biogas-E vzw, 2009)

Component

%

Methaan (CH4)

45-85

Koolstofdioxide (CO2)

15-55

Waterdamp (H2O)

0-10

Stikstofdamp (N2)

0-5

Zuurstof (O2)

0-2

Waterstofgas (H2)

0-1

Ammoniak (NH3)

0-1

Waterstofsulfide (H2S)

0-1

Biogas kan uit verschillend afval geproduceerd worden door vergisting, maar niet elke afval geeft dezelfde hoeveelheid biogas vrij (Figuur 2-1). 3

Figuur 2-1: Biogasproductie per type inputmateriaal (Zandsteeg, 2005)

2.1.2.2 Biomethaan Opgewerkt biogas dat kan geïnjecteerd worden in het aardgasnet of kan gebruikt worden als vervoersbrandstof heet biomethaan. Het is een interessante energiebron ter vervanging van aardgas of vervoersbrandstof. De technieken om biogas op te werken vereisen een meerkost waardoor de omzetting van biogas tot biomethaan in veel gevallen niet economisch voordelig is. - Biomethaan voor injectie Vooraleer biomethaan in het aardgasnet mag gebruikt worden moet het eerst dezelfde kwaliteitsnormen behalen als laag- of hoogcalorisch aardgas. Vooral de concentratie aan CH4 bepaalt de kwaliteitsnorm (Tabel 2-2).

Tabel 2-2: Samenstelling laag- en hoogcalorisch aardgas (Fluxys, 2007)

Componenten

Laagcalorisch gas (%)

Hoogcalorisch gas (%)

CH4

83,5

96,2

C2H6 – C6H14

4,6

1,7

CO2

1,1

0,3

N2

12,8

1,8

12,8

14,5

Wobbe-index (kWh/Nm3)

De wobbe-index (WI) is een belangrijke parameter van brandstofgassen. Het geeft het thermisch vermogen weer van een gegeven gas met een bepaald debiet op een brander. Dit betekent dat twee gassen met dezelfde WI op dezelfde brander hetzelfde thermisch rendement hebben. 4

De WI wordt berekend door de verbrandingswaarde (H) van het gas te delen door de vierkantswortel uit de relatieve dichtheid (drel) van het gas.

√

(vgl.1)

Omdat er in biogas verschillende corrosieve stoffen (Bv: H2S) aanwezig zijn, worden er strikte normen opgelegd vooraleer het biogas mag gebruikt worden als biomethaan voor injectie in het aardgasnetwerk (Tabel 2-3).

Tabel 2-3: Normen voor injectie bij 25°C (CREG.,2007)

Parameter Minimale calorische bovenwaarde (kWh/Nm3) maximale calorische bovenwaarde (kWh/Nm3) Minimale WI (kWh/Nm3) Maximale WI (kWh/Nm3) Maximum H2S (mg S/Nm3) Maximumtotaal S (mg S/Nm3) Maximumtotaal S per jaar (mg S/Nm3) Maximum Mercaptanen (mg S/Nm3) Maximum O2 (ppmv) Maximum CO2 (vol %) Maximum dauwpunt H2O bij 69 barg** (°C) Maximum dauwpunt KWS bij 0-69 barg (°C)

Laagcalorisch gas 9,53 10,75 12,19 13,03 5 150 0 0 5000 3 -8 -2

Hoogcalorisch gas 10,81 12,79 13,65 15,78 5 150 0 0 5000 2 -8 -2

*Mercaptanen zijn een verzameling van verbindingen die bestaan uit een koolwaterstof keten en eindigen opeen zwavelwaterstofgroep. **Barg (bar gauge): geeft de druk weer boven de atmosferische druk

- Biomethaan als vervoersbrandstof Biomethaan als vervoersbrandstof kan een gedeeltelijke oplossing bieden voor het terugdringen van de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen zoals diesel en benzine. Zweden is echter nog het enigste land in Europa dat een nationale standaard heeft voor het werken met biomethaan als vervoersbrandstof (Tabel 2-4).

5

Tabel 2-4: Normen voor vervoersbrandstof in Zweden (Johansson, 2008)

Parameter WI (MJ/Nm3) CH4 gehalte (vol%) Maximum dauwpunt (C°) Maximum H2O (mg/Nm3) Maximum O2 (vol%) Maximumtotaal O2 + N2 + CO2 (vol%) Maximum S (mg/Nm3) Maximum N-verbindingen zonder N2 (mg/Nm3) Maximum deeltjesgrote (µm)

concentratie 44,7-46,4 97-1 t* - 5 32 1 4 10 20 1

* t = de laagste gemiddelde dagelijkse temperatuur op maandelijkse basis

In andere landen wordt het biomethaan eerst in het aardgasnet geïnjecteerd om hierna in het tankstation als een mix van biomethaan en aardgas te gebruiken als vervoersbrandstof voor aardgasvoertuigen (NGV). Er kan gebruikt worden gemaakt van gecomprimeerd biomethaan (CBM) of vloeibaar biomethaan (LBM). CBM is biomethaan dat moet gecomprimeerd worden tot 200 bar voor het gebruikt kan worden. LBM is biomethaan dat moet afgekoeld worden tot -163°C voor het gebruikt kan worden. Uit onderzoek is gebleken dat het gebruik van LBM een actieradius levert tot 3 keer hoger dan CBM. Hierdoor is LBM dan ook aangewezen om te gebruiken als vervoersbrandstof. Een nadeel van LBM is echter dat bij gebruik verdampingsproblemen kunnen optreden. Zowel bij het gebruik van CBM als LBM moet de motor worden aangepast om tegen hoge druk of tegen cryogene temperaturen te kunnen.

2.2 Opzuiveringstechnieken

2.2.1 Verwijderen van water De normen op de waterinhoud en het dauwpunt zijn zeer strikt. Voor biogas dat in het aardgasnet wordt ingebracht mag er maximum 110 mg/m3 water zitten en voor het gebruik voor vervoersbrandstof moet het dauwpunt -8 °C onder de 99 % wintertemperatuur van het lokale geografische gebied liggen. Om water uit het biogas te verwijderen bestaan er verschillende technieken.

6

2.2.1.1 Condensatiemethode De overmaat aan waterdamp kan eenvoudig verwijderd worden door koeling. Via deze methode kan de temperatuur van het dauwpunt slechts verlaagd worden tot 0,5-1 °C door de problemen met het bevriezen van het oppervlak van de warmtewisselaars. Om een lager dauwpunt te verkrijgen moet het gas worden gecomprimeerd. Wanneer het gas gecomprimeerd is wordt het afgekoeld en hierna geëxpandeerd tot de gewenste druk. Onder hogere druk zal het bevriezen van de warmtewisselaars slechts plaatsvinden bij een lager dauwpunt. Het verwijderen van de gecondenseerde waterdruppels kan zowel manueel gebeuren als automatisch via volgende technieken: -

Demister: De gecondenseerde waterdruppels worden verwijderd via een netwerk van draden. Cycloonscheiders: De gecondenseerde waterdruppels worden verwijderd door gebruik te maken van centrifugale krachten. Vochtvangers: De gecondenseerde waterdruppels worden verwijderd door expansie van het biogas.

2.2.1.2 Droogmethode - Adsorptie van water op silica Het biogas wordt onder druk door een kolom met silica geleid. Hierdoor wordt het water dat aanwezig is in het biogas geadsorbeerd op de silica en verwijderd uit het biogas. De silica kan worden geregenereerd door de silica op te warmen zodat het water verdampt. Naast silica kunnen ook nog andere adsorbentia gebruikt worden zoals actief kool, aluminium oxide en magnesium. Via deze techniek kan een laag dauwpunt bekomen worden van -10 tot -20 °C. - Absorptie van water in tri-ethyleenglycol Tri-ethyleenglycol zal zich binden met het water aanwezig in het biogas. Voor het regenereren moet de verzadigde tri-ethyleenglycol opgewarmd worden tot 200 °C om het water vrij te stellen. Via deze techniek kan een dauwpunt bekomen worden van -5 tot -15 °C.

- Absorptie van water in hygroscopische zouten Het water in het biogas zal geabsorbeerd worden door het toevoegen van hygroscopische zouten. Hierdoor zal het zout oplossen door de absorptie van het water. De verzadigde zoutoplossing kan in tegenstelling tot de andere technieken niet geregenereerd worden.

7

2.2.1.3 Vergelijking van de verschillende H2O verwijderingtechnieken Tabel 2-5: Voor- en nadelen van H2O verwijderingtechnieken (Vervaeren et al, 2008)

Methode Condensatiemethode

Voordelen - Eenvoudig - Hogere KWS worden afgescheiden - Stof/olie wordt afgescheiden

Nadelen - Bij atm druk : dauwpunt tot minimum 1°C - Gas moet op hogere druk gebracht worden voor lager dauwpunt te verkrijgen

Droogmethode

- Hoge verwijdering - Laag dauwpunt (-10 tot -20°C) - Regeneratie mogelijk - Lage bedrijfskosten

- Dure investeringskosten - Druk van 6-10 bar nodig - Vooraf verwijderen van olie/stof is noodzakelijk

2.2.2 Verwijderen van H2S H2S kan problemen veroorzaken in het biogas door de vorming van H2SO4. Dit zorgt voor een corrosieve werking op de motoren en moet daarom ook vroeg mogelijk uit het biogas verwijderd worden. Het H2S kan zowel tijdens als na het vergistingsproces worden verwijderd door gebruik te maken van verschillende technieken.

2.2.2.1 Verwijdering tijdens het vergistingsproces - Toevoegen van zuurstof/lucht in het biogassysteem Door het toevoegen van O2 in het biogassysteem kan H2S omgezet worden naar elementaire zwavel en water. De sulfidenoxiderende bacteriën die voor deze omzetting zorgen, moeten niet worden toegevoegd aan het biogassysteem omdat deze al groeien op het oppervlak van het digestaat. Er is echter ook kans op vorming van H2SO4 als er te veel O2 wordt toegevoegd.

Reactievergelijking:

2H2S + O2

2S + 2H2O

(r.1)

De reactie gaat het beste door het toevoegen van een kleine hoeveelheid lucht (2-6 %). De verwijderingefficiëntie van deze techniek ligt tussen 80-99 %. De concentratie aan H2S blijft echter wel nog te hoog voor het biogas te kunnen gebruiken als vervanging van aardgas. De goedkope werking- en plaatsingskosten voor deze techniek zijn een groot voordeel. Er zijn ook geen extra chemicaliën nodig waardoor dit een zeer goedkope en eenvoudig te onderhouden installatie is.

8

Bij deze techniek moeten er wel extra maatregelen genomen worden voor te zorgen dat er niet een te grote hoeveelheid lucht wordt aangevoerd, want dit zou tot ontploffingsgevaar kunnen leiden. Een extra probleem is ook dat bij het toevoegen van lucht er naast O2 ook N2 wordt toegevoegd wat ongewenst is als component omdat het de calorische waarde verlaagt.

- Toevoegen van ijzerchloriden aan het vergistingslib Het toegevoegde ijzerchloride zal reageren met het H2S met vorming van een ijzerzout. Deze techniek werkt zeer goed bij hoge concentraties H2S maar is niet in staat om voor een voldoende verwijdering te zorgen om het biogas te kunnen gebruikten. Deze techniek is dan ook ideaal als gedeeltelijk verwijderingproces waardoor de hoeveelheid aan overgedragen H2S in het biogas verminderd en de kans op corrosie doet afnemen.

Reactievergelijking:

2Fe3+ + 3S22+

2-

Fe + S

2FeS + S

(r.2)

FeS

(r.3)

De grootste voordelen bij deze techniek zijn vooral de lage investeringskosten, het eenvoudige werkingsprincipe en monitoring. Een nadeel is de aankoopprijs van het ijzerchloride en de extra slibproductie in het digestaat.

2.2.2.2 Verwijdering na het vergistingproces - Adsorptie met ijzeroxide of ijzerhydroxide H2S reageert goed met ijzeroxide of ijzerhydroxiden met vorming van ijzersulfiden. Om een groot oppervlakte/volume verhouding te verkrijgen kan het reactiebed opgesteld worden uit houtschilfers geïmplementeerd met ijzeroxide.

Reactievergelijking:

Fe2O3 + 3H2S

Fe2S3 + 3H2O

(r.4)

Omdat deze reactie licht endotherm is moet er gewerkt worden bij een minimumtemperatuur van 12°C. De reactie verloopt optimaal tussen 25-50°C. Er moet gezorgd worden dat er geen condensatie op de ijzeroxiden plaatsvindt omdat dit voor een vermindering in oppervlakte/volume verhouding zorgt. Het regenereren van het ijzeroxide gebeurt door het toevoeren van O2. Omdat deze reactie exotherm is moet er gezorgd worden voor een goede warmte afvoer en een gecontroleerde zuurstof toevoer. Is dit niet het geval kan dit leiden tot de zelfontbranding van de houtschilfers.

Reactievergelijking:

2FeS3 +3O2

2Fe2O3 + 6S

(r.5)

9

De elementaire zwavel die tijdens regeneratie wordt gevormd moet na enkele cyclussen verwijderd worden. Omdat deze techniek goedkoop en makkelijk te onderhouden is en een goed verwijderingrendement geeft is deze zeker een interessante techniek. Het nadeel is echter dat er bij regeneratie veel warmte vrijkomt en het vrijkomende stof toxisch kan zijn. Deze methode is ook zeer gevoelig aan de hoeveelheid water die in het biogas zit.

- Absorptie in water Verwijdering met water (waterscrubber) wordt uitgelegd in 2.3.1. .

- Chemische absorptie Door het toevoegen aan chemicaliën aan de absorptievloeistof (water) kan het proces verbeterd worden en het benodigde volume verminderd worden. Er kan gebruik worden gemaakt van verschillende chemicaliën zoals: verdund NaOH, ijzerchoride-oplossing, ijzer(III)hydroxide of ijzerbromide-oplossing met EDTA. Bij het gebruik van zowel NaOH als een ijzerchloride-oplossing wordt er een onoplosbaar niet regenereerbaar zout gevormd, dit kan leiden tot een hoge chemicaliën kost en is minder aangeraden vooral bij grotere debieten. Bij het gebruik van ijzer(III)hydroxide of ijzerbromide-oplossing met EDTA kunnen de chemicaliën wel geregenereerd worden waardoor het verbruik en kostprijs aan chemicaliën sterk daalt.

- Membraanscheiding De membraanschering wordt uitgelegd in 2.3.4 membraanscheiding.

- Biologische filter Bij deze techniek wordt gebruik gemaakt van bacteriën die H2S kunnen doen oxideren. Er zal lucht aan het biogas worden toegevoegd en het biogas zal over een biologische filter worden geleid. De H2S zal worden geabsorbeerd in een vloeibare fase bestaande uit gascondensaat en vloeistof van de effluent-slibscheiding. Hierna zullen de bacteriën het opgeloste H2S oxideren. De filter werkt optimaal bij een temperatuur van 35°C. Hoewel deze methode momenteel het meest gebruikt wordt om de geur te verwijderen wordt er steeds meer gekeken om deze techniek ook efficiënt genoeg te maken om te gebruiken voor het voor het zuiveren van biogas. Dit komt vooral omdat het goedkoper is dan chemische zuivering en het naast H2S ook NH3 kan verwijderen uit het biogas. Een nadeel bij deze techniek is dat door het toevoegen van lucht er een teveel aan O2 en N2 aanwezig zal zijn in het biogas en er nog een nabehandeling nodig zal zijn om de noodzakelijke kwaliteit te verkrijgen.

10

- Adsorptie op actief kool Voor het verwijderen van H2S door een adsorptie op actief kool moet er eerst O2 worden toegevoegd om het H2S om te zetten tot elementaire zwavel en water.

Reactievergelijking:

2H2S + O2

2S + 2H2O

(r.6)

Hierna wordt het zwavel geadsorbeerd op het actief kool. Bij deze techniek wordt het best gewerkt bij een druk van 7 tot 8 bar en een temperatuur van 50-70 °C (deze wordt verkregen door de compressie van het gas). De regeneratie gebeurt door warm N2 of stoom door het actief kool te sturen. Het nadeel bij deze techniek is zoals bij voorgaande techniek er O2 en N2 wordt toegevoegd en er dus ook een nabehandeling nodig zal zijn.

2.2.2.3 Vergelijking van de verschillende H2S verwijderingtechnieken

Tabel 2-6: Voor- en nadelen van H2S verwijderingtechnieken (Vervaeren et al, 2008)

Methode Toevoegen van O2/lucht (biologisch)

Voordelen - Kosten laag - Werking en onderhoud eenvoudig - Weinig elektriciteit en warmte nodig

Nadelen - Concentratie H2S nog hoog na verwijdering - O2/lucht in biogas kan leiden tot nodige nareiniging

Toevoegen van ijzerchloriden in het vergistingslib

- Investering laag - Werking en onderhoud eenvoudig - H2S niet in biogasleidingen - Geen extra zuurstof nodig - Weinig elektriciteit en warmte nodig

- Verandering in pH/temp niet bevorderlijk voor het vergistingsproces - Verandering in het ingangssubstraat zorgt voor moeilijkheid in het bepalen voor de hoeveelheid ijzerchloride toe te voegen

Adsorptie met ijzeroxide of ijzerhydroxide

-

- Brandgevaar door vrijgekomen warmte bij de regeneratie - Vrijgekomen stof kan toxisch zijn - Gevoelig voor water - Met iedere cyclus daalt het reactie-oppervlak - Hoge bedrijfskosten

Eenvoudig Investeringskosten laag Goede verwijdering Ook mercaptanten opgevangen - Regenereerbaar

11

Absorptie in water

- CO2 wordt ook verwijderd - Goedkoop indien grote hoeveelheden water beschikbaar zijn - H2S concentratie tot < 15ppm

- Moeilijkere techniek - Hoge druk, lage temperatuur - Clogging van de absorptiekolom mogelijk

Chemische absorptie

-

- Moeilijke techniek door de regeneratie - CO2 H2CO3 (bij EDTA) - Opbouw thiosulfaten uit chelaten + H2S (verlies van EDTA)

Membraanscheiding

Adsorptie op actief kool

Regenereerbaar Klein volume nodig Lage CH4-verliezen Weinig elektriciteit nodig Geen hoge druk of temperatuur nodig - 95-100 % verwijdering -

CO2 wordt ook verwijderd Verwijdering >98 % Compacte techniek Hoge beladingcapaciteit Hoge opzuiveren <5mg/m3 Lage bedrijfstemperatuur

-

Hoge kosten Hoge CH4-verliezen

-

Hoge kosten Vrij hoge CH4-verliezen H2O en O2 nodig voor verwijdering H2O kan bindingsplaatsen innemen op actief kool Regeneratie bij 450°C Verwijdering restbelasting bij 850°C

-

2.2.3 Verwijderen van siloxanen (siliciumverbindingen) Siloxanen zijn Si-verbindingen waar een zuurstof atoom en organische radicalen zijn op gebonden. Siloxanen worden veel gebruik vanwege hun hoge samendrukbaarheid, lage oppervlaktespanning, waterafstotende eigenschappen en hoge thermische stabiliteit. Ze zijn ook biodegradeerbaar en hebben een lage toxiciteit. Siloxanen kunnen in biogas echter wel grote schade aanrichten aan de motor doordat ze tijdens verbranding worden geoxideerd tot siliciumoxide en microkristallijn kwarts. Deze kunnen neerslaan op de kleppen en cilinderkoppen van de motor. Hierdoor is het vanzelfsprekend dat de siloxanen moeten worden verwijderd voor het biogas kan gebruikt worden.

2.2.3.1 Adsorptie met geactiveerd houtskool De siliciumverbindingen worden onomkeerbaar geadsorbeerd op het geactiveerd houtskool. Doordat deze verwijdering onomkeerbaar is dit een dure manier om siliciumverbindingen te verwijderen uit het biogas en daardoor ook niet aangeraden is.

12

2.2.3.2 Toevoegen van sterke zuren Sterke zuren kunnen de Si-O banden breken. Geconcentreerd zwavelzuur (48 % en 97 %) of salpeterzuur (65 %) bij een temperatuur van 60 °C geeft een verwijderingrendement van boven 95 %. Deze methode moet echter met zorg worden uitgevoerd omdat gebruik wordt gemaakt van sterke zuren en deze een hoog gezondheiden milieurisico met zich meebrengen.

2.2.3.3 Adsorptie op vaste adsorbantiemiddelen Voor vaste adsorbantiemiddelen kunnen zowel polymeren, anorganische adsorbeermiddelen, actief kool of silicagel gebruikt worden. In het biogas zullen er nog sporencomponenten zijn van andere moleculen die zorgen voor competitieve adsorbantie. Daarom wordt er met een voldoende grote adsorptiecapaciteit gewerkt. Ook de vochtigheid van het biogas speelt een rol in de verwijdering van siloxanen. Hoe vochtiger het biogas hoe slechter het verwijderingrendement. Daarom wordt het verwijderen van de siloxanen vooraf gegaan door een droogstap. Zowel actief kool als silicagel zorgen voor een volledige verwijdering van de siloxanen in het biogas. Silicagel behaalt een betere regeneratie dan actief kool waardoor silicagel een interessante keuze is voor de verwijdering van siloxanen.

2.2.4 verwijderen van zuurstof/lucht O2 en N2 zijn geen natuurlijke componenten in biogas. Een hoge concentratie aan lucht in het biogas is meestal het gevolg door het toevoegen van lucht om bijvoorbeeld H2S uit het biogas te verwijderen. Een hoge concentratie O2 in het biogas kan leiden tot explosiegevaar waardoor het zuurstof eerst uit het biogas moet verwijderd worden voor het gebruikt kan worden. O2 en N2 kunnen verwijderd worden door gebruik te maken van membranen of lage temperatuur-PSA. Deze verwijderingtechnieken zijn echter duur en daarom is het voorkomen dat lucht in het biogas terecht komt veel goedkoper.

2.2.5 Verwijderen van ammoniak Ammoniak kan verwijderd worden door een wasproces met verdund salpeter- of zwavelzuur. De investering- en onderhoudskosten voor deze techniek zijn echter vrij duur voor kleine schaal toepassingen. Daarom wordt er verkozen voor een verwijdering met een actief kool filter of kan er worden gekozen voor een CO2 verwijderingtechniek die ook ammoniak verwijderd.

2.2.6 Verwijderen van hogere en gehalogeneerde koolwaterstoffen Hogere en gehalogeneerde KWS komen voornamelijk voor in stortgassen en kunnen voor corrosie zorgen in de motoren. Ze worden verwijderd door gebruik te maken van buizen gevuld met specifiek geïmpregneerd actief kool. De actief kool kan geregenereerd worden door de buisjes op te warmen tot 200°C zodat de geadsorbeerde componenten verdampen en kunnen verwijderd worden door een inerte gasstroom door de buisjes te sturen. 13

2.3 Opwerkingstechnieken Na verwijdering van water en H2S uit het biogas moet het CO2 verwijderd worden om de vereiste kwaliteit voor de calorische waarde te verkrijgen. Veelal wordt er tijdens de verwijdering van CO2 gelijktijdig ook andere componenten (H2S, H2O, …) verwijderd. Voor het verwijderen van de CO2 kunnen één van volgende technieken gebruikt worden.

2.3.1 Fysische CO2 absorptie 2.3.1.1 Principe Bij deze methode wordt de CO2 verwijderd door het biogas te wassen met water onder hoge druk (10-20 bar). Het biogas zal onderaan een kolom met een gepakt bed bestaande uit een plastiek medium worden toegevoerd. In tegenstroom wordt er bovenaan de kolom water toegevoegd. CO2 (en eventueel overgebleven H2S) zijn beter oplosbaar in water dan CH4 en zullen geabsorbeerd worden door het water. Het gezuiverde biogas zal de kolom bovenaan verlaten. Het water zal onderaan de kolom verlaten en worden afgevoerd naar een flash tank waar er een gedeeltelijke drukdaling zal plaatsvinden om zo de hoeveelheid CH4 dat toch is opgelost in het water te kunnen regenereren. Dit wordt uitgevoerd om de CH4 verliezen te beperken bij de fysische scrubber. De verliezen na de flashtank liggen rond 2% CH4. Dit varieert als er in de flashtank met een hogere of lagere druk wordt gewerkt. Bij een tweede drukdaling komt een CO2-rijk gas vrij. Er kan ook geregenereerd worden door gebruik te maken van een desorptiekolom waar het water in tegenstroom in contact wordt gebracht met lucht, stoom of een inert gas. Als er echter nog veel H2S aanwezig is in het mengsel is regeneratie met lucht afgeraden omdat er vorming van elementaire zwavel kan optreden en dit operationele problemen kan veroorzaken. De meest kostenefficiënte methode is het water niet regenereren en gebruik maken van goedkoop gezuiverd water uit een rioolwaterzuiveringsinstallatie. Er kan ook gebruik worden gemaakt van selexol als absorptie vloeistof. De werking is hetzelfde als de absorptie met water maar omdat CO2 en H2S beter oplossen in selexol als in water is er een kleiner volume solvent nodig. Selexol heeft ook een lage dampdruk wat betekent dat het verlies van chemicaliën gedurende het proces laag is. De regeneratie van de absorptie vloeistof gebeurt ook op dezelfde manier als die van water. In verschillende biogasopwerkingsinstallaties in de VS is deze techniek met succes toegepast.

14

2.3.1.2 Processchema

Figuur 2-2: Processchema waterscrubber (Reijenga et al., 2008)

Het biogas wordt na compressie onderaan in de waterscrubber gebracht. Na de waterscrubbing wordt het opgewerkte biogas bovenaan afgevoerd naar een gas droger en vocht afscheider. Het vervuilde water wordt afgevoerd naar de ―release tank‖ waar de eerste drukdaling plaatsvindt en het vrijgekomen gas wordt gerecirculeerd. Het vervuilde water wordt hierna afgevoerd naar de flash tank voor een tweede drukdaling waarbij de rest van de vervuiling vrijkomt en het water kan hergebruikt worden.

2.3.1.3 Kosten Er wordt een algemene schatting van de investering- en onderhoudskosten opgesteld voor een waterscrubber installatie (Tabel 2-7 en Tabel 2-8). Tabel 2-7: Investeringskosten waterscrubber (Reijenga et al., 2008)

Investeringskosten (€) Compressor Kolommen Pomp Totale investeringskosten

110.000 140.000 10.000 260.000

Tabel 2-8: Onderhoudskosten waterscrubber (Reijenga et al., 2008)

onderhoudskosten (€) Energiekosten Operatie kosten Totale onderhoudskosten

60.000 50.000 110.000 15

2.3.2 Chemische CO2 absorptie met een aminescrubber 2.3.2.1 Principe Er kan gebruik worden gemaakt van een amine-solvent. Dit solvent kan zowel een positieve als negatieve lading hebben. De lading van de aminozuren wordt bepaald door de pH van de oplossing. Voor het verwijderen van CO2 moet het opgeloste aminozuur gedeprotoneerd worden en moet er een base worden toegevoegd om de pH te verhogen.

Reactievergelijking:

RNH2 + H2O + CO2

RNH3+ + HCO3-

(r.7)

Door gebruik te maken van een aminoscrubber kunnen er resultaten van 99 % CH4 concentratie in de output stroom bekomen worden. Ook de CH4-verliezen liggen zeer laag: 0,1%.

2.3.2.2 Processchema

Figuur 2-3: Processchema aminoscrubber (Reijenga et al., 2008)

Na de absorptie van CO2 in het amine-solvent wordt het te regenereren solvent afgeleid naar de regeneratiekolom. De regeneratie van het amine-solvent gebeurt in een CO2stripper. Er wordt zoveel mogelijk warmte van het gezuiverde amine-solvent over overgebracht naar het te zuiveren amine-solvent door gebruik te maken van een warmtewisselaar. Het gezuiverde amine-solvent wordt dan verder afgekoeld door een koeler vooraleer het wordt hergebruikt als absorptie vloeistof. 16

2.3.2.3 Warmtewisselaar De warmtewisselaar wordt gebruikt om zo veel mogelijk warmte van de gezuiverde wasvloeistof over te dragen aan de vervuilde wasvloeistof. Voor het type warmtewisselaar wordt gekozen tussen een Shell-tube principe of een dubble pipe exchanger warmtewisselaar. Deze keuze wordt gemaakt aan de hand van de toenemende oppervlakte in functie van de uitgangtemperatuur. Als er nog een significante toename in warmteoverdracht is wanneer de oppervlakte groter is dan 15m2 ,wordt er gebruik gemaakt van een Shell-tube principe. Wordt een optimum verkregen bij een warmtewisselaar kleiner dan 15m2 wordt er met een dubble pipe exchanger gewerkt. -

Dubble pipe exchanger

Figuur 2-4: Dubble pipe exchanger

Een dubble pipe exchanger werkt op het tegenstroomprincipe om een zo hoog mogelijke warmteoverdracht te verkrijgen. Het warme water stroomt langs de buitenste buis in tegengestelde richting van de koude vloeistof die in de binnenste buis stroomt. Bij een dubble pipe exchanger wordt gebruik gemaakt van de NTU om de optimale oppervlakte van de warmtewisselaar te berekenen.

Met: NTU = efficiëntie van de warmteoverdracht door de bouw van de warmtewisselaar U = warmteoverdrachtscoëficiënt A = oppervlakte Cmin = Minimale warmtedebietcapaciteit (W/°C)

17

-

Shell-tube warmtewissalaar

Figuur 2-5: Shell-tube warmtewisselaar

Een Shell-tube warmtewisselaar is het meest voorkomende type warmtewisselaar in olieraffinaderijen en andere grote chemische processen en is geschikt voor hoge druk toepassingen. Een Shell-tube warmtewisselaar wordt gebruikt voor het overdragen van warmte tussen twee stromen (vloeistof of gas). Eén stroomt door de buizen (tube) en de andere stromen buiten de buizen, maar binnen het omhulsel (shell). Warmte wordt overgedragen van de ene vloeistof naar de andere door de buismuren. Om een zo groot mogelijke warmteoverdracht te verkrijgen, wordt gebruik gemaakt van veel buizen. Op deze manier kan restwarmte worden benut. Dit is een efficiënte manier om energie te besparen.

2.3.2.4 Kosten Er wordt een algemene schatting van de investering- en onderhoudskosten opgesteld voor een aminescrubber installatie (Tabel 2-9 en

Tabel 2-10).

Tabel 2-9: Investeringskosten aminoscrubber (Reijenga et al., 2008)

Investeringskosten (€) Absorbantie kolom Bijkomende kosten Pomp warmtewisselaar Koeler Regeneratiekolom

125.000 100.000 5.000 15.000 18.000 90.000 18

Totale investeringskosten

353.000

Tabel 2-10: Onderhoudskosten aminoscrubber per jaar (Reijenga et al., 2008)

Onderhoudskosten (€) Energiekosten Reagentia kosten Operatie kosten Onderhoud Totale onderhoudskosten

30.000 50.000 50.000 4.500 134.500

2.3.3 Pressure swing adsorption (PSA), Vacuum pressure swing adsorption (VPSA) 2.3.3.1 Principe PSA en VPSA zijn batch processen die werken met een kolom die een menging van gassen kan scheiden door de moleculaire karakteristieken van de gassen. Voor de absorptie van CO2 wordt meestal actief kool gebruikt. CH4 zal door het actief kool gaan en zo worden gescheiden van andere componenten. Het adsorptieproces wordt uitgevoerd bij een druk van 7-8 bar. Bij deze techniek moet gezorgd worden dat het H2S uit het biogas is verwijderd omdat dit zich onomkeerbaar op het actief kool bindt en dus geen regeneratie mogelijk maakt. PSA en VPSA zijn gelijklopende systemen. Het verschil is dat de VPSA met een vacuüm pomp werkt zodat de desorptie (regeneratie) bij vacuüm kan gebeuren. Bij de regeneratie wordt de druk eerst gedeeltelijk verlaagd waardoor er een menging van CO2 en CH4 vrijkomt. Deze vrijgekomen gasstroom kan worden gerecirculeerd voor de CH4-verliezen kunnen geminimaliseerd worden. Hierna volgt er een tweede drukdaling (bij VPSA tot vacuüm) waardoor de rest van het geadsorbeerde gas vrijkomt. Dit gas heeft een hoge concentratie aan CO 2 en andere afvalstoffen en zal worden verwijderd.

19

Figuur 2-6: Scheidingsmechanisme in de adsorptie kolom (Reijenga et al., 2008)

Na het doorlopen van het processchema zal het biogas ongeveer 97 % bestaan uit CH4 en zal zo goed als alle N2, O2, H2O, H2S and CO2 siloxanen en VOC‘s verwijderd zijn. Het grootste nadeel van deze techniek is de complexe H2S verwijderingstap die nodig is in het begin van het proces.

2.3.3.2 Processchema

Figuur 2-7: Processchema (V)PSA (Reijenga et al., 2008)

20

Het systeem bestaat standaard uit vier kolommen (voorafgaand met een H2S en H2O verwijdering systeem) gevuld met adsorptiemateriaal. Elke kolom zal afwisselend biogas reinigen, regenereren of druk opbouwen. Door te werken met vier kolommen kan een continue reiniging bekomen worden. Stapsgewijze werking van één kolom: 1) Zuivering van biogas 2) Eerste drukdaling voor de regeneratie (recycleerbaar gas) 3) Tweede drukdaling voor de regeneratie (afvalgas) 4) Druk opbouw tot 7-8 bar

2.3.3.3 Kosten De kosten van een (V)PSA kunnen verschillen doordat er gebruik kan gemaakt worden verschillende adsorptie materialen. Ook de kosten van de pomp kan verschillen naargelang de beslissingen bij de bouw van het systeem. Er kan echter wel een algemene schatting van de investering- en onderhoudskosten worden opgesteld (Tabel 2-11 en Tabel 2-12).

Tabel 2-11: Investeringskosten (V)PSA (Reijenga et al., 2008)

Investeringskosten (€) CO2 adsorbantie kolommen Pompen Compressoren Bijkomende kosten Totale investeringskosten

500.000 10.000 100.000 70.000 680.000

Tabel 2-12: Onderhoudskosten (V)PSA per jaar (Reijenga et al., 2008)

Onderhoudskosten (€) Energiekosten Reagentia kosten Operatie kosten Onderhoud Totale onderhoudskosten

33.500 100.000 50.000 3.750 187.250

21

2.3.4 membraanscheiding 2.3.4.1 Principe Een membraanscheiding werkt op het principe van selectieve permeabiliteit voor de verschillende componenten. Voor CO2 en H2S van CH4 te scheiden moet er een membraan materiaal gekozen worden dat een hoge selectiviteit heeft voor CO 2 en H2S, en een lage selectiviteit voor CH4. Dit zal leiden tot een hoger afscheidingsrendement en een lager CH4 verlies. De CH4 verliezen blijven echter vrij hoog bij het gebruik van een membraanscheiding: 10-15%. Door een membraanscheiding toe te passen kan het biogas worden opgewerkt tot CH4 concentratie van 94-96 %. Er kan gebruik worden gemaakt van een gasvloeistof absorptiemembraan. Bij deze techniek wordt het biogas langs een microporeus hydrofoob membraan geleid dat het gas scheidt van een waterige oplossing in tegenstroom. Bij deze techniek zal zowel H2S en CO2 via diffusie door het membraan geraken en worden geabsorbeerd aan de andere kant door de waterige fase. Bij deze techniek kan (met gebruik van goede absorbentia in de waterige fase) een goede verwijdering van H2S en CO2 bekomen worden.

Figuur 2-8: Gasvloeistof absorptiemembraan (Reijenga et al., 2008)

Het inputgas wordt onderaan het membraan ingebracht en door het membraan geduwd. Bovenaan het membraan komt het gezuiverde gas vrij. Een waterstroom zal de CO 2 (en H2S) uit het membraan verwijderen. De uitvoering van een membraanscheiding is zeer eenvoudig, eenvoudig op te stellen en te onderhouden.

2.3.4.2 Processchema

22

Figuur 2-9: Processchema membraanscheiding (Reijenga et al., 2008)

2.3.4.3 Kosten Naargelang het gebruikte membraan kan de kostprijs van een membraanscheiding systeem verschillen. Er wordt een algemene schatting van de investering- en onderhoudskosten opgesteld voor een standaard membraanscheiding (Tabel 2-13 en Tabel 2-14).

Tabel 2-13: Investeringskosten membraanscheiding (Reijenga et al., 2008)

Investeringskosten (€) Bijkomende kosten Pomp Compressor Membraan Totale investeringskosten

100.000 10.000 100.000 23.000 233.000

Tabel 2-14: Onderhoudskosten membraanscheiding (Reijenga et al., 2008)

Onderhoudskosten (€) Energiekosten Operatie kosten onderhoud Totale onderhoudskosten

28.000 50.000 3.750 81.750

23

2.3.5 Cryogene scheiding 2.3.5.1 principe De techniek cryogene scheiding maakt gebruik van lage temperaturen (- 90 °C) en hoge druk (40 bar) (Reijenga et al., 2008). De temperatuur en druk waarmee gewerkt wordt kan verschillen van installatie tot installatie. Omdat alle vervuilingen in het biogas bij een verschillende temperatuur vloeibaar worden is het mogelijk om de vervuilingen vloeibaar te maken en ze dan af te scheiden van het overgebleven gas. Het vloeibare afvalproduct kan gebruikt worden voor andere doeleinden. Het vloeibare CO2 kan bijvoorbeeld gebruikt worden als koelvloeistof, hierbij moet echter opgelet worden dat het vloeibare CO2 niet vervuild is met andere componenten. Anders kan het zijn dat de kwaliteitsnorm van vloeibaar CO2 niet behaald wordt en dat het niet verkocht kan worden. Vooraleer het biogas kan gebruikt worden moet het eerst worden gedroogd om bevriezing te voorkomen. Het interessante aan deze methode is dat er direct vloeibaar biomethaan bekomen wordt. Met een cryogene scheiding kan een zuiverheid bekomen worden van 90-97 % CH4 in de output stroom. Er kunnen lage CH4 verliezen van 0,6 % bekomen worden.

2.3.5.2 Processchema

Figuur 2-10: Processchema cryogene scheiding (Reijenga et al., 2008)

Het biogas zal in verschillende stappen van koeling en compressie, zoals op het processchema te zien is, worden gekoeld en gecomprimeerd tot -90 °C en 40 bar. Onder deze temperatuur en druk zal het CO2 kunnen afgescheiden worden. De afgescheiden CO2 kan nog een nabehandeling ondergaan om de CH4 die mee is afgescheiden te recupereren. Het gezuiverde biogas kan in de eerste koeler gebruikt worden om het binnenkomende biogas te koelen. 2.3.5.3 Kosten Naargelang er met andere drukken en temperaturen gewerkt wordt kan deze kost variëren. Er wordt een algemene schatting van de investering- en onderhoudskosten opgesteld voor de beschreven cryogene scheiding (Tabel 2-15 en Tabel 2-16).

24

Tabel 2-15: Investeringskosten cryogene scheiding (Reijenga et al., 2008)

Investeringskosten (€) Warmtewisselaar 1 Warmtewisselaar 2 Warmtewisselaar 3 Compressor 1 Compressor 2 Scheidingskolom Totale investeringskosten

10.300 26.500 21.700 200.000 250.000 400.000 908.500

Tabel 2-16: Onderhoudskosten cryogene scheiding (Reijenga et al., 2008)

Onderhoudskosten (€) Energiekosten Operationele kosten Onderhoudskosten Totale onderhoudskosten

343.000 50.000 4.500 397.500

2.3.6 Vergelijking van de verschillende opwerkingstechnieken 2.3.6.1 Voor- en nadelen

Tabel 2-17: Voor- en nadelen bij de opwerkingstechnieken (Vervaeren et al, 2008)

Methode Absorptie met water

Voordelen - Ook verwijdering van H2S - Instelbare capaciteit - Hoge zuiverheid outputstroom - Tolerant voor onzuiverheden

Nadelen - Hoge investering- en bedrijfskosten - Microbacteriële groei en verstopping - Schuimvorming - Lage flexibiliteit tegenover verandering samenstelling inkomend gas - H2S <300 ppm gemiddeld voor voldoende verwijdering te verkrijgen

Absorptie met selexol

- Hoge CO2 en H2S concentraties kunnen verwijderd worden - Regenereerbaar - Ook carbonyl sulfide (COS), organische S-componenten NH3, HCN en H2O verwijderd - Hoge zuiverheid outputstroom - Energetisch gunstiger dan water

- Moeilijke operatie - Hoge investering- en werkingskosten - Klassieke regeneratie niet voldoende bij contaminatie van H2S, COS of bij het gebruik van verdunde oplossing van selexol en water

25

Chemische absorptie met amines

- Kleiner volume nodig dan water - Regenereerbaar - Zeer selectief - Weinig elektriciteit nodig - Zeer hoge zuiverheid outputstroom - Werking op lage druk - Geen biologische activiteit - Lage onderhoud- en werkingskosten

- Corrosie - Afbraak en vergiftiging van amines (O2) - Contaminatie - Onoplosbare zouten gevormd - Schuimvorming - Warmte nodig voor regeneratie - Hoge investeringskosten

(V)PSA

-

Ook H2S verwijdering Compacte techniek Laag energieverbruik Druk vereist maar is regenereerbaar - Ook voor kleine capaciteiten - Tolerant voor onzuiverheden - Hoge zuiverheid outputstroom

- Investeringskosten hoog - Operationele kosten en onderhoudskosten vrij hoog

Membraanscheiding

- Lage kostprijs - Efficiënte verwijdering - Zuiver CO2 kan bekomen worden - Ook H2S verwijdering - Eenvoudige opbouw en werking - Hoge bedrijfszekerheid - Ook voor kleine gasstromen zonder kostprijs stijging - Hoge zuiverheid outputstroom

- Afgassen bevatten nog veel CH4 - Meerdere stappen vereist om hoogcalorisch biomethaan te verkrijgen

Cryogene scheiding

- CO2 commercieel bruikbaar - LBM wordt verkregen - Hoge zuiverheid outputstroom

- Hoge investering- en werkingskosten - Zeer veel energie vereist

2.3.6.2 Vergelijking van de CH4-verliezen en CH4-verrijking

Tabel 2-18: CH4-verliezen en CH4-verrijking bij opwerkingstechnieken(Vervaeren et al, 2008)

Methode Absorptie met water Absorptie met selexol Chemische absorptie met amines (V)PSA

CH4-verliezen (%)

CH4 verrijking (%) <2 <2

 97  97

< 0,1

 99

<2

95-98 26

Membraanscheiding Cryogene scheiding

(bij slecht functionerende kleppen kan deze hoger liggen) 10-15 < 0,6

 96 90-96

3. Materiaal en methoden 3.1 AspenTech plus Voor deze thesis werd gebruik gemaakt van AspenTech plus. Dit is een simulatie programma dat het mogelijk maakt de theoretische werking van een chemisch wetenschappelijke opstelling na te bootsen. Aspen plus staat bekend voor het oplossen van verscheidene problemen in een chemisch proces. Het programma staat toe een chemisch proces goed te simuleren en te optimaliseren. Om dit te realiseren bestaat Aspen plus uit een zeer uitgebreid pakket van databases waarin alle stofeigenschappen en interactie tussen elementen verwerkt zitten. Voor het simuleren van een chemisch proces is Aspen plus een van de meest aangeraden programma‘s. Dit vooral door de overeenkomsten van de theoretisch verkregen resultaten en de resultaten verkregen bij de werkelijke opstelling. Er werd van dit programma gebruik gemaakt omdat de kost voor een proefinstallatie op labo schaal te hoog zou zijn. Er worden in Aspen twee simulaties getest: de hoge druk waterscrubber en de aminescrubber. Aan de hand van dit programma kunnen de optimale parameters bepaald worden voor beide scrubbers en kunnen zo de werkingskosten van beide simulaties bepaald worden. Het bepalen van deze optimale parameters gebeurt aan de hand van het uitvoeren van sensitivity analyses op het programma. Een sensitivity analyse laat toe het effect van een of meerdere parameters op een andere parameter weer te geven. Aan de hand van deze gegevens kan een grafiek worden opgesteld om dit effect visueel voor te stellen. Een sensitivity analyse is een momentopname waarbij alle andere parameters die niet in de sensitivity worden opgenomen vast worden gehouden. Dit betekent dat een sensitivity 27

vooral gebruikt wordt voor het effect te testen van de verschillende parameters. Door het uitvoeren van deze analyses kunnen niet alleen de belangrijkste parameters bepaald worden, maar kunnen deze ook geoptimaliseerd worden om zo de kosten te drukken. Hier moet er echter wel gelet worden op het feit dat tijdens het testen de parameters worden aangepast om op het einde van de testen een optimaal programma te verkrijgen. Het uitvoeren van sensitivity analyses op het geoptimaliseerde programma zou er voor zorgen dat veel van de grafieken een rechte lijn zouden geven op de maximale zuiverheid. Dit zou zorgen voor een onduidelijke grafiek waar geen goede besluiten uit kunnen getrokken worden.

3.1.1 Hoge druk waterscrubber Voor de hoge druk waterscrubber wordt gebruik gemaakt van de property methode elektrolyten in Aspen. De reden van deze keuze is voor de hand liggend omdat de verwijdering van CO2 gebeurt aan de hand van een fysische scrubbing die gebruik maakt van de oplosbaarheid van CO2 in water.

3.1.2 Aminescrubber Voor de aminescrubber wordt gebruik gemaakt van de property methode amines. Amines is een property methode die speciaal ontworpen is voor scrubbers die gebruik maken van een amine oplossing als wasvloeistof. Omdat dit bij deze simulatie het geval is, wordt er voor deze methode gekozen.

3.2 Hoge druk waterscrubber

3.2.1 Inleiding Het gebruik van een waterscrubber is een algemeen gekende techniek voor het opzuiveren van biogas. De techniek maakt gebruik van een fysische CO2 scrubbing aan de hand van de oplosbaarheid van CO2 in water. Reactievergelijking:

CO2 + 2H2O

H3O+ + HCO3-

(r.8)

HCO3- + H2O

H3O+ + CO3-2

(r.9)

Omdat de oplosbaarheid van CO2 in water met neutrale pH zeer laag is (1,45 g/l), wordt er onder verhoogde druk gewerkt om zo de oplosbaarheid te doen stijgen. In deze waterscrubber wordt er gewerkt bij een druk van 8 bar. Omdat in een waterscrubber de grootste kost het waterverbruik is, worden de andere parameters die kunnen variëren in de opstelling zo aangepast dat er met een zo klein mogelijk debiet kan gewerkt worden. Dit gebeurt aan de hand van het uitvoeren van sensitivity analyses.

28

Het gebruik van een waterscrubber zonder regeneratie kan enkel winstgevend zijn als er gebruik wordt gemaakt van stortwater dat een vrij hoge zuiverheid heeft. Hierbij kan gedacht worden aan het gebruik van water dat na een RWZT zou geloosd worden in de rivier. Er kan ook geopteerd worden om rivierwater te gebruiken. Er moet wel op worden gelet dat de reactor niet vervuild wordt door zwevende deeltjes en organisch materiaal dat bij het gebruik van rivierwater kan optreden. Het gebruik van kraantjeswater bij een waterscrubber zonder regeneratie is vrijwel onmogelijk omdat de kosten veel te hoog zouden oplopen. 3.2.2 Processchema

Figuur 3-1: Processchema hoge druk waterscrubber zonder regeneratie

29

Figuur 3-2: : Processchema hoge druk waterscrubber met regeneratie

3.2.3 Waswater 3.2.3.1 Waswater debiet Zoals eerder vermeld zal er gebruik worden gemaakt van sensitivity analyses om de optimale parameters te verkrijgen. Bij het waswaterdebiet wordt er verondersteld dat de zuiverheid van het biomethaan zal stijgen naarmate er meer waswater wordt gebruikt. Dit betekent natuurlijk ook dat de hoeveelheid CH4 die wordt meegevoerd met het waswater zal stijgen, maar in veel minder sterke maten dan het afgevoerde CO 2. Omdat het waswater de grootste variabele werkingskost vormt in een waterscrubber, dient het waswaterdebiet zo laag mogelijk gehouden te worden. Dit zal gerealiseerd worden door het optimaliseren van de andere parameters in het systeem.

3.2.3.2 Waswater temperatuur Omdat de oplosbaarheid in water daalt als de temperatuur stijgt, wordt de temperatuur een belangrijke factor voor het drukken van het waswaterdebiet. Omdat het debiet van het waswater veel groter is dan het debiet van het biogas, zal de temperatuur in de reactor voornamelijk bepaald worden door de temperatuur van het inkomende waswater. Afhankelijk van de resultaten zal er al dan niet gekozen worden voor een voorkoeling van het waswater.

30

3.2.4 Biogas toevoer Het inkomende biogas zal eerst op een druk van 8 bar moeten gebracht worden. Dit gebeurt aan de hand van een eentraps compressor. Bij het op druk brengen van een gas zal het volume dalen en de temperatuur toenemen. Omdat zoals bovenaan aangehaald de temperatuur een groot effect zal hebben op het benodigd debiet van het waswater, zal er afhankelijk van de verkregen temperatuur na de compressor een temperatuurscorrectie nodig zijn.

3.2.5 Waskolom Er wordt gebruik gemaakt van een standaard waskolom in tegenstroomprincipe zonder reboiler of reheater. In de kolom wordt er gebruik gemaakt van pall-ringen als pakkingmateriaal. De enige aan te passen variabele in de waskolom is de hoogte van de waskolom. Omdat de werkingskost van de kolom de belangrijkste kost parameter is zal er gekozen worden voor een kolom met een zo hoog mogelijk rendement. In Aspen wordt er gewerkt met theoretische platen. Om deze waarden om te rekenen wordt de HETP ook bepaald in het programma, waardoor de uiteindelijke kolomhoogte kan worden berekend.

3.2.6 Flashtank De flashtank is een belangrijk onderdeel in de waterscrubber installatie. De flashtank heeft als nut de CH4 verliezen te minimaliseren. Dit gebeurt door de druk te verlagen waardoor CO2 en CH4 vrijkomt. Bij de flashtank is het de bedoeling een acceptabel evenwicht te vinden tussen de gewenste CH4 regeneratie en de ongewenste CO2 die wordt teruggevoerd naar de waskolom. Aan de hand van een sensitiviteit analyse kunnen deze verhoudingen duidelijk worden. Hierbij is het ook belangrijk om het te verwachten extra waterverbruik in rekening te brengen dat met de regeneratie gepaard gaat. In deze stap worden ook de CH4 verliezen bepaald.

3.2.7 Luchttoevoer

31

3.2.7.1 Lucht debiet In een waterscrubber wordt gebruik gemaakt van lucht om het vervuilde waswater te zuiveren. Door het vervuilde waswater op atmosferische druk te brengen en lucht door het waswater te sturen, zal de CO2, CH4 en andere restcomponenten worden vrijgesteld en worden afgevoerd. Dit is niet enkel belangrijk voor een waterscrubber met regeneratie, maar ook voor een waterscrubber zonder regeneratie. De waterscrubber zonder regeneratie zal voor het water geloosd mag worden ook moeten zorgen dat de overmaat aan CO2 in het water, de nog aanwezige CH4 en de restcomponenten verwijderd zijn.

3.2.7.2 Lucht temperatuur Het effect van de lucht temperatuur op de zuiverheid van het waswater is een belangrijke parameter voor de kostprijs van de installatie, omdat deze bepaalt of er al dan niet een temperatuurscorrectie nodig is. Omdat er gebruik wordt gemaakt van buitenlucht om de zuivering uit te voeren zal de temperatuur van de lucht variëren in de tijd. Het is daarom belangrijk om het effect van de temperatuur te testen zodat er in de zomer en in de winter hetzelfde zuiveringsrendement kan behaald worden. Het effect van eventuele variaties in de zuiverheid bij een temperatuursverandering kan ook worden gecompenseerd door het luchtdebiet aan te passen in functie van de buitenlucht temperatuur. Hierdoor kan de meerkost van een verwarming- of koelinginstallatie vermeden worden.

3.2.8 Desorptiekolom Net zoals bij de waskolom zal ook het effect van de hoogte op de zuiverheid van het waswater getest worden.

3.2.9 Regeneratie Een waterscrubber met regeneratie van het verbruikte water werkt op praktisch dezelfde manier als de waterscrubber zonder regeneratie. Het enige verschil is dat hier het gezuiverde water wordt geregenereerd om zo het waterverbruik in te perken. Bij het gebruik van waterregeneratie wordt er geopteerd om met vrij zuiver water te werken zodat de kans op fouling zo laag mogelijk blijft. Het gebruik van kraantjeswater kan in deze techniek wel een optie zijn. Het grootste verschil bij deze techniek in vergelijking met de waterscrubber zonder regeneratie, is dat er een hoger debiet verwacht wordt. Dit komt doordat de zuiverheid van het gezuiverde waswater nooit 100 % is. Dit betekent echter niet dat er een hoger waterverbruik is want er wordt zeer veel water geregenereerd. Enkel het water dat verloren gaat tijdens het proces moet worden toegevoegd nadat de reactor op gang is getrokken.

32

3.3 Aminescrubber 3.3.1 Inleiding De Aminescrubber maakt gebruik van een chemische CO2 scrubbing door de amines te laten binden met de CO2. Doordat deze reactie vrij efficiënt gebeurt kan er gewerkt worden onder atmosferische druk en met een laag debiet. Er is ook geen CH4 die mee oplost waardoor er geen CH4 verliezen plaatsvinden. Er kan gebruik worden gemaakt van verschillende soorten amines (monoethanolamine, diethnolamine, methyldiethanolamine in diisopropylanmine). Er werd in deze reactor gekozen voor MEA als scrubbings middel.

Reactievergelijking:

RNH2 + H2O + CO2

RNH3+ + HCO3-

(r.10)

De amine-water oplossing heeft een verhouding van 20 m% amine en 80 m% water. Het m% van de amine mag niet hoger liggen dat 30 m% omdat er anders kans is op oververzadiging van de reactor en neerslag van aminozouten. Omdat amines vrij duur zijn en een water amine oplossing niet zomaar geloosd mag worden, wordt er in deze scrubber met een regeneratie van de gezuiverde wasvloeistof gewerkt. Dit gebeurt aan de hand van het opwarmen van de vervuilde wasvloeistof zodat de amines de CO2 vrijstellen en deze kan ontsnappen via de afgassen. Om een deel van deze warmte te recupereren, wordt gebruik gemaakt van een warmtewisselaar waarbij de gezuiverde wasvloeistof de binnenkomende vervuilde wasvloeistof voorverwarmt. 3.3.2 Processchema

Figuur 3-3: Processchema aminescrubber

33

3.3.3 Waswater 3.3.3.1 Wasdebiet Zoals bij de waterscrubber zal de biomethaan zuiverheid toenemen als het was debiet toeneemt. Het grote verschil tussen de twee is dat de aminescrubber een veel lager debiet nodig heeft om de gewenste zuiverheid te verkrijgen. Doordat er moet opgewarmd worden voor de regeneratie van de wasvloeistof ligt het energieverbruik echter veel hoger. Hierdoor wordt de aminescrubber niet ontworpen zodat er zo weinig mogelijk wasvloeistof nodig is, maar op de eerste plaats zodat het energieverbruik zo laag mogelijk ligt.

3.3.3.2 Temperatuur wasvloeistof Bij een aminescrubber wordt er zoals eerder aangehaald, gewerkt met het opwarmen van de vervuilde wasvloeistof voor de regeneratie. Hierbij kunnen de temperaturen oplopen tot maximaal 160 °C. Het sterk afkoelen van de geregenereerde wasvloeistof zal hierdoor doorwegen in de kostprijs. Afhankelijk van de resultaten zal een evenwicht gezocht worden tussen het afkoelen van de gezuiverde wasvloeistof en het totale wasvloeistof debiet.

3.3.4 Biogas toevoer Het biogas heeft geen druk of temperatuurscorrectie nodig en kan in principe direct van de biogasreactor naar de scrubber worden geleid. Dit is echter alleen het geval als er geen H2S in het biogas aanwezig is, omdat H2S de amines zal vergiftigen. Hierdoor zal de wasvloeistof na een aantal keer doorlopen van de cyclus, geen reactieve amines meer bevatten. Als er H2S in het biogas aanwezig is, wordt er geopteerd om een voorzuivering in te voeren. In de case studie zal gewerkt worden met een H2S concentratie van 500 ppm.

3.3.5 Waskolom De waskolom is een standaard kolom die gebruik maakt van een tegenstroomprincipe, net zoals bij de waterscrubber. Het verschil met de waterscrubber is dat er bij een aminescrubber onder atmosferische druk wordt gewerkt en bij een veel lager debiet. Bij deze scrubber zal er ook gekozen worden om het gebruikte debiet zo laag mogelijk te houden door de kolom zo efficiënt mogelijk te ontwerpen. Dit zal zorgen voor een lagere werkingskost maar zal gepaard gaan met een hogere installatie kost. Er wordt gebruik gemaakt van Pall ringen als pakkings materiaal. Zowel de HETP als het aantal theoretische platen zal worden berekend in Aspen.

34

3.3.6 Warmtewisselaar De warmtewisselaar is een belangrijk kosten drukkend onderdeel in de aminescrubber. In de warmtewisselaar wordt de binnenkomende vervuilde vloeistofstroom voorverwarmd met de uitgaande zuivere vloeistofstroom. Dit heeft niet alleen het positieve effect dat er minder warmte nodig is om de regeneratie uit te voeren, maar ook dat de geregenereerde wasvloeistof al deels wordt afgekoeld. De literatuur over de warmtewisselaar kan worden teruggevonden in de literatuurstudie onder 2.3.2.3.

3.3.7 Desorptiekolom

De desorptiekolom dient om het vervuilde waswater aan de hand van verwarming te zuiveren voor hergebruik. Hoe zuiverder het waswater hoe efficiënter de reactor zal kunnen draaien. Om deze kolom te optimaliseren moeten een aantal parameters worden bepaald. De eerste parameter is de ingangsplaat waarop de wasvloeistof wordt ingebracht in de kolom. Afhankelijk van de ingangsplaat van de vervuilde wasvloeistof, zal de zuiverheid van de gezuiverde wasvloeistof variëren. Voor deze parameter zal er geopteerd worden om een zo hoog mogelijk rendement te behalen omdat de ingangsplaat geen effect heeft op de werking- of installatiekosten. De tweede parameter is de hoogte van de kolom. De hoogte wordt zoals voorgaande kolommen bepaald. De derde parameter is de verhouding tussen reboiler en reheater. Deze zal de warmte toevoer regelen en bepalen hoeveel er terug naar de kolom wordt gerecirculeerd. Deze parameter zal een groot effect hebben op de werkingskosten van de aminescrubber.

3.3.8 Afgassen De afgassen van de desorptiekolom bestaan uit water en CO2. Er zal zoals eerder vermeld geen CH4 worden meegevoerd. Er zullen ook vrijwel geen amine verliezen plaatsvinden.

3.3.9 Waswaterregeneratie Zoals vermeld zullen er over de hele reactor zo goed als geen amine verliezen plaatsvinden. Dit betekent dat de amines die nodig zijn in de reactor in principe een eenmalige kost zijn. Door vervuiling en vergiftiging van spore elementen kan het echter wel nodig zijn om de amines te verversen als het percentage aan CH4 daalt in het biogas. Er gaat tijdens het proces door de hoge temperaturen enkel water verloren. Het toevoegen van water aan de gezuiverde wasvloeistof in het begin van de reactie, is dus nodig om het neerslaan van aminezouten te voorkomen. Het waterverlies is bij een aminescrubber veel lager dan bij een waterscrubber en zal dus niet de primaire werkingskosten van de aminescrubber bepalen.

35

3.4 Validatie testen Zoals eerder aangehaald staat AspenTech plus bekend voor het geven van accurate waarde in vergelijking met de werkelijkheid. Omdat dit echter zeer belangrijk is voor de interpretatie van de gegevens en het verder uitwerken naar een piloottest, worden er extra testen uitgevoerd. Er wordt gebruik gemaakt van waarden uit Zweedse hoge druk waterzuivering installaties. De opgegeven parameters worden ingegeven in Aspen. De wetgeving in Zweden stelt dat het biomethaan 95 % CH4 zuiverheid moet hebben voor injectie. Aan de hand van deze waarden wordt er nagegaan of de opgelegde zuiverheid wordt verkregen met de opgegeven parameters. Omdat er sowieso een afwijking wordt verwacht tussen theoretische en praktijk waarden, zal tijdens de testen het wasdebiet bepaald worden voor het verkrijgen van 95 % CH4 zuiverheid, terwijl alle andere parameters ingesteld worden zoals wordt opgegeven. Het verkregen theoretisch resultaat wordt dan vergeleken met de werkelijke resultaten. Als deze dicht genoeg bij elkaar liggen, kan er besloten worden dat de waarden verkregen in Aspen als een goede schatting voor de werking van de installatie kunnen gelden.

Tabel 3-1: Validatiemethode test parameters

Locatie

Biogas Debiet (Nm3/h)

Biogas CH4 concentratie (%)

Waskolom hoogte (m)

Was water Druk teperatuur (bar) (°C)

Opgegeven wasdebiet (m3/h)

Jönköping

300

65

14,5

10

5 - 15

25 - 40

Kristianstad

300

66 - 70

10

12

10 - 20

20 - 35

Linköping

1200

68

7

12

10 - 20

130

Trollhâttan

500

65

14

9

15

60

Eslöv

100

55 - 62

6

8

4 - 15

10 - 14

3.5 Economische analyse Aan de hand van offertes wordt een eerste raming gemaakt van de werkingskosten voor de beide installaties. Deze worden met elkaar vergeleken en er wordt berekend hoeveel 36

de productiekost is per kWh. Deze productiekost wordt vergeleken met gelijksoortige brandstoffen zoals aardgas voor injectie en diesel, benzine, … voor gebruik als vervoersbrandstof. Aan de hand van deze vergelijking zal een besluit kunnen getrokken worden of de opwerking van biogas tot biomethaan economisch rendabel is.

4. Resultaten en besprekingen 4.1 Wobbe-index Vooraleer er kan begonnen worden met het simuleren in AspenTech, moet eerst de gewenste concentratie van CH4 in het biomethaan berekend worden. Dit gebeurt aan de hand van de wobbe-index. Zoals eerder uitgelegd is de wobbe-index een maatstaaf voor de hoeveelheid energie in een gasbrandstof. De wobbe-index voor injectie moet tussen 13,65 – 15,78 kWh/m3 liggen (bijlage 3).

√

De dichtheid van het gas en de dichtheid van lucht zijn gekend. Door de calorische waarde van het gas te laten variëren (als de zuiverheid van het biomethaan daalt, daalt de calorische waarde) kan de minimale zuiverheid van het biomethaan bepaald worden zodat het aan injectienormen voldoet. Uit deze berekening kan gehaald worden dat het biomethaan een minimale zuiverheid moet hebben van 89 vol % CH4 (WI = 13,674 kWh/m3). Om kleine schommelingen in het proces te compenseren wordt er gestreefd naar een biogas met een zuiverheid van 91 vol % CH4. 4.2 Case studie 4.2.1 Biogas parameters Het biogas heeft een standaard samenstelling van 60 vol % CH4 en 40 vol % CO2. Om het effect van eventuele vorming van H2S in het biogas te onderzoeken, wordt er ook 500 37

ppm H2S in het biogas ingerekend. Het biogas komt rechtstreeks van de biogasreactor naar de opwerkingsinstallatie. Er is in principe geen nood aan een voorbehandeling als het gaat om biogas dat vrij is van verontreinigingen. Dit betekent dat het biogas onmiddellijk naar de opwerkingsinstallatie mag gevoerd worden. De totale productie aan biogas is ongeveer 200 m3/h. Hiervan wordt 30,85 m3/h gebruikt om een WKK aan te drijven die de opwerkingsinstallatie van energie moet voorzien, zodat er geen energie van het net nodig is. De geproduceerde warmte van de WKK kan in het geval van de aminescrubber gebruikt worden in de desorptiekolom om zo energie te besparen. Er zal uiteindelijk ongeveer 169,15 m3/h biogas naar de opwerkingsinstallatie gaan. Dit zou dus theoretisch 111,5 m3/h (=196,15*0,6/0,91) opgewerkt biomethaan kunnen leveren met een zuiverheid van 91 vol % CH4. In de literatuur kan worden teruggevonden dat er meestal gewerkt wordt met 95-97 % CH4 zuiverheid (E. Ryckebosch, 2011).

4.2.2 Installatie input/output De enige opgegeven inputparameter is de biogassamenstelling zoals opgenomen in 4.2.1. De enige output parameter die wordt opgegeven is de te behalen CH4 concentratie in het biomethaan die in 4.1 berekend werd. Aan de hand van deze twee parameters wordt een zo kostvriendelijke efficiënte hoge druk waterscrubber en aminescrubber ontworpen.

4.2.3 Hoge druk waterscrubber 4.2.3.1 Processchema

Figuur 4-1: Processchema hoge druk waterscrubber

De stromen in het processchema worden uitgelegd in 2.2.2. 38

4.2.3.2 Waswater -

Waswater debiet

100,00% 95,00%

CH4 zuiverheid

90,00% 85,00% 80,00% 75,00% 70,00% 65,00% 60,00% 0,000

0,020

0,040

0,060 Debiet

0,080

0,100

0,120

0,140

0,160

0,180

(m3water/Nm3biogas)

Figuur 4-2: CH4 zuiverheid ifv water debiet

39

De zuiverheid van het biomethaan neemt toe naarmate het debiet van het waswater stijgt (Fig. 4-2). Dit is zoals verwacht want hoe meer waswater er gebruikt wordt hoe meer CO 2 zal verwijderd worden. Zoals eerder aangehaald is het waswater de grootste variabele kost. Het waswaterdebiet zal op 15 m3/h genomen worden.

-

Waswater temperatuur

24 22

Wasdebiet (m3)

20 18 16 14 12 10 0

5

10

15

20

25

was temperatuur (°C)

Figuur 4-3: CH4 zuiverheid ifv was temperatuur

40

Aan de hand van Figuur 4-3 is het duidelijk dat de oplosbaarheid van CO2 in water toeneemt als de temperatuur van het water afneemt. Om deze reden werd er gekozen om met water te werken met een temperatuur van 10°C. Door de invoering van deze koeling kan er gewerkt worden met 5 m3/h waswater minder dan bij water met een temperatuur van 20 °C. Deze koeling brengt een meerkost met zich mee, maar wordt gerecupereerd door het lagere verbruik van waswater. Hier moet ook gewezen worden op het feit dat 20 °C de temperatuur is dat leidingwater heeft in de zomer. In de winter zal er minder koeling nodig zijn om waswater van 10 °C te verkrijgen.

4.2.3.3 Voeding De voeding wordt eerst op druk gebracht van 8 bar. Door het opvoeren van de druk, stijgt de temperatuur van het biogas van 37 °C naar 256,86 °C. Er is dan ook een nakoeling nodig om het debiet van het waswater niet te hoog te laten oplopen. Er wordt gekoeld tot een temperatuur van 50 °C. De reden hiervoor is omdat er voor het koelen tot 50°C gebruik kan gemaakt worden van een luchtkoeling. Bij een luchtkoeling is er geen extra kost voor koelvloeistof en is er maar een laag energieverbruik. Een tweede reden voor de koeling tot 50 °C en niet lager, is omdat de temperatuur van de voeding een kleiner effect heeft op de totale temperatuur in de waskolom door het hoge waswaterdebiet.

4.2.3.4 Waskolom 100,00% 98,00%

CH4 zuiverheid

96,00% 94,00% 92,00% 90,00% 88,00% 86,00% 84,00% 0

5

10

15

20

25

30

35

# theoretische platen Figuur 4-4: CH4 zuiverheid ifv # theoretische platen

41

De hoogte van de waskolom wordt bepaald door het aantal theoretische platen en de HETP van de kolom. In Figuur 4-4 wordt het effect op de efficiëntie bij een toenemend aantal theoretische platen duidelijk. Hieruit kan worden afgeleid dat het toevoegen van meer dan 20 platen vrijwel geen effect heeft op het rendement en dus ook geen economisch nut heeft als dit vergeleken wordt met de meerkost voor een hogere kolom. Aan de hand van de HETP die berekend wordt in Aspen Tech, kan de totale hoogte van de kolom bepaald worden. Uit AspenTech kan gehaald worden dat de HETP = 0,44. Dit betekent dat de hoogte van de kolom 8,6 m is. Deze hoogte komt ook overeen met al toegepaste waterscrubbers in de praktijk. De kolomdiameter wordt ook bepaald in Aspen en is 0,7 m.

4.2.3.5 Flashtank 10,00 9,00 8,00 7,00 6,00

Nm3/h

5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 0

1

2

3

4

5

6

7

8

Flash tank druk (bar) CH4 regen

CO2 regen

CH4 afgassen

Figuur 4-5: flashdruk ifv de regeneratie

42

Tabel 4-1: Gegevens flashdruk ifv de regeneratie

druk (bar) 2 3 4 5 6 7

CH4 regen (Nm3/h) 2,96 2,67 2,18 1,64 1,09 0,54

CO2 regen (Nm3/h) 58,80 17,27 5,79 2,52 1,17 0,45

CH4 afgassen Waterverbruik (Nm3/h) (m3/h) 0,09 22,53 0,28 16,81 0,68 15,21 1,19 14,71 1,71 14,50 2,24 14,35

In Figuur 4-5: flashdruk ifv de regeneratie kan de hoeveelheid CO2 en CH4 worden waargenomen die wordt gerecirculeerd naar het begin van de waskolom, alsook de CH4 verliezen die hierbij gepaard gaan. Uit deze figuur kan worden afgeleid dat er bij een druk onder 4 bar er zeer veel CO2 zal worden teruggerecirculeerd. Daarom wordt er gekozen om de flashtank op 4 bar te houden. Omdat het extra waterverbruik hierbij belangrijk is voor de meerkost, wordt deze weergegeven in Tabel 4-1: Gegevens flashdruk ifv de regeneratie

4.2.3.6 Desorptiekolom -

Desorptiekolom hoogte en luchtdebiet

43

100,00% 95,00%

CO2 verwijdering

90,00% 85,00% 80,00% 75,00% 70,00% 65,00% 60,00% 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Luchtdebiet (m3/h) 5 platen

6 platen

7 platen

8 platen

9 platen

10 platen

Figuur 4-6: CO2 verwijdering ifv luchtdebiet

In Figuur 4-6 kunnen twee variabelen afgeleid worden: het effect van de kolomhoogte en het luchtdebiet op de CO2 verwijdering uit het vervuilde waswater. Het valt direct op dat de grafieken zeer dicht op elkaar liggen. Dit betekent dat de kolomhoogte weinig effect heeft op de zuiverheid van het gezuiverde waswater. Hieruit kan besloten worden dat er met een kleine en goedkope kolom mag gewerkt worden. De efficiëntie van de CO 2 verwijdering zal afhangen van het luchtdebiet. Omdat de desorptiekolom op atmosferische druk werkt, zal 70 % van de CO2 vrij worden gesteld zonder luchttoevoer. Omdat dit nog niet zuiver genoeg is moet er lucht worden toegevoerd. Voor goed gezuiverd water te krijgen na de desorptiekolom, wordt er geopteerd om met een luchtdebiet van ongeveer 20 m3/h te werken. Dit garandeert zuiver waswater. De CH4 die in het waswater is meegevoerd wordt vrijgesteld van zodra het vervuilde waswater op atmosferische druk wordt gebracht. De kolom diameter is: 0,8 m.

-

Lucht temperatuur

44

98,00% 96,00% 94,00%

CO2 rest (kmol/h)

92,00% 90,00% 88,00% 86,00% 84,00% 82,00% 80,00% 0

5

10

15

20

25

30

lucht temperatuur (°C)

Figuur 4-7: CO2 rest ifv lucht temperatuur

Bij een lager luchtdebiet werd het effect van de temperatuur op de CO2 verwijdering getest. Uit Figuur 4-7 kan duidelijk worden afgeleid dat de temperatuur geen invloed heeft op de CO2 verwijdering in de desorptiekolom. Deze vaststelling is vooral belangrijk omdat hieruit kan afgeleid worden dat winter en zomer temperaturen geen effect zullen hebben op het zuiveringsproces. Er moeten dus geen extra kosten gemaakt worden voor het koelen, verwarmen of constant houden van de lucht temperatuur. Enkel het plaatsen van een stoffilter is aangeraden zodat de kolom niet vervuild.

4.2.3.7 Afgassen De afgassen zullen vooral uit lucht en CO2 bestaan, maar er zal ook een kleine hoeveelheid CH4 aanwezig zijn in de afgassen. Omdat CH4 een 23 keer sterker broeikasgas is dan CO2 mag dit niet zomaar in de lucht worden uitgestoten. De beste oplossing voor het verwijderen van de CH4 is het plaatsen van een fakkel aan de schouw om zo de CH4 resten te verbranden tot CO2. De H2S in het biogas wordt door de waterscrubber volledig verwijderd. Dit betekent dat er bij een waterscrubber geen voorzuivering nodig is.

4.2.3.8 Waswaterregeneratie De waswaterregeneratie gebeurt door het gezuiverde waswater terug te koppelen naar het begin van de reactor. De temperatuur tijdens het proces blijft vrijwel constant dus is er geen nood aan een temperatuurscorrectie. Als de regeneratie wordt ingevoerd zal er 45

5 m3/h waswater extra nodig zijn. Dit betekent dat het debiet in de waswaterkolom met regeneratie 20 m3/h is. 4.2.3.9 Gekozen parameters Na het opbouwen en het optimaliseren van het programma, worden alle parameters vastgelegd. De installaties waren ontworpen om een biomethaan zuiverheid van 92 % CH4 te verkrijgen. De keuze voor de parameters wordt uitgelegd in de resultaten van de sensitivity analyses (4.2.3.1 tot 4.2.3.8). Fysische parameters -

Waswater Temperatuur: 10°C Debiet zonder regeneratie: 15,5 m3/h Toegevoegd debiet met regeneratie (verliezen): 1 m3/dag Totaal circulatie debiet met regeneratie: 20,7 m3/h

-

Biogas Temperatuur: 37 °C Druk: 1 bar Debiet: 153 Nm3

-

Luchttoevoer Temperatuur: buitenlucht Debiet zonder regeneratie: 15 m3/h Debiet met regeneratie: 20 m3/h

Mechanische parameters -

Compressor Werkingsdruk: 8 bar

-

Koeler Koeling tot 50°C

-

Waskolom Aantal theoretische platen: 20 HETP: 0,44 Waskolom hoogte: 8,8 m Kolomdiameter: 0,7 m

-

Flashtank Operationele druk: 4 bar

-

Desorptiekolom Aantal theoretische platen: 6 HETP: 0,4 Desorptiekolom hoogte: 2 m 46

Kolomdiamter: 0,8 m

4.2.4 Aminescrubber 4.2.4.1 Processchema

Figuur 4-8: Processchema aminescrubber

De stromen in het processchema worden uitgelegd in 3.3.2.

4.2.4.2 Waswater

-

Wasdebiet 47

100,00% 98,00%

CH4 zuiverheid

96,00% 94,00% 92,00% 90,00% 88,00% 86,00% 84,00% 5,00

5,50

6,00 was debiet

6,50 (l/Nm3

7,00

7,50

biogas)

Figuur 4-9: Wasvloeistof debiet ifv de CH4 zuiverheid

Zoals bij de waterscrubber zal de zuiverheid toenemen als het was debiet toeneemt (Figuur 4-9: Wasvloeistof debiet ifv de CH4 zuiverheid). Het grote verschil tussen de twee is dat de aminescrubber een veel lager debiet nodig heeft om de gewenste zuiverheid te verkrijgen. Het waswaterdebiet zal genomen worden op 1,19 m3/h.

-

Temperatuur wasvloeistof

48

98,00% 97,00%

CH4 zuiverheid

96,00% 95,00% 94,00% 93,00% 92,00% 91,00% 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Temperatuur was in (°C)

Figuur 4-10: CH4 zuiverheid ifv temperatuur

Zoals in Figuur 4-1010 kan opgemerkt worden, zal de efficiëntie van de scrubber dalen als de temperatuur stijgt. Omdat er in een aminescrubber wordt gewerkt met opwarming voor de regeneratie van de vervuilde wasvloeistof waarbij de temperaturen oplopen tot ongeveer 160 °C, is een afkoeling tot een zeer lage temperatuur zeer kostelijk. Er wordt daarom gekozen om af te koelen tot 20 °C na de warmtewisselaar om geen al te grote verliezen te verkrijgen.

49

4.2.4.3 Waskolom 100,00%

CH4 zuiverheid

95,00%

90,00%

85,00%

80,00%

75,00% 5,00

5,50

6,00

6,50

was debiet

(l/Nm3

7,00

7,50

biogas)

Stages = 2

Stages = 3

Stages = 4

Stages = 5

Stages = 6

Stages = 8

Stages = 9

Stages = 10

Stages = 11

Stages = 12

Stages = 7

Figuur 4-11: CH4 zuiverheid ifv was debiet

Het effect van het aantal theoretische platen wordt duidelijk in Figuur 4-11. Hieruit kan worden afgeleid dat vanaf de 8ste theoretische plaat het rendement niet meer significant zal toenemen in functie van de kostprijs voor een hogere kolom. Aan de hand van de HETP van de kolom: 0,54, kan de hoogte van de werkelijke kolom berekend worden. Hieruit kan worden berekend dat de kolomhoogte = 4,3m. Dit is ongeveer de helft kleiner dan de waterscrubber, wat er op wijst dat de aminescrubber een veel compactere installatie is en bij plaatsgebrek een zeer interessante keuze wordt. De kolomdiameter is: 0,2 m.

50

4.2.4.4 Warmtewisselaar

90,00 80,00

Temperatuur (°C)

70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 0

2

4

6

8

oppervlakte Tkoud uit (°C)

10

12

(m2)

Twarm uit (°C)

Figuur 4-12: Uitgang temperatuur ifv het oppervlakte

Uit Figuur 4-12 kan besloten worden dat de warmteoverdracht niet meer significant toeneemt bij een oppervlakte groter dan 6m2. Hieruit kan duidelijk afgeleid worden dat er gewerkt moet worden met een dubble pipe exchanger (literatuur 2.3.2.3). De gegevens om de NTU te berekenen worden in AspenTech berekend. Voor een dubble pipe exchanger geldt de regel dat voor een economisch rendabel rendement te verkrijgen, de NTU lager moet zijn dan 3. Na berekening geeft dit dat de optimale oppervlakte = 3,5m2 , wat resulteert in een thermisch rendement van 81%.

51

4.2.4.5 Desorptiekolom 25

Desorptie kolom stages

20

15

10

5

0 91,50% 92,00% 92,50% 93,00% 93,50% 94,00% 94,50% 95,00% 95,50% 96,00% 96,50% waswater zuiverheid Ingangstage: 2

Ingangstage: 3

Ingangstage: 4

Ingangstage: 5

Ingangstage: 6

Ingangstage: 7

Ingangstage: 8

Ingangstage: 9

Ingangstage: 10

Ingangstage: 11

Figuur 4-13: # theoretische platen in de desorptiekolom ifv waswater zuiverheid

De desorptiekolom staat in om het vervuilde waswater aan de hand van verwarming te zuiveren voor hergebruik. Hoe zuiverder het waswater hoe efficiënter de reactor zal kunnen draaien. In Figuur 4-13 kunnen twee parameters worden afgeleid. De eerste parameter is de ingangsplaat waarop de wasvloeistof wordt ingebracht in de kolom. In het begin is er een duidelijk verschil in zuiverheid van de wasvloeistof als er op een andere ingangsplaat wordt gevoed. Het is duidelijk te zien waarom er wordt geopteerd om de vervuilde wasvloeistof hoog aan de kolom binnen te brengen (op een lage theoretische plaat). Er werd gekozen om de vervuilde wasvloeistof binnen te brengen op plaat 3. Om een zo hoog mogelijk rendement te verkrijgen kan de hoogte van de kolom ook worden aangepast. Naarmate het aantal platen toeneemt, zal het rendement toenemen tot 10 theoretische platen. Hierna is er zo goed als geen rendementswinst meer bij het toevoegen van een extra theoretische plaat. Aan de hand van de berekende HETP = 0,45 kan de kolomhoogte bepaald worden. De kolomhoogte van de desorptiekolom komt uit op 4,5m. Dit is ongeveer even hoog als de waskolom, wat gewenst is omdat dit betekent dat de opstelling nog steeds compact kan gebeuren. De kolomdiameter is: 0,3 m. 52

4.2.4.6 Afgassen De afgassen van de desorptiekolom bestaan uit water en CO2 er zal, zoals eerder vermeld, geen CH4 worden meegevoerd. Er zullen ook zo goed als geen amine verliezen plaatsvinden. Hierbij moet er wel worden verwezen naar de praktijk waar er over een langere tijdsperiode wel verliezen kunnen waargenomen worden. De H2S in het biogas wordt in Aspen volledig verwijderd door de scrubber en weer volledig vrijgesteld in de desorptiekolom. Dit zou er op wijzen dat er geen vergiftiging plaatsvindt van de amines door de H2S concentratie van 500 ppm. Dit moet verder onderzocht worden in praktijktesten omdat dit niet overeen komt met de literatuur. Er wordt vanuit gegaan dat er een voorzuivering nodig is in de aminescrubber om de H2S concentratie te verwijderen. 4.2.4.7 Aminescrubber Na het opbouwen en het optimaliseren van het programma worden alle parameters vastgelegd. De installaties waren ontworpen om een biomethaan zuiverheid van 92 % CH4 te verkrijgen. De keuze voor de parameters wordt uitgelegd in de resultaten van de sensitivity analyses (4.2.3.1 tot 4.2.3.8). Fysische parameters: -

Waswater Temperatuur: 20°C Debiet: 1,2 m3/h

-

Biogas Temperatuur: 37 °C Druk: 1 bar Debiet: 153 Nm3

Mechanische parameters: -

Waskolom Aantal theoretische platen: 8 HETP: 0,54 Waskolom hoogte: 4,3m Kolomdiameter: 0,2 m

-

Warmtewisselaar Techniek: dubble pipe exchanger Oppervlakte: 3,5m2 Overdrachtsrendement: 81%

-

Desorptiekolom Aantal theoretische platen: 10 HETP: 0,45 Desorptiekolom hoogte: 4,5m Ingangsstage: 3de theoretische plaat Thermische energie nodig: 140 kWh Kolomdiameter: 0,3 m

53

4.3 Validatie testen

Tabel 4-2: Resultaten validatie testen

Locatie

Biogas Debiet (Nm3/h)

Druk (bar)

Opgegeven wasdebiet (m3/h)

Berekend wasdebiet (m3/h)

Jönköping

300

10

25 - 40

33,5

Kristianstad

300

12

20 - 35

26,3

Linköping

1200

12

130

125,4

Trollhâttan

500

9

60

58,7

Eslöv

100

8

10 - 14

11,2

Zoals aangehaald in 3.4 worden validatie testen uitgevoerd voor het controleren van de correctheid van Aspen. In Tabel 4-2: Resultaten validatie testen worden de belangrijkste parameters weergegeven. De belangrijkste waarden zijn de laatste twee kolommen. In deze kolommen kunnen het gebruikte waswaterdebiet in de praktijk gevonden worden en het berekende waswaterdebiet in Aspen onder dezelfde condities. Als deze waarden worden vergeleken, kan er worden besloten dat de resultaten in Aspen goed overeen komen met de opgegeven waarden. Dit betekent dat de resultaten in de opgestelde simulaties kunnen worden vertrouwd als correcte waarden.

54

4.4 Economische analyse Zoals in elk industrieel proces is de kostprijs een maatstaaf voor het al dan niet uitvoeren van het project. Daarom is het belangrijk een economische analyse uit te voeren om de haalbaarheid van dit project in kaart te brengen. In de economische analyse wordt er vanuit gegaan dat de installatie 8000 uur per jaar draait. Prijsgegevens in de economische analyses worden gebaseerd op de prijsoffertes in bijlage 2 en bijlage 3.

4.4.1 Hoge druk waterscrubber

4.4.1.1 Vaste kosten De vaste kosten van de installatie worden geschat op € 1.200.000. Om deze kosten mee te rekenen in de uiteindelijke werkingskosten van de installatie, wordt er gewerkt met een afschrijving van de installatie over 20 jaar aan een rente van 5 %. Dit leidt tot een afschrijvingskost van 60.000 €/jaar en een rente van 60.000 €/jaar. De totale bijdrage van de vaste kosten op jaarbasis is hier dan 120.000 €/jaar.

4.4.1.2 Voorbehandeling Een voorbehandeling wordt bij een waterscrubber niet uitgevoerd omdat in deze installatie het mogelijk is alle restcomponenten te verwijderen.

4.4.1.3 Biogas energieconsumptie De biogas energieconsumptie staat in voor de algemene energie kost nodig voor het transporteren, drogen, pompen, … . Er wordt gerekend met 15 cent/kWh als energie prijs. Als de uiteindelijke kost wordt berekend aan de hand van de offerte in bijlage 3 zal dit neerkomen op een kost van 19.200 €/jaar.

4.4.1.4 Wasvloeistof verliezen Een waterscrubber zal een verlies hebben van ongeveer 1 m3/dag. Dit kan worden omgerekend als 333 m3/jaar (8000 werkingsuren). Voor de waterscrubber wordt er gebruik gemaakt van kraantjeswater omdat er voor een regeneratief proces een zuiver waswater nodig is om fouling te voorkomen. De kostprijs van kraantjeswater wordt genomen op 2,80 €/m3. Als dit wordt omgerekend geeft dit een totale kostprijs van 930 €/jaar.

4.4.1.5 Wasvloeistof pompsysteem Zoals in elke industriële installatie moet het waswater met behulp van pompen door het systeem worden geleid. Er wordt gebruik gemaakt van een centrifugaal pomp om het systeem aan te drijven. Voor het pompen van 20 m3/h is er 9kW nodig. Er wordt gerekend met 15 cent/kWh. Dit geeft dat de pompinstallatie kosten 10.800 €/jaar zijn. 55

4.4.1.6 Compressor De compressor is een meerkost in de waterscrubber omdat dit niet wordt toegepast in de aminescrubber. Voor het opdrijven van een gas tot 8 bar is er 3,6 kW/(m3/min) nodig. In de waterscrubber is er een debiet van 2,55 m3/min. Als dit wordt omgerekend per jaar, rekeninghoudend met een energiekost van 15 cent/kWh, geeft dit een kost van 11.000 €/jaar. Omdat een compressor in de praktijk nooit even goed werkt als in theorie, wordt de theoretische kost vermenigvuldigd met 1,2 om de verliezen te compenseren. Dit geeft een uiteindelijke kostprijs van 13.200 €/jaar.

4.4.1.7 Onderhoudskosten In de onderhoudskosten worden de arbeidskosten ingerekend. Uit bijlage 3 wordt gehaald dat de kost per m3 biogas 2,38 € is. Dit geeft een onderhoudskost van 30.400 €/jaar.

4.4.1.8 Totale kostprijs

Tabel 4-3: Kostprijs gemodelleerde hoge druk waterscrubber

Hogedruk waterscrubber

€/jaar

Afschrijving (20 jaar)

60.000

5% rente

60.000

Voorbehandeling

/

Biogas energieconsumptie

19.200

Was vloeistof verliezen

930

Was vl.pompsysteem

10.800

Compressor

13.200

Onderhoudskosten

30.400

Totaal

194.530

Kostprijs €/kWh

0,0224

De kostprijs in €/kWh wordt berekend door het geproduceerde debiet aan biomethaan: 99,5 m3/h met 92% CH4 concentratie of 864934 m3/jaar met 100% CH4 concentratie te vergelijken met de totale kostprijs. Als geweten is dat 1 m³ biogas 10 kWh energie bevat, geeft dit 0,0224 €/kWh.

56

4.4.2 Aminescrubber

4.4.2.1 Vaste kosten De vaste kosten van de installatie worden ook geschat op € 1.200.000. Net zoals bij de waterscrubber wordt er gewerkt met een afschrijving van de installatie over 20 jaar aan een rente van 5 %. Dit leidt tot een afschrijvingskost van 60.000 €/jaar en een rente van 60.000 €/jaar. De totale bijdrage van de vaste kosten op jaarbasis is hier dan 120.000 €/jaar.

4.4.2.2 Voorbehandeling Bij een aminescrubber is er een voorbehandeling nodig voor het verwijderen van spore elementen met de nadruk op H2S. Deze voorzuivering zal neerkomen op ongeveer 2.000 €/jaar voor een debiet van 169 m3 biogas.

4.4.2.3 Biogas energieconsumptie De biogas energieconsumptie staat in voor de algemene energie kost nodig voor het transporteren, drogen, pompen, … . Er wordt gerekend met 15 cent/kWh als energie prijs. Als de uiteindelijke kost wordt berekend aan de hand van de offerte in bijlage 3 zal dit neerkomen op een kost van 19.200 €/jaar.

4.4.2.4 Wasvloeistof verliezen Een aminescrubber zal veel lagere verliezen ondervinden dan een waterscrubber. Hier moet wel in rekening worden gebracht dat er op jaarbasis toch een niet te verwaarlozen hoeveelheid amines moeten worden bij gedoseerd. Dit komt door de kleine verliezen die plaatsvinden bij de regeneratie en door vervuiling van spore elementen. Voor een aminescrubber met een biogas debiet van 169 m³ biogas zullen de amine verliezen rond 50 kg/jaar liggen. Als er wordt gerekend met een kostprijs van 17,5 €/kg voor de amines, kan er worden besloten dat de totale kost voor wasvloeistof verliezen 900 €/jaar zal zijn. Hieruit kan worden besloten dat, hoewel de verliezen bij een aminescrubber lager liggen, de kostprijs van wasvloeistof verliezen voor beide scrubbers overeen komt, dit omdat amines veel meer kosten dan water.

4.4.2.5 Wasvloeistof pompsysteem De berekening gebeurt op dezelfde manier als bij de waterscrubber. Omdat het door te pompen debiet veel lager ligt dan in de waterscrubber zal de kostprijs hiervoor veel lager liggen, namelijk 600 €/jaar.

57

4.4.2.6 Regeneratie De regeneratie van de wasvloeistof is de grootste kost van de aminescrubber. Omwille van deze factor wordt meestal gekozen voor het gebruik van een waterscrubber in plaats van een aminescrubber. Voor de regeneratie is er 140 kWh warmte nodig. Er wordt gerekend met een kostprijs van 4,5 cent/kWh warmte. Als dit wordt omgerekend op jaarbasis, geeft dit een kostprijs van 50.400 €/jaar. Dit is een zeer hoog bedrag dat voor een grote meerkost zorgt. Een oplossing voor dit probleem is het gebruiken van de geproduceerde warmte in de WKK. Zoals eerder aangehaald zal er 30,8 m³/h biogas naar de WKK gestuurd worden voor het produceren van de energie die nodig is in het systeem. De reden waarom dit onderwerp in deze thesis werd onderzocht is omdat bij het verbranden van biogas in de WKK de vrijgekomen thermische energie niet optimaal benut wordt. Omdat er in de WKK een warmte overschot is en in de aminescrubber een opwarming vereist is, is het logisch dat er wordt bekeken of deze warmte bij de aminescrubber niet nuttig kan gebruikt worden. Een WKK zal afgas temperaturen hebben van ongeveer 150-180 °C. Dit is positief omdat er in de aminescrubber een maximale opwarming nodig is tot 160°C. Hieruit kan besloten worden dat aan de hand van een warmtewisselaar er al een deel van deze opwarming kan worden verkregen. In het biogas (60% CH4) zit er 180 kW energie. Een WKK zal een thermisch rendement geven van 45 %. Dit betekent dat er 80,1 kW thermische energie wordt geproduceerd. Dit is minder dan de energie nodig voor het opwarmen van de desorptie kolom, wat betekent dat er sowieso extra warmte zal moeten toegevoegd worden. Als er wordt gerekend met een warmtewisselaar met een overdracht rendement van 70 % (laag genomen zodat de kosten die worden teruggewonnen zeker niet worden overschat) betekent dit dat er 56,7 kW kan worden teruggewonnen uit de thermische energie geproduceerd in de WKK. Dit vertaalt zich in een besparing van 20.400 €/jaar. Hierdoor komen de uiteindelijke kosten neer op 30.200 €/jaar.

4.4.2.7 Onderhoudskosten In de onderhoudskosten worden de arbeidskosten ingerekend. Uit bijlage 3 wordt gehaald dat de kost per m3 biogas 2,38 € is. Dit geeft een onderhoudskost van 30.400 €/jaar.

58

4.4.2.8 Totale kostprijs

Tabel 4-4: Kostprijs gemodelleerde aminescrubber

Aminescrubber

€/jaar

Afschrijving (20 jaar)

60000

5% rente

60000

Voorbehandeling

2000

Biogas energieconsumptie

19200

Was vloeistof verliezen

900

Was vl. pompsysteem

600

Regeneratie

50400

WKK regeneratie

-20400

Onderhoudskosten

37000

Totaal

203100

Kostprijs €/kWh

0,0228

Op het eerste zicht is de totale kostprijs per jaar hoger dan die van de waterscrubber. De reden waarom de kostprijs per kWh toch zeer dicht bij elkaar liggen, is omdat er in de aminescrubber geen CH4 verliezen plaats vinden waardoor er meer biomethaan geproduceerd wordt. De totale productie aan biomethaan is 102 m3/h met een 92 % CH4 zuiverheid of omgerekend 889524 m3/jaar met een zuiverheid van 100 % CH4. Dit geeft een kostprijs van 0,0228 €/kWh.

4.4.2.9 Vergelijking met fossiele brandstoffen

Tabel 4-5: Kostpijs per kWh voor gebruikte brandstoffen (Sibelga, 2009)

Brandstof Aardgas Stookolie Porpaan Butaan Benzine Diezel LPG Elektriciteit

Kostprijs (€/kWh) 0,070 0,055 0,088 0,073 0,121 0,140 0,093 0,150 59

Als de prijzen met elkaar worden vergeleken kan besloten worden dat zowel voor huishoudelijke brandstoffen als voor vervoersbrandstoffen de productiekost lager ligt dan de verkoopprijs. Hoewel dit een positief beeld geeft voor de opwerkingsinstallaties moet er met een aantal bemerkingen rekening gehouden worden. Een eerste bemerking is dat er voor de kostprijs van de biomethaanproductie enkel wordt gekeken naar de werkingskosten van de opwerkingsinstallatie. De kosten van de biogas vergistingsinstallatie, opslag, distributiekosten, … worden hier niet in meegerekend. Het is belangrijk dit in beraad te houden wanneer deze resultaten worden vergeleken. Een tweede bemerking heeft betrekking op het gebruik van het geproduceerde biomethaan als vervoersbrandstof. De kostprijs van de andere brandstoffen ligt veel hoger en het kan dus interessant zijn om het geproduceerde biomethaan als vervoersbrandstof te gebruiken. Er zal hierbij wel nog een extra kost moeten gerekend worden voor de distributie. Hiervoor moet het biomethaan namelijk onder hoge druk worden gebracht en zal er een tankstation moeten voorzien worden. Bovendien is momenteel het aantal auto‘s in België die rijden op LPG‘s zeer beperkt, waardoor deze toepassing enkel mogelijk is als er een contract met een vaste afnemer wordt afgesloten. De injectie in het aardgasnetwerk heeft lagere distributiekosten (enkel aansluiting op het aardgasnetwerk nodig), maar zal ook een lagere afzet prijs hebben. Daarom blijft het interessant om de optie te onderzoeken om biomethaan als alternatief voor de fossiele vervoersbrandstoffen te gebruiken. Dit vooral omwille van de alsmaar stijgende prijzen van de klassieke vervoersbrandstoffen, De reden waarom elektriciteit in deze vergelijking ook wordt opgenomen is omdat de elektrische wagens meer en meer opkomen als alternatief voor de fossiele vervoersbrandstoffen. Zoals kan opgemerkt worden is de prijs van het biomethaan lager dan de prijs van elektriciteit, hoewel er weer in rekening moet gebracht worden dat elektriciteit via een stopcontact kan overgebracht worden en er voor biomethaan nog steeds een tankstation nodig is.

60

5. Conclusie 5.1 Vergelijking van de twee technieken Tabel 5-1: Vergelijking van de twee gemodelleerde technieken

Hogedrukwaterscrubber

Aminescrubber

- Fysische scrubber

- Chemische scrubber

- Werkt op hoge druk

- Werkt op atm druk

- Lage energiekosten

- Hoge energiekosten

- Grote opstelling

- Kleine opstelling

- CH4 verliezen

- Verwaarloosbare CH4 verliezen

- Biomethaan productie (92 %): 99,5 m3/h

- Biomethaan productie (92 %): 102,3 m3/h

- Prijs per kWh: € 0,0224

- Prijs per kWh: € 0,0228

Uit deze vergelijking kan besloten worden dat de kostprijs van beide technieken zeer goed overeenkomen, als er gebruik wordt gemaakt van warmteregeneratie van de WKK. Hierdoor wordt de aminescrubber een zeer interessante techniek om toe te passen. Niet alleen is de aminescrubber compact maar er zijn ook geen CH4 verliezen waardoor er geen nabehandeling van de afgassen nodig is. De productiekosten voor de opwerking liggen onder de verkoopprijs van de huidige brandstoffen. Zoals aangehaald wordt hier echter enkel rekening gehouden met de opwerkingsinstallatie. Uit de resultaten van het onderzoek kan besloten worden dat werken met een aminescrubber in combinatie met een WKK de interessantste techniek is.

61

6. Bijlagen -

Bijlage 1

62

-

Bijlage 2

63

-

Bijlage 3

64

Bronnen Vervaeren, H. et al (29 september 2008) ‗Biomethaan, opwerking van biogas tot aardgaskwaliteit‘. Vakgroep Milieukunde: HOWEST - departement PIH. Westra E. (januari 2008) ‗De biogassector in kaart: kansen en bedreigingen voor Hedimix als co-product leverancier‘. Business Economics (BEC). Tippayawong N. (13 October 2009 ) ‗Biogas quality upgrade by simultaneous removal of CO2 and H2S in a packed column reactor‘. Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Chiang Mai University. Esteves I. et al (17 September 2007) ‗Adsorption of natural gas and biogas components on activated carbon‘. Requimte/CQFB, Departamento de Química, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa. Coops O., Van Zundert E.H.M. (31 januari 2003) ‗Benutting biogas Waterschap Vallei & Eem Haalbaarheidsonderzoek opwerking van biogas naar aardgaskwaliteit op de zuiveringsinstallaties Amersfoort, Soest en Veenendaal‘. Grontmij Water & Reststoffen bv. Favre E. (20 February 2009) ‗Biogas, membranes and carbon dioxide capture‘. Laboratoire des Sciences du Génie Chimique, Nancy-Université. Reijenga, J.C. et al (3 juli 2008) ‗Comparing different biogas upgrading techniques‘. Delft: Technische universiteit Eindhoven. Electrigaz Technologies Inc (juni 2008) ‗Feasibility Study – Biogas upgrading and grid injection in the Fraser Valley, British Columbia‘. Electrigaz Technologies Inc. Johansson, N. (december 2008) ‗Production of liquid biogas, LBG, with cryogenic and conventional upgrading technology‘. Lunds universiteit: Department of Technology and Society Environmental and Energy Systems Studies. E. Ryckebosch et al (mei 2011) ‗Techniques for transformation of biogas to biomethane‘. Katholieke Universiteit Leuven, Science, Engineering and Technology Campus Kortrijk, Research Group Food and Lipids. Niamh M. Power et al (oktober 2009) ‗Which is the preferable transport fuel on a greenhouse gas basis; biomethane or ethanol?‘. Department of Civil, Structural and Environmental Engineering, Cork Institute of Technology, Cork, Ireland. Max Åhman (Oktober 2009) ‗Biomethane in the transport sector—An appraisal of the forgotten option‘. Environmental and Energy Systems Studies, Lund University, Box 118, 221 00 Lund, Sweden. Tim Patterson (februari 2011) ‗An evaluation of the policy and techno-economic factors affecting the potential for biogas upgrading for transport fuel use in the UK‘. Wales Centre of Excellence for Anaerobic Digestion, UK.

65

Martina Pöschl (juni 2010) ‗Evaluation of energy efficiency of various biogas production and utilization pathways‘. Charles Parsons Energy Research Programme, Bioresources Research Centre, School of Agriculture, Food Science and Veterinary Medicine, University College Dublin, Belfield, Dublin 4, Ireland. Liyuan Deng et al (januari 2010) 'Techno-economic evaluation of biogas upgrading process using CO2 facilitated transport membrane‘. Department of Chemical Engineering, Faculty of Natural Sciences and Technology, Norwegian University of Science and Technology (NTNU), Sem Saelandsvei 4, NO-7491 Trondheim, Norway. Colin Jury et al (oktober 2009) 'Life Cycle Assessment of biogas production by monofermentation of energy crops and injection into the natural gas grid‘. Henri Tudor/CRTE, 66 rue de Luxembourg, L-4002 Esch/Alzette, Luxembourg. Poonam Singh Nigam et al (mei 2010) ‗Production of liquid biofuels from renewable resources‘. Faculty of Life and Health Sciences, University of Ulster, Coleraine BT52 1SA, Northern Ireland, United Kingdom. Sosuke Nishimura (juli 1998) ‗Removal of hydrogen sulfide from an anaerobic biogas using a bio-scrubber‘. Kurita Water Industries Ltd, 7-1 Wakamiya, Morinosato, Atsugi, 243-01, Japan. A.B. Baspinar et al (januari 2011). ‗Biogas desulphurization at technical scale by lithotrophic denitrification: Integration of sulphide and nitrogen removal‘. Faculty of Civil Engineering, Department of Environmental Engineering, Istanbul Technical, University, Maslak, Istanbul, Turkey F. Osorio et al (maart 2009) ‗Biogas purification from anaerobic digestion in a wastewater treatment plant for biofuel production‘. MITA Research Group, Department of Civil Engineering, University of Granada, Campus de Fuentenueva s/n, 18071 Granada, Spain S.S. Kapdi et al (november 2004) biogas ‗scrubbing, compression and storage: perspective and prospectus in Indian context‘. Centre for Rural Development and Technology, Indian Institute of Technology, New Delhi 110 016, India N. Tippayawong et al (mei 2010). ‗Biogas quality upgrade by simultaneous removal of CO2 and H2S in a packed column reactor‘. Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Chiang Mai University, Chiang Mai 50200, Thailand Minsung Kim et al (juni 2009) 'Experimental study on corrugated cross-flow air-cooled plate heat exchangers‘. Solar Thermal and Geothermal Research Center, Korea Institute of Energy Research, Daejeon 305-343, Republic of Korea

66

Geraadpleegde websites http://www.biogas-e.be/?n=Main-Procestechniek/Eindproducten http://www.groengasboek.nl/index.php?option=com_content&task=view&id=13&Itemid=22 http://www.biogas-e.be/php/default.php?pag=proces%20en%20techniek eindproducten.xml http://www.natuurkunde.nl/artikelen/view.do?supportId=836531 http://www.biomethaan.be/ http://www.vmw.be/ http://www.aspas.nl/ http://www.persluchtadvies.nl/ http://www.ushomes.be/nl/index2.php?option=com_content&do_pdf=1&id=42 http://members.multimania.nl/koibibliotheek/stroming/pomptechniek.pdf http://www.golantec.be/kostprijs%20diverse%20vormen%20van%20energie.htm http://www.biomassenergycentre.org.uk/portal/page?_pageid=75,59188&_dad=portal

67