Masterproef Zuivering van biogas: H 2 S verwijdering

Masterproef Zuivering van biogas: H2S verwijdering

Studiegebied Industriële Wetenschappen en Technologie Opleiding Master in de industriële wetenschappen Milieukunde Academiejaar 2007-2008

Joachim Haezebrouck

Voorwoord Het afgelopen masterjaar was heel interessant, leerrijk en plezant, hoewel dit soms overschaduwd werd door een veel te druk lessenschema. Toch ben ik tevreden over het afgelopen jaar. Deze masterproef is een overbrugging naar de volgende stap in het leven: een job in de bedrijfswereld. Ik hoop met dezelfde moed te beginnen zoals ik begonnen ben met mijn carrière aan de Hogeschool West-Vlaanderen. De afgelopen 4 jaar aan de HOWEST heb ik veel bijgeleerd, heb ik veel nieuwe vrienden gemaakt en toffe collega’s ontmoet waarmee ik samen hoogtes en laagtes heb beleefd. Bij deze gelegenheid zou ik ook graag Eline Ryckebosch willen bedanken voor de vele hulp bij de opzoekingen van de literatuurstudie en de praktische hulp tijdens de masterproef. Graag zou ik ook Yvan Hamerlinck afgevaardigd bestuurder van IPEC (Industrial Process Equipment & Chemicals nv Graaf Lodewijkplein 5.02 3840 Borgloon) willen bedanken voor het ter beschikking stellen van de pilootopstelling. Ik wil ook Johan Del’haye bedanken voor de kans die ik gekregen heb om in IVVO (Bargiestraat 6 8900 Ieper) mijn masterproef te volbrengen en voor de kans die ik gekregen heb om de theorie in praktijk te zien en te proeven van het echte bedrijfsleven. Verder wil ik ook mijn collega’s en vrienden bedanken voor het toffe afgelopen jaar. Ik wil ook mijn ouders bedanken voor de kans die ik gekregen heb om te kunnen studeren en voor het feit dat ze mij wat ontzien hebben van de dagelijkse huishoudelijke karweitjes het afgelopen jaar.

II

Inhoudstafel 1 Inleiding

1

2 Situering

2

2.1 Situering bedrijf

2

2.2 Situering onderwerp

3

2.3 Doelstellingen

3

3 Proces IVVO

4

3.1 Inleiding

4

3.2 Ontvangst, mechanische behandeling en conditionering

4

3.3 Anaerobe vergisting

5

3.4 Ontwatering

6

3.5 Compostering, narijping en opslag

7

3.6 Biogas en energiegebruik

7

3.7 Waterbehandeling en geurbeperking

8

4 Vorming van biogas

9

4.1 Inleiding

9

4.2 Materiaal

9

4.3 Vergistingsproces

10

4.3.1 Hydrolyse

10

4.3.2 Fermentatie

11

4.3.3 Acetogenese

11

4.3.4 Methanogenese

11

4.3.5 Symbiose tussen de verschillende fasen

12

5 Biogas

13

5.1 Eigenschappen

13

5.2 Gebruik

13

6 Opzuiveringstechnieken 6.1 H2S verwijdering

15 15

6.1.1 Inleiding

15

6.1.2 Biologische ontzwaveling

15

6.1.3 IJzerchloride oplossing toevoegen aan het digestaat

16

6.1.4 IJzerkrullen of ijzeroxide pellets

16

III

6.1.5 Geïmpregneerd actiefkool

17

6.1.6 Scrubber

17

6.1.6.1 Algemeen

17

6.1.6.2 Waterscrubber

19

6.1.6.3 Alkalische wasser

20

6.2 CO2 verwijdering

21

6.2.1 Inleiding

21

6.2.2 Waterabsorptie

21

6.2.3 Polyethyleenglycolabsorptie

22

6.2.4 Moleculaire zeef

22

6.2.5 Membraanscheiding

23

6.3 Verwijderen van condenswater

23

7 Actieve kool en proces van adsorptie

24

7.1 Eigenschappen actieve kool

24

7.1.1 Partikelgrootte

24

7.1.2 Joodgetal

24

7.1.3 Densiteit

25

7.1.4 Watergehalte

25

7.1.5 Asgehalte

25

7.2 Structuur

25

7.3 Vormen

26

7.4 Productie

26

7.5 Regeneratie

27

7.5.1 Stoomregeneratie

27

7.5.2 Chemische regeneratie

27

7.5.3 Thermische regeneratie

27

7.5.4 Biologische regeneratie

28

7.6 Werkingsmechanisme van actieve kool 8 Gebruikte materialen en methoden 8.1 Pilootopstelling

29 29

8.1.1 Opbouw

8.2 Actieve kool

28

29

8.1.1.1 Debietmeter

29

81.1.2 Kolom

30

30

IV

8.3 Methoden

31

8.3.1 Staalname

31

8.3.2 Meten van parameters

32

8.3.2.1 Gasmeter

32

8.3.2.2 Drägerbuisjes

33

8.3.3 pH Meter

34

8.3.4 Regeneratie

34

9 Resultaten

35

9.1 Werkingsparameters

35

9.1.1 Werkingsdebiet

35

9.1.2 Bedvolume

35

9.1.3 Contacttijd

35

9.1.4 Werkdruk

36

9.2 Resultaten proefreeks 1

36

9.2.1 Inkomende H2S concentratie

36

9.2.2 Werkingsuren

37

9.2.3 Verloop van de H2S concentratie in de tijd

37

9.2.3.1 Ingang

37

9.2.3.2 Kraan 1

38

9.2.3.3 Kraan 2

38

9.2.3.4 Kraan 3

39

9.2.3.5 Kraan 4

39

9.2.3.6 Uitgang

40

9.2.3.7 Besluit

41

9.2.4 H2S concentratie in functie van de hoogte van de kolom

41

9.2.5 Massabalans

42

9.3 Regeneratie

43

9.4 Resultaten proefreeks 2

44

9.4.1 Inkomende H2S concentratie

44

9.4.2 Werkingsuren

44

9.4.3 Verloop van de H2S concentratie in de tijd

45

9.4.3.1 Kraan 1

45

9.4.3.2 Kraan 2

45

9.4.3.3 Kraan 3

46

V

9.4.3.4 Kraan 4

47

9.4.3.5 Uitgang

47

9.4.4 H2S concentratie in functie van de hoogte van de kolom

48

9.5 Problemen bij uitvoeren proef

49

9.6 Voorstel IVVO

49

10. Besluit

50

VI

Gebruikte symbolen en afkortingen GC/MS

gaschromatograaf/massaspectrometer

PSA

pressure swing adsorption

WKK

warmtekrachtkoppeling

%

procent

β

beta

°C

graden Celcius

K

Kelvin (°C + 273,15)

atm

atmosfeer (1atm = 1013,25hPa)

bar

drukeenheid (105 Pa)

MJ

megajoule (106J)

ppm

parts per million

VII

Lijst van figuren en tabellen Hoofdstuk 1 Hoofdstuk 2 Hoofdstuk 3 Fig. 3.1: trommelzeef

4

Fig. 3.2: vergister

6

Fig. 3.3: ontwateringseenheid

6

Fig. 3.4: composttunnel

7

Fig. 3.5: narijping

7

Hoofdstuk 4 Fig. 4.1: biogasopbrengst in functie van de inputstromen

9

Hoofdstuk Tabel 5.1: vergelijking eigenschappen tussen biogas en aardgas

13

Tabel 5.2: opgelegde kwaliteitsstandaarden voor biogas

14

Hoofdstuk 6 Fig. 6.1: schematische voorstelling van 2 types scrubber

19

Fig. 6.2: schematische voorstelling alkalische wasser

20

Hoofdstuk 7 Hoofdstuk 8 Fig. 8.1: schematische voorstelling pilootopstelling

29

Fig. 8.3: kolom

30

Tabel 8.1: eigenschappen actieve kool

31

Fig. 8.4 staalname

31

Fig. 8.5: gasmeter

32

Tabel 8.2: nauwkeurigheid en range van de GA 2000

33

Tabel 8.3: eigenschappen gebruikte drägerbuisje

34

Hoofdstuk 9 Tabel 9.1: H2S concentratie aan ingang kolom

36

Tabel 9.2: werkingsuren

37

Fig. 9.1: ingang H2S concentratie ifv de tijd

37

Fig. 9.2: kraan 1 H2S concentratie ifv de tijd

38

Fig. 9.3: kraan 2 H2S concentratie ifv de tijd

38

Fig. 9.4: kraan 3 H2S concentratie ifv de tijd

39

VIII

Fig. 9.5: kraan 4 H2S concentratie ifv de tijd

39

Fig. 9.6: uitgang H2S concentratie ifv de tijd

40

Fig. 9.7: H2S concentratie ifv de tijd

41

Fig. 9.8: concentratie H2S ifv de hoogte van de kolom

41

Fig. 9.9 verschillende concentratiefronten

42

Fig. 9.10: pH verloop tijdens regeneratie

43

Tabel 9.3: werkingsuren

44

Fig. 9.11: kraan 1 H2S concentratie ifv de tijd

45

Fig. 9.12: kraan 2 H2S concentratie ifv de tijd

45

Fig. 9.13: kraan 3 H2S concentratie ifv de tijd

46

Fig. 9.14: kraan 4 H2S concentratie ifv de tijd

47

Fig. 9.15: uitgang H2S concentratie ifv de tijd

47

Fig. 9.16: H2S concentratie ifv tijd

48

Fig. 9.17: concentratie H2S ifv de hoogte van de kolom

48

IX

1 Inleiding Sinds

enkele

jaren

wordt

biogas

geproduceerd

en

gebruikt

in

WKK’s

en

verwarmingsketels, maar lange tijd voldeed het niet aan de standaarden voor het gebruik in voertuigen of injectie in het aardgasnet. Om het biogas op te werken tot de kwaliteit van aardgas heeft men zuiveringstechnieken nodig. Verschillende technieken werden ontwikkeld voor de verwijdering van waterdamp, koolstofdioxide, waterstofsulfide en andere verontreinigingen uit het biogas. De bedoeling van deze masterproef is allereerst inzicht te verwerven over de zuiveringstechnieken voor biogas. Om te weten welke componenten er moeten verwijderd worden, dient men ook te weten hoe het biogas wordt gevormd en wat de eigenschappen ervan zijn. Ook dit wordt kort toegelicht. Om de rendementen

van

de

zuiveringstechnieken

te

kunnen

bepalen,

heeft

men

analysetechnieken nodig. De technieken die gebruikt zullen worden in de masterproef, zijn kort toegelicht. Tijdens de masterproef zal er dieper ingegaan worden op één zuiveringstechniek, namelijk actieve kooladsorptie voor H2S-verwijdering. Er zal nagegaan worden wat het zuiveringsrendement van deze techniek is en waar mogelijke problemen zich kunnen voordoen. Tijdens de stageperiode werd er niet alleen gewerkt aan de masterproef. De stage ging door in IVVO Ieper waar de kans gegeven werd om ook mee te werken in het bedrijf. Het labowerk bevat vooral opvolgen van het anaerobe vergistingsproces. Een tweede opdracht was om de evaporator te evalueren. De resultaten en bevindingen van deze twee opdrachten worden gegeven achteraan in het addendum aangezien omdat dit losstaat van de masterproef zelf.

1

2 Situering 2.1 Situering bedrijf Het bedrijf IPEC werd opgericht in 1998 door vakmensen met meer dan 20 jaar ervaring op het gebied van lucht- en waterzuivering, industriële filtratie, systeemontwerp,… IPEC biedt een reeks van afvalwater en geurcontrolesystemen aan, van eenvoudige tot grote volledig geautomatiseerde computergestuurde systemen. Het doel van IPEC is om samen te werken met de klant als partner om uit te zoeken wat de beste kosteneffectieve, op maat gemaakte oplossingen zijn die voldoen aan de wensen van de klant. IPEC heeft de mogelijkheid om een full-service op maat gemaakte oplossing aan te bieden, van initieel design, analyses en planning van de opbouw, tot opleiding van het gebruik van de installatie. IPEC gebruikt opkomende en innovatieve technieken in de systemen zodat de efficiëntie gemaximaliseerd wordt bij lage werkingskosten.

IVVO (Intercommunale Vereniging voor vuilverwerking van Veurne en Ommeland) bestaande uit een twaalftal gemeenten als ook uit private investeerders, vormden een aparte afdeling om de vergistinginstallatie in Ieper te bouwen en beheren. In de herfst van 1999 werden verschillende bedrijven in Europa gecontacteerd om een voorstel in te dienen voor een sleutel op de deur anaerobe vergisting en composteringsinstallatie met inbegrip van energierecuperatie door middel van een WKK. Studies over de afvalproductie in de IVVO-regio toonden aan dat de installatie flexibel genoeg diende te zijn om de fluctuerende afvalstromen te kunnen verwerken. Na het evalueren van de verschillende voorstellen, werd het voorstel voor een natte anaerobe vergisting van het Duitse bedrijf Müell und Abfalltechnik GmbH geselecteerd. De constructie van de installatie begon in 2001 en na enkele onvoorziene vertragingen kon het eerste afval ontvangen worden in 2003. Sinds de ontvangst van het eerste afval in juli 2003 heeft de faciliteit operationele flexibiliteit

bewezen

in

het

behandelen

van

verschillende

voedingen.

Deze

afvalverwerkingsinstallatie is de vierde organische recyclagefaciliteit in Ieper. De andere drie zijn: een paddestoelcomposteringsinstallatie, een groenafvalversnipperaar met open compostering en een kippenmestcompostering. De paddestoelcomposteringsinstallatie is onlangs vervangen door verwerking van groenafval en waterzuiveringsslib. De vergistingsinstallatie van IVVO in Ieper is met zijn capaciteit van 55116 ton per jaar de grootste in Vlaanderen.

2

2.2 Situering onderwerp De gedeeltelijke zuivering van biogas wordt verwezenlijkt door middel van een ‘IPEC

piloot biogasfilter’ waarbij H2S zal verwijderd worden zonder chemicaliën maar met behulp van actieve kool. Als H2S verwijderd wordt, zal de motor minder vlug aangetast worden. Dit systeem zal in de komende jaren op de markt verschijnen. IPEC heeft een pilootfilter met toebehoren en stelt deze volledig ter beschikking voor de masterproef. IPEC zou ook een inwijding geven in de technologie, bezoeken regelen aan gelijkaardige en andere technologieën en bijstand verlenen bij het eindwerk, maar door het drukke schema kon dit niet verwezenlijkt worden. Met

de

slinkende

olievoorraden

en

strengere

milieueisen

worden

alternatieve

energievoorzieningen populair. Een voorbeeld hiervan is biogas. Het biogas heeft echter één

nadeel

ten

opzichte

van

aardgas:

de

kwaliteit.

Door

het

gebruik

van

zuiveringsmethoden kan het biogas opgewerkt worden tot de kwaliteit van aardgas. Bovendien is biogas een hernieuwbare energiebron.

2.3 Doelstellingen De bedoeling van de masterproef is het testen van de IPEC biogasfilter -techniek met behulp van een pilootinstallatie. Het rendement van de filter voor het verwijderen van H2S-verontreinigingen in het biogas dient bepaald te worden. Deze techniek zou bijvoorbeeld gebruikt kunnen worden om het biogas dat de WKK’s ingestuurd wordt in IVVO vrij te maken van H2S en op die manier ervoor te zorgen dat de WKK’s minder aangetast worden.

3

3 Proces IVVO [1] 3.1 Inleiding De installatie verwerkt jaarlijks zo een 55116 ton afval of ongeveer 220 ton per dag. Er wordt genoeg elektriciteit en warmte geproduceerd om te voldoen aan de eigen noden. Een deel van de totale productie van elektriciteit wordt op het net gestoken. Dit is genoeg om 2000 gezinnen van stroom te voorzien. Hierbij houdt de positieve impact op het milieu niet op. De installatie produceert ook 18740 ton hoge kwaliteit compost per jaar. De kwaliteit wordt voortdurend gecontroleerd door VLACO, een organisatie die composteren promoot. Het afvalverwerkingsproces kan in 8 stappen beschreven worden: 1) ontvangst van afval, 2) mechanische behandeling en conditionering, 3) anaerobe vergisting, 4) ontwateren, 5) compostering, narijping en opslag, 6) biogas en energiegebruik, 7) afvalwaterbehandeling en 8) uitlaatgasbehandeling en geurbeperking. In de bijlagen b-I en b-II kan het schema van de installatie teruggevonden worden.

3.2 Ontvangst, mechanische behandeling en conditionering GFT en bio-organisch bedrijfsafval wordt opgehaald met vrachtwagens van particulieren en bedrijven en wordt geleverd aan IVVO. Hier wordt het afval gedumpt in de ontvangsthal. De ontvangsthal is uitgerust met een snelsluitende poort om geurhinder tegen te gaan. Een wiellader schept het geleverd afval op en voedt een bunker en doseereenheid. Deze machine wordt niet enkel gebruikt om de trommelzeef te voeden, maar is ook uitgerust met

een

set

van

draaiende

messen

die

aangeleverde afvalzakken openscheurt. Wanneer het verzamelde materiaal groenafval bevat met een grote hoeveelheid houtsnippers, wat niet gewenst is voor anaerobe vergisting, functioneert Fig. 3.1: trommelzeef de trommelzeef als een cruciaal element in het proces. De trommelzeef heeft een maasgrootte van 15 cm en scheidt het inkomende afval in 2 stromen: de zeefoverflow met stukken groter dan 15 cm en de zeefunderflow met materiaal kleiner dan 15 cm.

___________________ [1] Biocycle, 2004

4

De zeefoverflow (gemiddeld 10 % van de totale input) wordt direct gezonden naar het composteringsgedeelte. Het overschot, de zeefunderflow, met een hoog organische gehalte wordt afgeleid naar de het anaerobe fermentatieproces. De zeefunderflow valt op een kettingschraper die onder de trommelzeef en de doseereenheid is geplaatst. Hiermee wordt het materiaal evenredig verdeeld in een diepe bunker. Een hydraulisch aangedreven transportvloer op de bodem van de bunker en een serie van archimedesschroeven transporteren het materiaal in 2 hydropulpers. De hydropulpers zijn ontworpen om te werken in afwisselende batch. Zij hebben elk een inhoud van 32 m³. Hier wordt het materiaal vermengd met gerecirculeerd proceswater tot een droge stofgehalte tussen 8 en 10 %. Het batchproces neemt ongeveer 60 tot 75 minuten in beslag en bestaat uit volgende handelingen: voeden van de hydropulper met organisch afval, oplossen en afbreken van het organisch afval, afpompen van de organisch afvalsuspensie, voeden van de pulper met voorbehandeld proceswater, afharken van lichte contaminanten en verwijderen van zware verontreinigingen. Om precies te zijn, worden drijvende materialen zoals hout, plastic en textiel (lichte fractie) afgeschraapt uit de afvalpulp en ontwaterd in een pers. Glas, metaal, stenen en andere zware verontreinigingen worden verwijderd door middel van zware fractie trap. Door dit effectieve en volledig geautomatiseerd proces hoeft er op voorhand niet handmatig verontreinigingen verwijderd te worden. De bodem van de pulper is uitgerust met een zeef, zodat de organische fractie die uitgepompt wordt enkel verontreinigingen met een grote kleiner dan 10 mm bevat. Om de installatie te beschermen verder in het proces en om de compostkwaliteit te verbeteren, worden de kleinere deeltjes ook uit de pulp gehaald. De suspensie wordt geleid

naar

een

hydrodynamisch

zandverwijderingssysteem

bestaande

uit

een

voedingstank, twee hydrocyclonen en een buffertank. Door zijn ontwerp gaat er zo weinig mogelijk van het organisch materiaal verloren. De ontwaterde lichte fractie wordt verder gestabiliseerd en ontwaterd in 2 volledig afgesloten boxen. Na 30 dagen wordt de lichte fractie gezeefd en afgevoerd. De zware fractie wordt momenteel opgevangen in containers op de site.

3.3 Anaerobe vergisting De suspensie van organisch afval, die nu vrijwel volledig vrij is van verontreinigingen, wordt gepompt naar de 2 vergisters. Hierin vindt de biochemische decompositie plaats van het opgeloste organisch materiaal waardoor biogas wordt geproduceerd met een methaangehalte tussen 50 en 70 %. De 2 vergisters met een actief volume van 2500 m³

5

kunnen in serie of parallel werken, wat zorgt voor extra flexibiliteit. Als de vergisters opgesteld staan in serie is de biochemische decompositie voor een groot deel gescheiden: de eerste vergister creëert een optimaal milieu voor de hydrolyse, terwijl de tweede vergister dient voor de methanogenese. Als de vergisters opgesteld staan in parallel gebeuren de verschillende processen simultaan in de beide. Dit flexibel procesontwerp zorgt er voor dat een optimaal werkingspunt te allen tijde kan bereikt worden. Fig. 3.2: vergister

De hydraulische retentietijd van de vergisting bedraagt 12 tot 15 dagen. Dit is afhankelijk van de samenstelling van het inkomende afval. Ook de opbrengst van biogas is afhankelijk van de samenstelling en varieert tussen 72 m³ en 109 m³ per ton voeding. Beide vergisters worden continu gemengd om sedimentatie en het vormen van drijflagen tegen te gaan. Daarbij zorgt het mengen er voor dat er een gelijkmatige verdeling is van nutriënten ten opzichte van de anaerobe bacteriën. In de site in Ieper gebruikt men in plaats van mechanische roerders een lanssysteem met gas om te mengen. Een deel van het geproduceerde biogas wordt via het lanssysteem terug in de vergister geïnjecteerd, wat zorgt voor een intensieve menging in de reactor. Naast het mengen wordt de inhoud van de vergister gepompt door aparte buiswarmtewisselaars. Deze worden verwarmd door het koelwater van de gasmotoren van de WKK. Hierdoor wordt er gezorgd dat de temperatuur in de reactor rond 37 °C blijft.

3.4 Ontwateren Na vergisting wordt het digestaat gepompt naar de ontwateringseenheid. Een flocculant/polymeer emulsie wordt toegevoegd aan het digestaat, waarna het mengsel

gestuurd

wordt

slibontwateringschroefpersen.

naar Het

3 filtraat

dubbele wordt

gezonden naar de proceswaterbuffer waar het ofwel Fig.3.3:ontwateringseenheid

hergebruikt

wordt

of

behandeld

wordt

in

de

afvalwaterzuivering. Het ontwaterde digestaat met een droge stofgehalte van 22 tot 35 % wordt gelost op een transportband. Hier wordt de underflow van de trommelzeef opnieuw samengevoegd met de overflow van de trommelzeef. Na het verkrijgen van de gewenste

6

porositeit is het gemixte materiaal of de “rauwe compost” klaar voor de aerobe behandelingsstap, het composteren.

3.5 Compostering, narijping en opslag Een wiellader schept de rauwe compost op en plaatst het in één van de 7 composttunnels die geïnstalleerd zijn in een volledig gesloten gebouw. De composttunnel bestaat uit betonnen muren aan beide zijden en achteraan. Iedere tunnel heeft 2 beluchtingskanalen die geïntegreerd zijn in de grond. De beluchtingskanalen hebben een dubbel doel. Ze zorgen niet alleen voor de aanvoer van

Fig. 3.4: composttunnels

lucht, maar zorgen ook voor de afvoer van mogelijke afvloei van vocht. Dit vocht wordt afgevoerd naar de proceswaterbuffer. De tunnels zijn uitgerust met een serreachtig dak bestaande uit een semipermeabel membraan gespannen over een roestvrijstalen frame. Als de composttunnel volledig gevuld en afgesloten is, kan het composteringsproces beginnen. Het membraan zorgt voor een optimaal klimaat voor de aerobe microorganismen. Alle relevante parameters worden continu bijgehouden en een zuurstof- en temperatuurprobe geven informatie aan het regelsysteem dat de luchttoevoer en temperatuur aanpast. De thermofiele aard van het composteringsproces resulteert in een hygiënisatie van het product door vernietiging van pathogenen. Het membraan gespannen over de tunnel zorgt voor een voldoende hoog vochtgehalte. Met dit composteringsprocesdesign zijn er geen sprinklers of een omwoeler nodig en wordt de composteringstijd gereduceerd tot 2 tot 3 weken (normaal 3 tot 6 maanden bij open compostering). Na deze intensieve composteringsstap wordt het materiaal verplaatst

naar

het

composteringstunnels

narijpingsgebouw. is

het

gebouw

Zoals

uitgerust

de met

beluchtingkanalen. Na ongeveer 6 weken narijping wordt de gerijpte compost gezeefd, waarna het naar de Fig. 3.5: narijping

opslagplaats gebracht wordt.

3.6 Biogas en energiegebruik Zoals eerder al beschreven wordt een deel van het biogas gebruikt om het slib in de reactor te mengen. Het overige deel wordt gezonden naar de WKK’s. In totaal wordt er

7

jaarlijks ongeveer 4 miljoen m³ biogas geproduceerd. De WKK bestaat uit 4 identieke 12cilinder gasmotoren met generator met een elektrische output van 335 kilowatt per motor. De WKK kan ook draaien op eilandmode als de netstroom plots zou uitvallen. Tijdens onderhoud aan de motoren kan het teveel aan biogas afgefakkeld worden door een medium-temperatuurfakkel.

3.7 Waterbehandeling en geurbeperking Alle watereffluenten van het systeem worden opgeslagen in de proceswaterbuffer. Terwijl het meeste van het proceswater gerecirculeerd en hergebruikt wordt in de installatie, moet het surplus aan water gezuiverd worden om daarna te kunnen lozen op het nabijgelegen kanaal. In de eerste stap wordt het afvalwater behandeld in een mechanisch en biologisch systeem (MBS). De MBS bestaat uit een zelfreinigende fijne zeef, een biologische behandeling met geforceerde beluchting en met een pakking en een bezinker voor de verwijdering van gesuspendeerde vaste stoffen. In een tweede stap wordt het afvalwater naar een vacuüm evaporatie en condensatiesysteem (VECS) geleid. De elektriciteit en warmte nodig voor de werking van de VECS wordt volledig geleverd door de WKK. Het slib met zouten met een drogestofgehalte van ongeveer 30% dat achtergebleven is in de VECS moet verwijderd worden. Een deel van de bekomen effluenten van de MBS en VECS worden ook gebruikt in de fabriek zelf, onder andere voor het spoelen. Recentelijk werd het MBS vervangen door een sequence batch reactor (SBR). Alle onderdelen van de site zijn voorzien van individuele luchtverzamelingssystemen. In de ontvangsthal wordt de lucht 2 maal per uur ververst. In de andere 2 gebouwen wordt de lucht 1 maal per uur ververst. Om het vochtgehalte op peil te houden en als voorbehandeling passeert de verzamelde lucht door een watergebaseerde conditionerings en scrubbersysteem voordat het gezonden wordt naar de biofilter. De lucht stroomt in de biofilter via een geperforeerde vloer en wordt verdeeld over het bedmateriaal, dat een combinatie is van compost en houtschors, wat een optimale groeibodem is voor de bacteriën die de polluenten omzetten. Een extra sprinklersysteem zorgt voor een voldoende hoog vochtgehalte in het bedmateriaal.

8

4 Vorming van biogas 4.1 Inleiding Vooraleer de zuiveringstechnieken te bekijken, dient men eerst te weten waaruit biogas ontstaat. Biogas wordt gevormd tijdens de anaerobe vergisting van organisch materiaal. Bacteriën zetten het organisch materiaal om in biogas.

4.2 Materiaal Bijna elk vast of vloeibaar organisch materiaal, van dierlijke of plantaardige afkomst, komt in aanmerking om gebruikt te worden als inputmateriaal voor anaerobe vergisting. Men dient ook rekening te houden met het feit dat de oorspronkelijke samenstelling van de organische stof een gevolg zal hebben op de bruikbaarheid van het digestaat achteraf. Volgens de herkomst van het oorspronkelijke materiaal kan het verdeeld worden in drie groepen. Een eerste groep is het organisch materiaal met oorsprong in de landbouw. Hieronder verstaan we mest, energiegewassen (tarwe, maïs,…) en resten van de oogst (bladgroen, stro,…). Een tweede groep is het organisch materiaal afkomstig van de industrie:

voedingsindustrie

(slachtafval,…),

agro-industrie

(aardappelpulp,…)

en

afvalwater (slib). Een laatste groep is het organisch afval van gemeenten. Dit materiaal bestaat uit restafval, GFT en bermmaaisel. De opbrengst aan biogas is afhankelijk van de hoeveelheid organische stof en de samenstelling ervan[2]. Figuur 4.1 toont de biogasopbrengst (m³) per ton vers materiaal voor een aantal verschillende inputstromen.

Fig. 4.1: Biogasopbrengst per ton vers materiaal voor verschillende inputstromen[2]

______________________ [2] Bol et al., ODE, 2006

9

Vroeger werd vergisting alleen geassocieerd met mestverwerking, nochtans in de afgelopen jaren is de belangstelling voor biogas gegroeid, onder meer bij afvalverwerkers, landbouw (energiegewassen) en afvalwaterzuiveringsinstallaties (slibvergisting). Nu mede door de inspanningen van Biogas-E en andere organisaties wordt vergisting meer en meer geassocieerd met energieopwekking.

4.3 Vergistingsproces Het anaerobe gistingsproces wordt bewerkstelligd door verscheidene groepen microorganismen die samenwerken om complex organisch materiaal om te zetten tot CH4, CO2, H2O, H2S en NH3.[3] Het proces verloopt in 4 stappen: hydrolyse, fermentatie, acetogenese en methanogenese.

4.3.1 Hydrolyse Organische stof bestaat voornamelijk uit grote onopgeloste deeltjes. De kleine organismen die voor de methaanvorming verantwoordelijk zijn kunnen dat niet metaboliseren. De bacteriën die verantwoordelijk zijn voor de hydrolysefase scheiden enzymen af. Die breken de grote onopgeloste stoffen af tot kleine oplosbare moleculen. Deze moleculen kunnen gebruikt worden als grondstof voor de volgende fasen. De hydrolyserende bacteriën hechten zich aan grote deeltjes vast zodat hun enzymen goed kunnen inwerken. Van belang is dat de organische stof klein is en veel breukvlakken heeft waar de bacteriën zich op kunnen vast hechten m.a.w. het organisch materiaal dient een groot specifiek oppervlak te bezitten. Voor de hydrolyse van de organische stof is ca 90 à 94% water nodig. De afbraaksnelheid hangt af van de temperatuur en de grootte van de deeltjes. Ook de chemische samenstelling van de organische stof is bepalend voor de afbraaksnelheid.[4] De macro-moleculen van het organische materiaal worden door de micro-organismen afgebroken tot aminozuren, alcoholen, suikers en vetzuren. Hiervoor hebben zij extracellulaire enzymen nodig. Iedere soort molecule vereist een ander enzym: voor het afbreken van zetmeel is cellulase vereist, voor eiwitten protease en voor vetten lipase. De hydrolyse is de snelheidsbepalende stap van de anaërobe vergisting. Verschillende factoren hebben invloed op de snelheid: de procestemperatuur, de verblijftijd, de deeltjesgrootte, de pH, de NH4-N concentratie, de concentratie aan hydrolyseproducten en de samenstelling van het substraat.[3] Bij een vergistinginstallatie worden al deze parameters dan ook nauwlettend in de gaten gehouden. __________________ [3] Platteau [4] Carels ecoflanders, 2004

10

4.3.2 Fermentatie [5] De zuurvormende bacteriën (Clostridium) zetten suikers, aminozuren en vetzuren om tot organische zuren (mierenzuur, azijnzuur, propionzuur en boterzuur), alcoholen, ketonen, CO2 en H2. De gevormde eindproducten zijn afhankelijk van de soort bacteriën evenals de procescondities en het type vergister. Bij de afbraak van aminozuren ontstaat ook ammoniak die de pH van de vergister kan beïnvloeden. De afbraak van hogere vetzuren gebeurt via β-oxidatie. Hierbij wordt het tweede koolstofatoom (β koolstof) geoxideerd. Bij deze oxidatie wordt er waterstofgas geproduceerd. Een goede activiteit van de waterstofconsumerende bacteriën is van zeer groot belang voor een goede acetogenese. Hierdoor kunnen vetzuren beter afgebroken worden in de acetogenese.

4.3.3 Acetogenese [6] De Syntrobacter wolinii en Syntrophomonas wolfei zetten vetzuren en alcoholen om in acetaat, H2 en CO2. De genus naam verwijst naar de afhankelijkheid van deze organismen voor een synthropische relatie met andere organismen. Synthropisch betekent letterlijk ‘samen eten’.[6a] Boterzuur, ethanol en propionzuur zullen onder de standaardcondities niet afgebroken worden omdat deze reactie geen energie oplevert. Hierdoor zouden de vetzuren opstapelen. Als de waterstofconcentratie laag is, kan de afbraak van de vetzuren toch energie opleveren. De methanogene bacteriën gebruiken H2 als energiebron en zorgen zo voor deze lage waterstofconcentraties. Bij een goedwerkende reactor komt de partiële druk van waterstof niet boven 10-4 atm. Bij de gemiddelde reactor ligt dit rond 10-6 atm.

4.3.4 Methanogenese [6] De methaanproductie gebeurt door twee groepen bacteriën. De eerste groep zijn de hydrogenotrofe methanogenen. Zij zetten de geproduceerde waterstof en koolstofdioxide om in methaan. Deze methanogenen zorgen voor ongeveer 30 % van het geproduceerde methaan in de reactor. CO2 + 4 H2
CH4 + 2 H2O

(r4.1)

De reactie (r4.1) toont de omzetting van CO2 en H2 in methaan en water. De reactie toont aan dat de methanogene bacteriën zorgen voor een lage waterstofspanning, waardoor de vetzuren en alcoholen omgezet kunnen worden gedurende de acetogenese. _____________________ [5] Lettinga et al, 1993 [6] Platteau [6a] Wille, 1996

11

Een tweede groep is deacetotrofe methanogenen, ook wel acetaatsplitsende bacteriën genoemd. Zij zorgen voor 70 % van de totale productie. CH3COOH
CH4 + CO2

(r4.2)

Reactie (r4.2) toont de splitsing van het acetaat.

4.3.5 Symbiose tussen de verschillende fasen [7] Ten eerste geldt dat de vier fasen in de meeste biogasreactoren (continu systeem) tegelijk afspelen. De zuurvormende bacteriën leveren niet alleen het uitgangssubstraat voor de methaanvormende bacteriën, maar zij leveren ook ammoniumzouten die voor de methaanbacteriën de enig bruikbare stikstof bron is. Aan de andere kant zorgen de methaanvormende bacteriën voor de verwerking van de door de zuurvormende bacteriën geproduceerde stoffen. Indien dit niet zou gebeuren dan zouden de zuurvormende bacteriën

zichzelf

verstikken

in

hun

geproduceerde

stoffen.

De

hydrolyse

en

zuurvormende fase wordt vaak als één fase gezien. De methaanvormende fase moet altijd de eerste fase kunnen bijhouden. Indien dit niet gebeurt dan verzuurt het proces en stopt de methaanproductie. Naast deze beperkende factor bepaalt de hydrolyse de afbraaksnelheid. Deze zijn afhankelijk van de biologische afbreekbaarheid van de producten. Voor de verzuring van glucose is slechts 4 uur nodig, terwijl voor de verzuring van eenzelfde hoeveelheid cellulose 1 à 2 dagen nodig is. Voor de methaanvorming van de afbraakproducten van glucose is 4 dagen nodig, en voor die van eenzelfde hoeveelheid cellulose 5 à 8 dagen. De methaanvorming is een complex proces. Aangezien er veel verschillende soorten bacteriën aanwezig zijn in de reactor, zijn er veel invloedsfactoren van belang zoals temperatuur, pH, C/N verhouding, toxische stoffen, droge stofgehalte,… Op het proces kan nog veel dieper ingegaan worden, maar dit behoort niet meer tot het doel van deze studie.

______________________ [7] Carels Ecoflanders, 2004

12

5 Biogas [8] 5.1 Eigenschappen Biogas bestaat gemiddeld uit 55 tot 70 % CH4, 30 tot 45 % CO2 en is verzadigd met H2O. Biogas bevat bovendien ook sporen van H2S, O2, N2, H2 en CO. Aardgas bestaat uit ongeveer 80 tot 90 % methaan en een aantal hogere koolwaterstoffen. Een belangrijke parameter voor de kwaliteit van het biogas is het gehalte aan waterstofsulfide (H2S). Dit gas kan tot corrosie leiden in de installaties waar het biogas wordt verbrand. De verbrandingswaarde van een kubieke meter biogas is afhankelijk van de gaskwaliteit en ligt op 21,5 tot 23,5 MJ/Nm³. Biogas is vluchtig en brandbaar, maar er is alleen explosiegevaar bij een mengsel van 5 tot 15 % methaan in lucht. Tabel 5.1 toont een vergelijking van de eigenschappen tussen biogas en aardgas. Tabel 5.1: vergelijking eigenschappen tussen biogas en aardgas

5.2 Gebruik Vandaag de dag wordt in België biogas voornamelijk gebruikt in ketels en warmtekrachtkoppelingen (WKK). De ketel heeft geen nood aan een gas van hoge kwaliteit. Wel is het aangeraden om de H2S concentratie laag te houden omdat dit anders de leidingen en de ketel zou corroderen. Met de ontstane warmte worden drogen, verwarming en absorptiekoeling toegepast. Een overschot aan biogas kan ook verbrand worden met een noodfakkel. De meest voorkomende toepassing is de WKK. De verwerking van het gas gebeurt hier in een gasmotor, microturbine of brandstofcel. De gasmotor is bij de meeste toepassingen een dieselmotor die aangepast is om te werken op biogas. Een dieselmotor wordt gebruikt omdat deze minder gevoelig is voor de corrosieve werking van H2S dat aanwezig is in het biogas. De motor drijft een turbine aan waarmee elektriciteit wordt opgewekt. Die elektriciteit kan voor eigen gebruik zijn, maar kan ook geleverd worden aan het net. Hiervoor kan een groenestroomcertificaat afgeleverd worden. Door de verbranding wordt er ook warmte geproduceerd, die kan afgenomen worden door middel van een warmtewisselaar. __________________ [8] ODE-Vlaanderen vzw, 2006

13

De bekomen warmte kan vervolgens ook gebruikt worden in dezelfde toepassingen als bij een ketel. In het buitenland en vooral in Zweden wordt biogas gebruikt als brandstof in de transportsector. Opgewaardeerd biogas wordt niet alleen gebruikt in de transportsector, maar kan ook geïnjecteerd worden in het aardgasnet. Het opgewaardeerde biogas heeft dezelfde eigenschappen als aardgas, maar is bovendien ook nog een hernieuwbare energiebron. De productie van biogas is een volwassen technologie die al in veel Europese landen wordt toegepast. De opwaardering van het biogas is een relatief nieuwe technologie, maar landen zoals Zweden tonen aan dat deze technologie een hoge betrouwbaarheid geniet die bovendien economisch rendabel kan zijn. Tabel 5.2 toont de standaarden die door Frankrijk, Zwitserland en Zweden opgelegd zijn voor het gebruik van biogas als transportbrandstof of voor de injectie in het aardgasnet. Tabel 5.2: opgelegde kwaliteitsstandaarden voor biogas eenheid

Frankrijk(1

Zwitserland(1

Zweden

Wobbe index onder

MJ/Nm³

45,5

Wobbe index boven

MJ/Nm³

48,2

Dauwpunt

°C

bovenste energiewaarde

kWh/Nm³

10,7

max. watergehalte

mg/Nm³

100

min. gehalte methaan

vol%

max. CO2 gehalte

vol%

max. zuurstofgehalte

vol%

max. gehalte CO2 + O2 + N2 vol% max. gehalte H2

vol%

max. gehalte H2S

mg/Nm³

Totaal zwavel

mg/Nm³

max. diameter van aanwezige vaste deeltjes

mm

5° lager dan omgevingstemp.

5

32

96

97 3

3,5

0,5

1

3

3

3 0,5

7

5

23

14,3 5

1 0 mg/m³ (1 Er zijn geen specifieke voorwaarden voor brandstofgas. De voorwaarden zijn van tel gehalogeneerde KWS

voor biogas dat geïntroduceerd wordt in het gasnet, waar het ook gebruikt wordt als brandstofgas. In Zwitserland komt de gaskwaliteit overeen met aardgaskwaliteit van het type H.

14

6 Opzuiveringstechnieken [9] 6.1 H2S verwijdering 6.1.1 Inleiding H2S is

altijd

aanwezig

in biogas.

De concentratie ervan hangt

af van het

voedingsmateriaal. H2S dient verwijderd te worden om corrosie tegen te gaan in opslagtanks, motoren en compressoren. Er bestaan al verscheidene technieken om H2S te verwijderen uit biogas. Allen hebben reeds bewezen te werken. De meest gebruikte technieken worden kort besproken.

6.1.2 Biologische ontzwaveling Biologische ontzwaveling gebeurt door micro-organismen in de biogasreactor zelf. Deze aerobe micro-organismen zijn autotroof en verbruiken koolstofdioxide om hun koolstofbehoefte te vervullen. Het H2S wordt vooral omgezet tot elementair zwavel, maar ook tot kleine hoeveelheden sulfaat. Als dit sulfaat in oplossing gaat, vormt dit zwavelzuur wat corrosie kan veroorzaken.[10] Om de oxidatie door te laten gaan, wordt er zuurstof toegevoegd aan het biogas. De dosis is afhankelijk van de hoeveelheid H2S aanwezig. De concentratie van de toegevoegde zuurstof in het biogas kan oplopen tot 6 %. De micro-organismen leven op het digestaat waar zij hun benodigde nutriënten kunnen uithalen. Met deze techniek kan bij de juiste omstandigheden tot 95 % van het aanwezige H2S verwijderd worden tot een concentratie lager dan 50 ppm. Voorzichtigheid is geboden bij het toedienen van extra zuurstof. Het mengsel van biogas en zuurstof kan exploderen. In grotere installaties en bij hogere concentraties aan H2S in het biogas, wordt een biofilter gebruikt om het waterstofsulfide te verwijderen. Over de filter zit actief slib uit een

aërobe

waterzuiveringsinstallatie.

Hierop

groeien

de

micro-organismen

die

verantwoordelijk zijn voor de omzetting van het H2S tot elementair zwavel. Het biogas wordt hier in tegenstroom over gestuurd. Vooraleer het biogas de filter ingaat wordt er zuurstof toegevoegd. Rendementen tot ongeveer 80 % zijn haalbaar met een restconcentratie van 500 - 800 ppm.

______________________ [9] VITO, 2001 [10] Wellinger,Lindberg, IEA Task 24

15

6.1.3 IJzerchloride toevoegen aan het digestaat Het ijzerchloride kan toegevoegd worden aan het digestaat in de reactor of in de vooropslagtank. Het ijzerchloride reageert met het H2S tot ijzersulfidezout. Onderstaande reactie (r6.1) toont het verloop: 2 FeCl3 + 3 H2S
2 FeS + S + 6 HCl

(r6.1)

De toevoeging van ijzerchlorideoplossing is een zeer effectief middel voor het verwijderen van hoge gehaltes aan H2S. Met deze methode kunnen echter geen lage waarden bekomen

worden

die

voldoen

aan

de

standaarden

voor

aardgaskwaliteit

of

vervoersbrandstof. Daarom moet de toediening van ijzerchloride eerder als een onderdeel van het zuiveringsproces beschouwd worden. De investeringskosten voor dit systeem liggen relatief laag, maar men moet wel rekening houden met hoge werkingskosten door het gebruik van het dure ijzerchloride.

6.1.4 IJzerkrullen of ijzeroxide pellets De

pellets

zijn

gemaakt

van

rode

aarde,

wat

een

afvalproduct

is

van

de

aluminiumproductie. Deze pellets worden bedekt met een laagje ijzeroxide. De ijzerpellets (en krullen) hebben een groot volume tot oppervlakte verhouding. Per 100 gram aan pellets kan er ongeveer 50 gram aan H2S gebonden worden. De pellets vormen een bed waar het te zuiveren gas over wordt geleid. De reactie van ijzeroxide of (-hydroxide) met H2S verloopt vlot. (r6.2) en (r6.3) tonen de reactie tussen ijzeroxide en ijzerhydroxide met H2S: Fe2O3 + 3 H2S
Fe2S3 + 3 H2O

(r6.2)

2 Fe(OH)3 + 3 H2S
Fe2S3 + 6 H2O

(r6.3)

Het gevormde ijzersulfide kan geregenereerd worden met behulp van zuurstof. IJzeroxide of ijzerhydroxide wordt gevormd, samen met elementair zwavel. Dit proces is zeer exotherm, daarom moet er gezorgd worden dat de massa niet ontvlamd. (r6.4) toont de regeneratiereactie. 2 Fe2S3 + 3 O2
2 Fe2O3 + 6 S

(r6.4)

Na een aantal cyclussen van zuiveren en regenereren moet het bed vervangen worden, aangezien het element zwavel zorgt voor verstoppingen. De meeste installaties hebben 2 reactiebedden. De een wordt geregenereerd terwijl de andere het biogas ontzwavelt.

16

6.1.5 Geïmpregneerd actief kool Er kan ook gebruik gemaakt worden van actief kool gedoteerd met kaliumjodide (KI). Het biogas wordt geleid over het bed. Zoals bij de biologische verwijdering wordt er vooraf lucht toegevoegd. Het H2S wordt katalytisch omgezet tot elementair zwavel en water. Het zwavel wordt geabsorbeerd door het actief kool. (r6.5) toont de omzetting van het H2S waarbij het KI als katalysator dient. 2 H2S + O2
2 S + 2 H2O

(r6.5)

De reactie gaat het best door bij een temperatuur van 50 tot 70 °C. Bij normale werking kan het actief kool gebruikt worden voor 4.000 tot 8.000 uur. Als de concentraties van het H2S oplopen tot boven 3.000 ppm, wordt het actief koolbed ontworpen als regeneratief systeem. Meer over de eigenschappen en adsorptieproces in hoofdstuk 7.

6.1.6 Scrubber 6.1.6.1 Algemeen Een gaswasser is een reinigingsinstallatie waarin een gasstroom in intensief contact wordt gebracht met een vloeistof met als doel bepaalde gasvormige componenten uit het gas naar de vloeistof te laten overgaan.[11] Bij de scrubber dient er dus een overgang van bepaalde componenten vanuit de gasfase naar de vloeistoffase te gebeuren. De mate van overgang is afhankelijk van de oplosbaarheid. De evenwichtsconcentratie in de gasfase hoort bij een bepaalde concentratie in de vloeistoffase. De evenwichtsconcentratie is afhankelijk van de temperatuur. Als er een hogere temperatuur is in de vloeistoffase, zal er ook een hogere evenwichtsconcentratie in de dampfase voorkomen. Dus als de temperatuur verlaagd wordt, heeft dit een gunstig effect op het rendement.[11] Praktisch is een gaswasser opgebouwd uit 3 delen: een absorptiesectie, een druppelvanger en een recirculatietank. Bij het ontwerp dient er rekening gehouden te worden met de vloeistof-gasverhouding (L/G). Dit is de verhouding tussen het debiet van de gasstroom en de vloeistofstroom. De verhouding is afhankelijk van de te bekomen restemissie, maar ook van de te verwerken ingangsconcentratie in de gasstroom en de vloeistofstroom. De L/G-verhouding in een concrete situatie hangt derhalve af van het gekozen wassysteem, de eigenschappen van het te zuiveren gas, de wasvloeistof en de te verwijderen component(en) en de eisen die aan de restemissies worden gesteld. De verschillende gaswassers kunnen ingedeeld worden volgens de stromingsrichting van _____________________ [11] VITO, 2001

17

het gas ten opzichte van de vloeistof. Bij een tegenstroomwasser beweegt het te zuiveren gas in tegengestelde richting ten opzichte van de wasvloeistof. Een groot voordeel van het tegenstroomprincipe is dat naarmate het gas verder de wasser doorloopt en properder wordt, de concentratie aan de verontreiniging in de wasvloeistof lager wordt. Zo wordt de drijvende kracht in de wasser in stand gehouden. Een tweede type zijn de meestroomwassers. Hierin bewegen het gas en de vloeistof in dezelfde richting. Dit type wasser is minder efficiënt dan de tegenstroomwasser, maar is beter geschikt voor hoge belastingen en is compacter van bouw. Bij een kruisstroomwasser bewegen het gas en de vloeistof zich loodrecht op elkaar. De vloeistofstroom beweegt zich dan van boven naar onder, terwijl de gasstroom de wasser horizontaal doorloopt. Zoals de meestroomwasser is de kruisstroomwasser compact van bouw, maar heeft als nadeel dat deze niet bestand is tegen hoge concentratiepieken. De wassers kunnen ook ingedeeld worden volgens de uitvoering van hun wassectie. Er zijn wassers met inbouw, zoals schotelkolommen, gepakte kolommen,… en wassers zonder inbouw, zoals sproeitorens, straalwassers,… Bij een wasser met schotels zijn er geperforeerde platen aangebracht in de wasser. Het te reinigen gas borrelt door de perforaties in de plaat waar een vloeistoffilm op aanwezig is. Daar ontstaat de wisseling van de componenten. Gepakte kolommen zijn gevuld met een pakkingsmateriaal waarlangs de wasvloeistof neerstroomt. Het te wassen gas wordt in omgekeerde richting erdoor gestuurd. Een type wasser zonder inbouw is de wasser met sproeitorens. In de sproeitoren wordt de wasvloeistof in fijne druppels verdeeld. Het gas wordt van onderaan de wasser in tegenstroom aangevoerd. Het is ook mogelijk om dit type in mee- of kruisstroom te voeren. Een tweede type is de straalwasser. Het gas en de wasvloeistof komen in meestroom met elkaar in contact. In de wassectie vallen de druppels uiteen door de hoge snelheid. Dit vormt een groot fasegrensvlak waarin de afscheiding tussen het gas en vloeistof plaatsvindt. De toepasbaarheid van de verschillende typen wassers wordt vooral bepaald door de eigenschappen van het te zuiveren gas.[12] Er zijn 3 onderverdelingen van de scrubbers volgens werkingsdruk: lagedruk scrubbers (drukval minder dan 0,012 bar), mediumdruk scrubbers (drukval tussen 0,012 en 0,038 bar) en hogedruk scrubbers (drukval groter dan 0,038 bar).

_______________ [12] VITO, 2001

18

6.1.6.2 Waterscrubber De natte wasser volgt het principe van de fysische absorptie. Het te reinigen gas wordt in contact gebracht met een vloeistofstroom. De vervuilende componenten worden geabsorbeerd in de vloeistofdeeltjes. De componenten worden aan het oppervlak van de vloeistofdeeltjes vastgehouden door een zwakke aantrekkingskracht, de van der Waalse krachten. De aantrekking op het oppervlak is zwak, maar heeft een grote reikwijdte en tijdens de absorptie wordt er energie vrijgegeven met dezelfde enthalpiegrootteorde als bij condensatie (grootteorde 20 kJ/mol). Tijdens het proces blijft de chemische structuur van de component ongewijzigd. De covalente bindingen worden niet verbroken. Opdat de fysische absorptie een spontaan thermodynamisch proces zou zijn, moet de reactie exotherm zijn (∆H < 0). Om CO2 uit het biogas te verwijderen met een waterscrubber dient er op hoge druk (10-14 bar) gewerkt te worden. Er bestaan 2 verschillende types waterscrubber. Een eerste type is het eenmalig doorstroomsysteem. Het gas en het water worden in tegenstroom door de scrubber geleid. Het voordeel van dit systeem is een lagere investeringskost. Nadelen zijn hoge werkingskosten en verlies van methaan. Een tweede systeem is de scrubber met recirculerend watersysteem. Het water dat door de scrubber gestroomd heeft, wordt over een tweede wasser geleid waar het in contact gebracht wordt met lucht. Hierdoor zal CO2 uit het water verwijderd worden. Daarna wordt het water gerecirculeerd naar de scrubber. Met koud water kan men de efficiëntie verbeteren, aangezien de oplosbaarheid van gassen hoger is in koud dan in warm water. Voordelen van dit type zijn de lage werkingskosten en de terugwinning van methaan. Een nadeel is de hoge investeringskost. Figuur 6.1 toont een schematische voorstelling van de 2 types.

Fig. 6.1: schematische voorstelling van 2 types scrubber

19

6.1.6.3 Alkalische wasser [13] Men maakt gebruik van een alkalische wasser om H2S te verwijderen. De zuurvormende componenten worden afgevangen door een baseoplossing als wasvloeistof te gebruiken, waar de componenten geneutraliseerd worden. Bij deze neutralisatie worden zouten gevormd, die kunnen opgeconcentreerd worden. Het spuiwater kan gezuiverd worden om daarna geloosd te worden op het rioleringsnet. De base wordt gedoseerd in de wasvloeistof door middel van een pH-sturing. De pH wordt tussen 8,5 en 9,5 gehouden. Bij een hogere pH zou er een hoog loogverbruik optreden omdat CO2 wordt geabsorbeerd in het water en carbonaat gevormd wordt. Met het aanwezige calcium in het water zou er met het carbonaat calciumcarbonaat gevormd worden dat kan neerslaan in de scrubber en waardoor de drukval zou verhogen door verstopping. Om dit te vermijden wordt onthard water gebruikt. Figuur 6.2 toont een schematische voorstelling van een alkalische wasser.

Fig 6.2: schematische voorstelling alkalische wasser [13]

_____________________ [13] VITO, 2001

20

Het toevoegen van NaOH zorgt ervoor dat de absorptiecapaciteit van het water verhoogd wordt. Door het gebruik van NaOH is er geen sprake meer van fysische absorptie, maar van een chemische absorptie. Het NaOH reageert met het H2S tot natriumsulfide (Na2S) of natriumwaterstofsulfide (NaHS). (r6.6) en (r6.7) tonen de reactievergelijkingen.

2 NaOH + H2S
Na2S + 2 H2O

(r6.6)

2 NaOH + 2 H2S
2 NaHS + 2 H2O

(r6.7)

H2S concentraties in het biogas van 1.000 – 10.000 ppm kunnen gereduceerd worden naar 200 – 500 ppm. Dit komt overeen met een rendement van 90 – 95 %. Door de verhoging van de capaciteit van de wasvloeistof, moet er minder vloeistof gebruikt worden. Voordelen van deze techniek zijn het relatief compacte formaat, hoge verwijderingsrendementen en de mogelijkheid voor modulaire opbouw. Nadelen zijn het baseverbruik, de nood aan een pH-sturing en het afvalwater dat dient gespuid te worden. In bepaalde gevallen kunnen de gevormde zouten echter worden opgewerkt en hergebruikt.

6.2 CO2 verwijdering 6.2.1 Inleiding CO2 vormt een belangrijk deel van het biogas. Aangezien CO2 niet deelneemt in de verbranding en geen energie oplevert, is het beter om dit te verwijderen zodat de energiewaarde van het biogas stijgt. CO2 verwijdering wordt ook toegepast om aan de standaarden te voldoen met betrekking tot het methaangehalte, om biogas te kunnen gebruiken als vervoersbrandstof of voor injectie in het aardgasnet. Tegenwoordig worden er

4

methoden

toegepast

om

CO2

te

verwijderen:

waterabsorptie,

polyethyleenglycolabsorptie, moleculaire zeven en membraanscheiding.[14]

6.2.2 Waterabsorptie [14] Het principe is hetzelfde als bij de H2S verwijdering. De absorptie is enkel een fysisch fenomeen. Aangezien CO2 beter oplosbaar is dan CH4 in water, wordt CO2 opgelost in de wasvloeistof en uit het biogas onttrokken. In de meeste gevallen wordt het biogas onder druk (10-20 bar) gevoed aan een gepakte kolom. Het waswater wordt bovenaan gevoed, met gevolg dat het absorptieproces in _____________________ [14] Wellinger,Lindberg, IEA Task 24

21

tegenstroom gevoerd wordt. Het waswater met geabsorbeerd CO2 wordt meestal geregenereerd en gerecirculeerd. De regeneratie kan gebeuren door drukverlaging of door luchtstrippen in een gelijkaardige kolom. De efficiëntste methode is het gebruik van goedkoop water, bijvoorbeeld het effluent van een afvalwaterzuivering, in plaats van het recirculeren en regenereren van het proceswater.

6.2.3 Polyethyleenglycolabsorptie [15] Net zoals bij de waterscrubber werkt de scrubber met polyethyleenglycol volgens het proces van fysische absorptie. In de scrubber maakt men gebruik van SelexolTM. In dit solvent zal zoals bij het water de CO2 geabsorbeerd worden. Het verschil met water is dat CO2 nog beter oplost in het solvent, waardoor minder solvent nodig is voor hetzelfde resultaat. SelexolTM haalt ook water en gehalogeneerde koolwaterstoffen uit het biogas. SelexolTM wordt geregenereerd en gerecirculeerd. Omdat er door het H2S in het solvent zwavel zal gevormd worden, is het niet aangeraden om luchtstrippen te gebruiken. Meestal wordt stoom of een inert gas gebruikt. Een alternatief is het op voorhand verwijderen van H2S.

6.2.4 Moleculaire zeef [15] Met een moleculaire zeef kunnen specifieke componenten uit een gas gehaald worden. De moleculen worden geadsorbeerd op de zeef, maar de binding is niet onomkeerbaar. De selectiviteit voor de verschillende componenten kan men bekomen door het variëren van de meshgrootte en de gasdruk. Wanneer de druk losgelaten wordt, worden de uit het biogas onttrokken componenten gedesorbeerd. Door de wisselingen in druk tijdens het proces wordt dit “pressure swing adsorption” (PSA) genoemd. Om het energieverbruik binnen de perken te houden worden verschillende drukvaten aan elkaar gekoppeld. Wanneer de druk gelost wordt in het ene vat, wordt dit doorgestuurd naar het volgende vat. Een systeem bestaat gebruikelijk uit 4 vaten. Deze vaten zijn gevuld met moleculaire zeven die CO2 en waterdamp uit het biogas verwijderen. Het eerste vat wordt gedreven met een druk van 6 bar waarin het biogas wordt ingebracht. Hier wordt het gas opgewerkt tot een gehalte van 96 % methaan. In het tweede vat is er een drukverlaging waardoor het overgebleven CO2 en CH4-mengsel terug vrijkomt en gerecirculeerd wordt. In het derde vat volgt een 2de drukverlaging waardoor het CO2 terug vrijkomt en afgevoerd kan worden. In het vierde vat volgt opnieuw een drukverhoging. ______________________ [15] Wellinger,Lindberg, IEA Task 24

22

6.2.5 Membraanscheiding [16] Er bestaan 2 types membraansystemen: een hogedruk gas-gasscheiding en lagedruk gasvloeistofscheiding. Bij hogedruk scheiding wordt het gas eerst gereinigd voordat het de membranen binnengaat. Koolwaterstoffen, H2S en oliedampen van de compressors worden voordien afgevangen. De membranen zijn meestal gemaakt van celluloseacetaat. Ze kunnen kleine polaire moleculen zoals CO2, damp en restanten H2S opvangen uit het gas. Het biogas wordt in 3 stages opgewerkt tot een methaangehalte van 96% of meer. Het gas uit de eerste 2 stages kan gerecirculeerd worden, waaruit het CH4 kan teruggewonnen worden. Het gas uit de derde stage is van mindere kwaliteit. Dit wordt afgefakkeld of gebruikt om een stoomboiler te verwarmen. Door het gebruik van holle vezelmembranen kan de constructie compact worden uitgevoerd. De gas-vloeistofscheiding is een recente techniek die ontwikkeld werd voor het zuiveren van biogas. Het belangrijkste element van het systeem is een microporeus hydrofoob membraan dat het gas van de vloeistoffase scheidt. De moleculen in de gasstroom kunnen migreren door het membraan, waarna ze geabsorbeerd worden door de vloeistofstroom. Het proces werkt bij atmosferische druk. De vloeistofstroom bij CO2 verwijdering is een amineoplossing. Hiermee kan het methaangehalte opgewerkt worden tot 96 %. Het verwijderde CO2 is puur en kan gebruikt worden voor industriële toepassingen.

6.3 Verwijdering van condenswater [17] Het gevormde biogas is steeds verzadigd met waterdamp. Door afkoeling van het warme biogas ontstaat er condens in de leidingen. Het gevormde water wordt dan afgeleid via een condenswaterslot. Men kan deze condensatie ook bevorderen door extra afkoeling. Bij een vriesdroger wordt het biogas afgekoeld tot 2 °C, het water condenseert en daarna wordt het biogas terug verwarmd tot 20 °C. Verwijdering van het water is ook mogelijk met behulp van een condensor en een droogunit gevuld met silicagel. De silicagel kan hergebruikt worden nadat het door een elektrische droger is geleid.

______________________ [16] Wellinger,Lindberg, IEA Task 24 [17] VITO, 2001

23

7. Actieve kool en proces van adsorptie [18] Aangezien in de proefopstelling gebruik gemaakt wordt van actieve kool, is een korte bespreking over van de eigenschappen en werkingsmechanismen van het actief kool op zijn plaats.

7.1 Eigenschappen actieve kool Actieve kool is een poreus materiaal dat voornamelijk uit koolstof bestaat. Het bezit een groot specifiek oppervlak (300 – 1500 m²/g). De koolstofatomen aan het oppervlak van het actieve kool oefenen Van der Waalsekrachten uit op omringende vloeistoffen en gassen. De grootte van deze aantrekkingskrachten zijn ook deels afhankelijk van de aard van de omringende stoffen. De ene molecule wordt sterker aangetrokken dan de andere. Dit is de reden waarom actieve kool bepaalde componenten vasthoudt en andere niet. Het adsorptieproces is afhankelijk van het fysisch karakter van het actieve kool en de moleculaire grootte van de te adsorberen moleculen. Er zijn verschillende types actieve kool verkrijgbaar en iedere soort heeft zijn specifieke eigenschappen. Deze kunnen weergegeven worden aan de hand van een aantal parameters. De verschillen tussen de types actieve kool zijn afhankelijk van de toegepaste grondstoffen (steenkool, hout, kokosnootschalen, turf, …), de productieprocedure, het soort nabehandeling (voorgewassen of geïmpregneerd met chemicaliën) en hun fysische vorm (poeder, kool of pellet). Hieronder worden de voornaamste parameters besproken.

7.1.1 Partikelgrootte Met behulp van zeven met een bepaalde mesh-grootte kan de partikelgrootte van actieve kool gekarakteriseerd worden.

7.1.2 Joodgetal Het joodgetal wordt gedefinieerd als het aantal mg I2 dat per gram kool uit een 0,02 N joodoplossing geadsorbeerd wordt. Het joodgetal is een indicator voor het gehalte aan microporiën (d< 2 nm).

______________ [18] Dejans, 2007

24

7.1.3 Densiteit De densiteit van actieve kool is de massa van het droge actieve kool per volume-eenheid opgeteld bij het volume van de leegte tussen de partikels. Deze dichtheid varieert tussen 350 – 600 kg/m³. Deze is afhankelijk van de grondstoffen en het water- en asgehalte.

7.1.4 Watergehalte Hiermee wordt het gewichtprocentuele gehalte aan water bedoeld dat in normaaltoestand op het actieve kool gebonden zit. Deze waarde is ook een indicatie voor de mate waarin het actieve kool in staat is om polaire verbindingen te binden.

7.1.5 Asgehalte Dit is het procentuele deel aan organisch, inert, amorf en onbruikbaar gedeelte aanwezig in het actieve kool.

7.2 Structuur AK bestaat uit micro-, meso- en macroporiën die, afhankelijk van de gebruikte grondstoffen, in een bepaalde verhouding aanwezig zijn. Actieve kool waar overwegend een microporeuze structuur aanwezig is, zal hoge concentraties van laagmoleculaire verontreinigingen verwijderen. Actieve kool met grotere poriënstructuren zal lage concentraties van hoogmoleculaire verontreinigingen verwijderen. Geïmpregneerde actieve kool wordt gebruikt voor de verwijdering van schadelijke en toxische componenten, meestal van anorganische oorsprong. Volgende indeling van de poriëngrootte kan gemaakt worden volgens IUPAC-reglementering: •

Microporiën: d < 2 nm Deze hebben een poriënvolume van 0,15 – 0,5 ml/g. Ze bezitten een groot oppervlak (oppervlakte bedraagt 95% van de totale oppervlakte).

•

Mesoporiën: 2 nm < d < 50 nm Deze hebben een klein poriënvolume van 0,02 – 0,8 ml/g. De mesoporiën hebben een redelijk poriënoppervlak en nemen deel aan de capillaire condensatie.

•

Macroporiën: d > 50 nm Deze hebben een groot poriënvolume. De macroporiën hebben een klein poriënoppervlak. Ze nemen deel aan de capillaire condensatie wanneer de druk de verzadigingsdruk nadert.

25

Er kan gesteld worden dat vooral de microporiën verantwoordelijk zijn voor de adsorptiecapaciteit van actieve kool en dit door hun groot specifiek oppervlak en hun groot specifiek volume. De microporiën zorgen voor de adsorptiecapaciteit, terwijl de macroporiën er voor zorgen dat er een goede toegang doorheen het partikel is.

7.3 Vormen Er zijn 3 verschillende vormen van actieve kool: de poedervormige actieve kool (PAK), de granulair actieve kool (GAK) en de cilindrische pellets. De partikelgrootte varieert tussen 5 – 100 µm voor PAK en tussen 0,25 – 4 mm voor GAK. De pellets, geëxtrudeerde actieve kool, zijn in verschillende pelletdiameters verkrijgbaar. De geëxtrudeerde pellets worden vooral gebruikt in gaszuiveringstoepassingen omwille van hun beperkte drukval. De partikelgrootte is vooral van belang bij hydraulische eigenschappen van het systeem, filtreerbaarheid en de handelbaarheid.

7.4 Productie Actieve kool wordt gemaakt uit verschillende uiteenlopende koolstofrijke grondstoffen waaronder hout, kokosnootschalen, turf, bruinkool, steenkool, rijstkaf, beenderen en suikerrietpulp. Het basisproductieproces bestaat uit een carbonisatie (omzetting tot elementaire koolstof) en een activatie (oxidatie om een interne poriënstructuur te bekomen). De grondstoffen worden gedehydrateerd en verkoold door langzame verhitting in afwezigheid van lucht en bij temperaturen lager dan 700 °C. Dit proces zet het organisch materiaal om naar elementair koolstof dat een mengsel is van as, teer, amorfe en kristallijne koolstof. Tijdens de verkoling kunnen afbraakproducten in de poriën afgezet worden, die in het activatieproces zullen verwijderd worden. Dit activatieproces bevat 2 stappen. Een eerste stap waarbij de afbraakproducten van het verkolingsproces weggebrand worden en een tweede stap waarbij de porieopeningen vergroot worden. Er bestaan 2 processen van activatie: chemische activatie en stoomactivatie. Chemische activatie gebeurt door sterk dehydraterende stoffen zoals ZnCl2, H3PO4, … Die worden op de actieve koolsoorten geïmpregneerd en verwarmd tot een temperatuur van 500 – 800 °C. Chemisch geactiveerde koolsoorten hebben meestal grote poriënstructuren, wat ideaal is voor adsorptie van grote moleculen. Stoomactivatie gebeurt bij temperaturen van 900 – 1000 °C in aanwezigheid van gassen zoals stoom, CO2, lucht of een mengsel van deze. Dankzij de gasreactie en de stoom wordt een zeer poreuze en actieve koolstructuur bekomen. Stoomgeactiveerde kool heeft

26

een zeer fijne poriënstructuur, wat ideaal is voor adsorptie van componenten uit de gasen vloeistofstroom.

7.5 Regeneratie De kosten die gepaard gaan met de regeneratie zijn afhankelijk van de methode van regeneratie, de hoeveelheid te regenereren kool en de aard van de adsorbeerde componenten. Actieve kool beladen met dioxinen, PCB’s, fluor, lood en andere schadelijke verbindingen wordt niet geregenereerd, maar verbrand. Na een bepaalde tijd in contact te staan met verontreinigde lucht zal de adsorptiecapaciteit van de actieve kool afnemen. Daarom moet het actieve kool vervangen, geregenereerd of gereactiveerd worden. De meeste toepassingen met actieve kool zijn pas economisch rendabel als de kool wordt hergebruikt. Hieronder worden enkele methoden van regeneratie kort besproken.

7.5.1 Stoomregeneratie Deze methode wordt vooral gebruikt wanneer het actieve kool vluchtige componenten heeft geadsorbeerd. Stoomregeneratie wordt ook gebruikt om het dichtgeslibde oppervlak van de actieve kool los te maken of om de kool te desinfecteren. De hoeveelheid stoom die toegevoegd dient te worden is afhankelijk van de moleculaire massa van het adsorbens en wordt in tegengestelde richting door de kolom gevoerd.

7.5.2 Chemische regeneratie Deze methode is gebaseerd op de reactie van een solvent met het adsorbens bij hoge temperaturen. Een voordeel van deze methode is het weinige verlies van koolstof. Een nadeel is dat deze methode zeer duur is omwille van de kostprijs van de solventen.

7.5.3 Thermische regeneratie Thermische regeneratie wordt het meest toegepast om actieve kool te regenereren. Een nadeel van deze methode is het grote verlies van koolstof (8 - 10 %). De regeneratie verloopt in 4 stappen: 1. Eerst wordt het actieve kool gedroogd en worden de meest vluchtige geadsorbeerde stoffen verwijderd bij een temperatuur van 200 °C. 2. Vervolgens worden vluchtige of onstabiele geadsorbeerde stoffen verdampt bij temperaturen van 200 – 500 °C.

27

3. Ten derde wordende niet-vluchtige geadsorbeerde stoffen gepyroliseerd tot elementaire koolstof aan het oppervlak van het actieve kool bij temperaturen van 500 – 700 °C. 4. Tenslotte worden de overblijvende stoffen geoxideerd en de poriën gevormd door middel van stoom of CO2 als oxidatiemiddel bij een temperatuur hoger dan 700 °C. De oppervlaktestructuur, die tijdens de voorgaande fasen aangetast werd, wordt opnieuw hersteld.

7.5.4 Biologische regeneratie Deze regeneratie gebeurt met een biologische populatie die in staat is om de geadsorbeerde stoffen te metaboliseren en dan te laten desorberen. Deze methode is echter nog in ontwikkeling en daarom nog niet veel toegepast.

7.6 Werkingsmechanismen van actieve kool De zuiverende werking van actieve koolfiltratie is een resultante van verschillende mechanismen, die al dan niet samenwerken: adsorptie, reductie, katalyse, biodegradatie en mechanische filtratie. Een eerste mechanisme is adsorptie. Het grote specifieke oppervlak en de porositeit van het actieve kool zorgen ervoor dat het actieve kool zeer geschikt is voor het adsorberen van vele verschillende stoffen. Bijvoorbeeld in het geval van gasadsorptie waarbij de kleine

gasmoleculen

kunnen

binnendringen

in

de

microporiën,

waarbij

de

verontreinigende componenten adsorberen aan het actieve kool. Een tweede mechanisme is reductie. Hierbij worden restgehalten van oxidatiemiddelen zoals ozon en chloor gereduceerd. Tengevolge wordt het oppervlak van het actieve kool geoxideerd waarbij oppervlakteoxiden en CO2 gevormd worden. Deze oppervlakteoxiden verhogen de polariteit van het actieve kool. Een derde mechanisme is katalyse. In sommige gevallen kan actieve kool katalyserend werken bij de omzetting van geadsorbeerde verbindingen zoals bijvoorbeeld H2S in aanwezigheid van zuurstof. Het actieve kooloppervlak katalyseert radicaalreacties tussen het adsorbaat en het oxidans. Een vierde mechanisme is biodegradatie. Geïmpregneerd actieve kool is een uitstekend hechtingsmedium voor microbiële groei.

Zodoende kan biodegradatie of biosorptie bijdragen tot

het

zuiveringsproces. Een laatste mechanisme is de mechanische filtratiewerking van het actieve kool. Zwevend materiaal wordt tegengehouden door de actieve kool, maar te hoge gehalten leiden tot verstoppingen van de poriën. Daarom wordt aangeraden een voorfiltratie uit te voeren zodat de kans op verstoppingen verkleint.

28

8 Gebruikte materialen en methoden 8.1 Pilootopstelling 8.1.1 Opbouw De biogastoevoer is afkomstig van de uitlaat van de gascompressor. Het gas passeert via de debietmeter en wordt onderaan de kolom gevoed. Met behulp van regelkraantjes kan het debiet geregeld worden. Het gas wordt vervolgens door de kolom gestuurd, die gevuld is met actieve kool. Het biogas verlaat de kolom via een kraan aan de bovenkant en wordt teruggestuurd naar de compressor via de compressortoevoerleiding. Figuur 8.1 toont de schematische voorstelling van de opstelling. De opstelling werd aangesloten op de compressorleidingen om zodoende een voldoende hoge druk te verkrijgen door de kolom. De kolomuitstroom wordt opnieuw gestuurd naar de compressoringang zodat geen biogas geloosd wordt in de lucht.

Fig. 8.1: schematische voorstelling pilootopstelling

8.1.1.1 Debietmeter Er wordt gebruik gemaakt van een debietmeter van Gilmont Instruments. Deze meters kunnen gebruikt worden voor systemen onder druk en zijn gasdicht, wat van groot belang is in deze toepassing in verband met het ontploffingsgevaar van het lucht/biogasmengsel. De debietmeter zelf bestaat uit glas, maar zit in een beschermende plastic huls. Het gas doorstroomt de debietmeter van onder naar boven. Hierdoor wordt een balletje omhoog geduwd en zodoende kan het debiet afgelezen worden. De meter heeft een nauwkeurigheid van 5 %.

29

8.1.1.2 Kolom De kolom is volledig gemaakt van PVC PN10 (druktest 10 bar) en heeft een binnendiameter van 140 mm en buitendiameter van 160 mm. De piloot heeft een druktest ondergaan van 3 bar en voldoet hiermee aan de veiligheidsvoorschriften. Aan de kolom zijn 6 staalname-, 1 gastoevoer, 1 gasafvoer en 1 regeneratiekraantje bevestigd. Deze zijn allemaal gemaakt van PVC PN10. Onderaan op 10 cm hoogte zit een steunschijf met gaten. Hierop kan het rooster met kleine maaswijdte geplaatst worden dat ervoor zorgt dat de kool niet doorvalt tot in de toevoer en het gas evenredig verspreid over de actieve kool.

Op

verschillende

hoogtes

staan

er

kraantjes gemonteerd op de kolom. Hierdoor kan het concentratieverloop in het actieve koolbed opgevolgd worden. Bovenop de kolom vinden we een kraantje voor de regeneratie van het actieve koolbed. Hierlangs wordt het water gestuurd en verneveld om een zo gelijkmatig mogelijke verdeling te verkrijgen over het bed, zodat kanaalvorming wordt verhinderd.

Het

water

wordt

onderaan

afgelaten via het staalnamekraantje van de biogasingang. Bovenop de kolom staat er een manometer, zodat de druk in de kolom kan opgevolgd worden. Het deksel bovenaan kan losgeschroefd worden om de kolom te vullen

Fig. 8.3: kolom

met bedmateriaal. Figuur 8.3 toont een afbeelding van de kolom. De afmetingen en technische tekening kunnen gevonden worden in de bijlage b-III.

8.2 Actieve kool Er wordt gebruik gemaakt van IPEC katalytische kool type WRC-P5 actieve kool. Deze kool is een op steenkool gebaseerde gepelleteliseerde actieve kool. Het product heeft verhoogde katalytische eigenschappen, in het bijzonder voor het omzetten van zwavelhoudende componenten. Het product is al succesvol gebruikt om H2S en SO2 uit lucht om te zetten in zwavelzuur, SO3 en sulfaten. Onder bepaalde omstandigheden is het actieve kool wasbaar en regenereerbaar met water. Tabel 8.1 toont de eigenschappen van het gebruikte actieve kool. Uitgebreidere informatie kan gevonden worden in de bijlagen b-IV en b-V.

30

Tabel 8.1: eigenschappen actieve kool

bulkdensiteit

+/- 620 kg/m³

deeltjesgrootte

5 mm (bij benadering)

watergehalte

max 3 % bij verpakken

iodinenummer

>400 mg/g

asgehalte

max 15 %

hardheid

>95 %

H2S adsorptiecapaciteit

+/- 20 % m/m

8.3 Methoden 8.3.1 Staalname Er worden op 6 verschillende plaatsen stalen genomen: ingang, uitgang en 4 stalen op verschillende hoogte in de kolom om het concentratieverloop te volgen. Bij iedere staalname dient de datum en het tijdstip van staalname bijgehouden te worden. Zes parameters worden opgevolgd om de verhoudingen in het biogas op te volgen: CH4, CO2, O2, N2, CO en vanzelfsprekend H2S. De staalname gebeurt door middel van een slang aan het kraantje te bevestigen en het gas op

te

vangen

in

een

gaszak.

Enige

voorzichtigheid is aangewezen bij het nemen van het staal. Door een te grote druk kan de gaszak scheuren. Daarom moeten de kraantjes heel voorzichtig verhinderen

opengedraaid dat

er

worden.

lucht

in

Om

de

te

gaszak

terechtkomt, waardoor er verdunningen kunnen ontstaan, dient de slang voor de Fig. 8.4 staalname

staalname

eerst doorspoeld te worden met biogas. Nadien

moet er voor gezorgd te worden dat alle kraantjes opnieuw goed dicht zijn om lekken in te buitenlucht te vermijden. Dit in verband met ontploffingsgevaar en het sterke broeikaseffect van CH4. Figuur 8.4 toont de opstelling van de staalname.

31

8.3.2 Meten van parameters 8.3.2.1 Gasmeter [19] Om de waarden van de verschillende stoffen in het biogas te meten, wordt er gebruik gemaakt van de GA2000 gasmeter van Geotechnical Instruments. Met de GA2000 kan de concentratie aan CH4, CO2, O2, CO en H2S gemeten worden. Dit gebeurt voor CH4 en CO2 door een dubbele golflengte infraroodcel met een referentiekanaal. Door deze configuratie kan men interferentie van achtergrondcomponenten perfect compenseren. De O2, CO en H2S concentratie wordt gemeten met een ingebouwde elektrochemische cel. Figuur 8.5 toont de gasmeter. De bron voor de IR straling is een inerte vaste stof die elektrisch opgewarmd wordt tot 1500 à 2000 °K. De meest gebruikte bron is het Nernst filament. Die bestaat uit een gesinterde buis of staaf van oxiden zoals zirkonium, thorium en yttrium. De monochromator kan Fig. 8.5: gasmeter

een prisma of rooster zijn. Tegenwoordig maakt

men geen gebruik meer van prisma’s. Als detector worden thermische detectoren (thermokoppel, bolometer en Golaycel) en foton- of kwantumdetectoren gebruikt. Met een elektrochemische sensor wordt de partiële druk gemeten van de gassen. Met deze techniek kunnen meer dan 200 verschillende gassen gemeten worden. De lucht die gecontroleerd moet worden, diffundeert door een kunststofmembraan in het vloeibaar elektrolyt van de sensor. Enkele voordelen zijn: de lange levenduur, lage prijs, lage detectielimiet en de mogelijkheid voor continue metingen. Er zijn ook beperkingen waarmee rekening dient gehouden te worden: de sensor is niet selectief, verlies van gevoeligheid door andere gassen, verbruik van de sensor en mogelijke verstopping van de sensorinlaat door stof. In het elektrolyt bevinden zich 3 elektrodes. Een meetelektrode, een vergelijkingselektrode en een referentie-elektrode. Via een externe elektronische potentiostaat, samen met de 3 elektrodes, wordt er gezorgd voor een constante elektrische spanning tussen de meetelektrode en de vergelijkingselektrode. Bij de meetelektrode ontstaat er een elektrochemische reactie die een stroom opwekt. Deze stroom is proportioneel met de te meten gasconcentratie. Tabel 8.2 toont de nauwkeurigheid en de range van het toestel. _________________ [19] Dermaux, 2006 Dumoulin, 2007

32

Tabel 8.2: nauwkeurigheid en range van de GA 2000

Werkwijze De meter wordt aangezet en de zelftest begint. De gaszak mag nog niet aan de meter gekoppeld worden. Wanneer de zelftest ten einde is, kan de gaszak aan de meter gekoppeld worden. Vervolgens wordt het kraantje van de gaszak opengedraaid en wordt de knop voor de pompfunctie ingedrukt. De meter toont de waarden aan. Het is aan te raden een 20-tal seconden te wachten om de waarden op te schrijven. In die tijd zijn de waarden stabieler geworden. Vervolgens wordt het kraantje van de gaszak dichtgedraaid. De gaszak wordt afgekoppeld van de meter en de meter uitgezet. Wanneer het H2S-gehalte hoger is dan 200 ppm, moet er gebruik gemaakt worden van drägerbuisjes. De range van de gasmeter loopt voor H2S van 0 -200 ppm. De andere componenten kunnen nog altijd verder gemeten worden met het toestel.

8.3.2.2 Drägerbuisjes Bij deze proefopstelling wordt er gebruik gemaakt van Gastec No. 4HM gasdetectiebuisjes met een meetrange van 50 – 800 ppm.

Werkwijze Breek de uiteinden af van het buisje in de tipbreker. Steek het buisje in de pomp met de pijl op het buisje wijzend naar de pomp. Wees er zeker van dat het pomphandvat helemaal is ingeduwd. Vervolgens moeten de markeringen op het handvat en de pomp uitgelijnd worden. Trek nu het handvat helemaal uit tot het klikt op 1 pompslag (100 ml). Wacht 30 seconden en lees af. Tabel 8.3 toont de meetrange en reactie van de gebruikte buisjes.

33

Tabel 8.3: eigenschappen gebruikte drägerbuisje

8.3.3 pH meter De gebruikte pH meter tijdens regeneratie is de Hanna HI 98140.

8.3.4 Regeneratie In deze proefopstelling wordt het actieve kool geregenereerd uitsluitend met behulp van water. Hoewel geen chemicaliën gebruikt worden, is het toch raadzaam om handschoenen te dragen bij de regeneratie. Doordat het water het gecapteerde zwavel opneemt, wordt zwavelzuur gevormd.

Werkwijze Bij de regeneratie dient het water in omgekeerde stroomrichting door de kolom gevoerd te worden. De watertoevoer gebeurt via de kraan bovenop de kolom. Eerst moet er gezorgd worden dat alle staalnamekraantjes dicht zijn zodat er geen regenerans uit de kolom lekt. Vervolgens wordt het staalnamekraantje onderaan de kolom geopend waardoor het regenerans afgevoerd en opgevangen kan worden. De zuurtegraad van het uitgaande regenerans dient opgevolgd te worden. Hierbij wordt bij verschillende doorstroomde volumes de pH gemeten met een pH-meter. Een tweede parameter die opgevolgd moet worden, is de temperatuur van het gebruikte water. Een belangrijk punt is dat er voor gezorgd moet worden dat er genoeg druk op de leiding zit van het aangevoerde water zodat het water goed verspreid wordt over de gehele oppervlakte van het koolbed. Bij te weinig druk zal de verstuiver in de kolom niet voldoende werken, waardoor er kanaalvorming kan ontstaan. Hierdoor zal er geen goed contact ontstaan met de actief koolkorrels met als gevolg dat het gecapteerde H2S niet overgaat in de vloeibare fase en de regeneratie niet volledig kan doorgaan.

34

9 Resultaten 9.1 Werkingsparameters 9.1.1 Werkingsdebiet De kolom is ontworpen om te werken op een debiet tussen 0 en 5 m³/h. Daarom wordt er voor de kolom een debietmeter geplaatst. Deze heeft echter geen schaalverdeling voor het gebruik met biogas, enkel voor lucht. Om het debiet te bepalen, dient gerekend te worden met een bepaalde K-factor om het debiet van het biogas te bepalen. Aangezien biogas bestaat uit verschillende componenten, zullen er ook verschillende K-factoren zijn voor de aanwezige componenten. Deze K-factoren kunnen verkregen worden bij de fabrikant. Om praktische redenen wordt er aangenomen dat het biogas enkel bestaat uit 60 % methaan en 40 % koolstofdioxide. Als op de schaalverdeling van de debietmeter een debiet van 60 l/min aangeduid staat, kan het reële debiet als volgt berekend worden: K-factor methaan = 1,35 K-factor CO2 = 0,81 Methaangehalte = 60 % CO2-gehalte = 40 % Methaan: 60 % x 60 l/min x 1,35 = 48,6 l/min CO2 : 40 % x 60 l/min x 0,81 = 19,44 l/min Samen geeft dit voor het biogas een debiet van 68,04 l/min, omgerekend 4,08 m³/h. Dit ligt tussen de grenzen vooropgesteld van het ontwerp van de kolom. Dit debiet werd voor de hele proefperiode gebruikt.

9.1.2 Bedvolume Het bedvolume van de pilootopstelling kan als volgt berekend worden: Straal van de kolom = 7 cm Hoogte van het bed = 156 cm (de bedhoogte is gemeten vanaf de steunschijf tot bovenkant van bed) Oppervlakte van het bed = 7² x 3,14 = 153,86 cm² Dus het volume van het bed = 156 cm x 153,86 cm² = 24002,16 cm³ = 24 dm³ = 24 l

9.1.3 Contacttijd Het is heel belangrijk om ervoor te zorgen dat de contacttijd groot genoeg is voor een goede werking van de kolom. Bij een te korte contacttijd kan het biogas niet genoeg in de

35

poriën van het actieve kool binnendringen, waardoor een groot deel van de verontreinigende component H2S niet gecapteerd wordt. Bij een te lange contacttijd zal het H2S wel volledig gecapteerd worden, maar zal het debiet dat de kolom kan doorstromen veel kleiner worden. De contacttijd van de kolom, in seconde, wordt berekend door de deling van het bedvolume (l) door het gasdebiet (l/s). De contacttijd in de kolom bedraagt: Volume van actieve koolbed = 24l Gasdebiet = 1,134 l/s (=68,04 L / 60 s) Hieruit vind men een contacttijd van 21,16 seconden.

9.1.4 Werkdruk Door het debiet af te regelen met de toevoerkraantjes, werd er een gemiddelde werkdruk bekomen van 1,08 bar.

9.2 Resultaten proefreeks 1 9.2.1 Inkomende H2S concentratie In tabel 9.1 zien we de ingangsconcentraties aan H2S in het biogas. Tabel 9.1: H2S concentratie aan ingang kolom

datum

concentratie (ppm)

10/12/2007

510

14/12/2007

540

19/12/2007

1560

2/01/2008

1680

Er kan bemerkt worden dat het binnenkomende biogas een stijgende H2S-concentratie bevat. Een verklaring hiervoor is dat er minder vast materiaal aangevoerd wordt tijdens de winterperiode, doordat er minder groenafval binnengebracht wordt. Daarom worden de vergisters gevoed met vloeibaar materiaal. Dit vloeibaar materiaal bestaat hoofdzakelijk uit yoghurt, soep, dierlijke vetten enz. Dit materiaal bevat veel meer zwavelhoudend materiaal dat vrijkomt in het biogas onder de vorm van H2S.

36

9.2.2 Werkingsuren Tabel 9.2 toont de ingeschakelde uren van de kolom. Tabel 9.2: werkingsuren

datum

start

4/12/2007 7/12/2007 10/12/2007 11/12/2007 14/12/2007 19/12/2007 2/01/2008 3/01/2008

stop 9:05 13:35 14:36 8:49 13:38 10:20 9:25 8:40

aantal uur gewerkt

15:10 6:05 16:12 2:37 15:32 0:56 15:35 6:46 15:02 1:24 14:26 4:06 15:45 6:20 14:15 5:35 TOTAAL: 33 uur 49 minuten

De kolom heeft tijdens proefreeks 1 in totaal bijna 34 uur gewerkt.

9.2.3 Verloop van de H2S concentratie in de tijd De positie van de kranen op de kolom kan teruggevonden worden op de technische tekening van de kolom in de bijlage b-III. Ook de Excelsheets van de waarden zijn terug te vinden in de bijlage b-VI.

9.2.3.1 Ingang

Fig. 9.1: ingang H2S concentratie ifv de tijd

Uit figuur 9.1 kan afgeleid worden dat de ingangsconcentratie stijgt in het verloop van de tijd. De verklaring hiervoor werd al eerder uitgelegd in 9.2.1.

37

9.2.3.2 Kraan 1

Fig. 9.2: kraan 1 H2S concentratie ifv de tijd

Er kan, bij het zien van figuur 9.2, geconcludeerd worden dat als men de ingaande concentraties bekijkt (figuur 9.1) deze nauwelijks verschillen met de concentraties aan kraan 1. Dit wil zeggen dat het actieve kool hier al verzadigd is en geen H2S meer capteert. De verklaring voor de grote waarden vanaf 19/12/2007 is gegeven in 9.2.1.

9.2.3.3 Kraan 2

Fig. 9.3: kraan 2 H2S concentratie ifv de tijd

Uit figuur 9.3 kan afgeleid worden dat het actieve koolbed tot op de hoogte van kraan 2 H2S blijft adsorberen tot en met 10/12/2007. Er zijn nog open plaatsen in de poriën.

38

Vanaf de volgende data blijft de concentratie stabiel en is dit gelijk aan de ingangsconcentratie. Dit wil zeggen dat de kool verzadigd is en geen H2S meer adsorbeert.

9.2.3.4 Kraan 3

Fig. 9.4: kraan 3 H2S concentratie ifv de tijd

In figuur 9.4 kan een lichte stijging van de concentratie worden gezien tot 7/12/2007(2). Vervolgens blijft de doorgelaten concentratie aan H2S constant rond 300 ppm hangen. Dit wil zeggen dat de sectie van het actieve koolbed tussen kraan 2 en kraan 3 200 ppm van de inkomende 500 ppm opneemt, wat 40 % van de totale inkomende concentratie aan H2S is.

9.2.3.5 Kraan 4

Fig. 9.5: kraan 4 H2S concentratie ifv de tijd

39

Figuur 9.5 vertoont een lichte stijging van de concentratie aan niet-geadsorbeerde H2S tot en met 7/12/2007(2). Vanaf dan wordt de doorslag van H2S stabiel en zorgt de sectie van het actieve koolbed van kraan 3 tot kraan 4 voor het capteren van 30 % van het totaal gehalte aan ingaande H2S. Dus 70 % van het totaal wordt gecapteerd in de sectie van kraan 2 tot kraan 4.

9.2.3.6 Uitgang

Fig. 9.6: uitgang H2S concentratie ifv de tijd

Uit figuur 9.6 kan afgeleid worden dat de overige 30% van het totaal gehalte aan H2S gecapteerd wordt in de zone van kraan 4 tot kraan uitgang. Op 11/12/2007(2) en 11/12/2007(3) is er respectievelijk een doorslag van 29 en 44 ppm. Deze meting van doorslag kan te wijten zijn aan het feit dat er nog wat restjes H2S achtergebleven zijn in de gaszak van andere metingen. Een tweede mogelijkheid is dat door de gasdruk er een klein kanaaltje is gevormd doorheen het actieve koolbed waardoor biogas vrij kan bewegen en het H2S niet kan geadsorbeerd worden. Vanaf 19/12/2007 is er een grote doorslag van 300 ppm. De kolom is niet gedimensioneerd voor deze grote gehaltes aan H2S en raakt daardoor vlug verzadigd. Indien de inkomende concentratie niet zo fel zou gestegen zijn, zou de kolom nog veel langer kunnen bedreven worden zonder doorslag.

40

9.2.3.7 Besluit

Fig. 9.7: H2S concentratie ifv de tijd

Uit figuur 9.7 en uit de voorgaande figuren uit 9.2.3 kan het verloop van de verzadiging van de kolom in de tijd afgeleid worden. Het bed raakt meer en meer verzadigd naarmate de tijd verloopt. De adsorptieplaatsen raken volzet, waardoor H2S niet meer gecapteerd wordt en het verzadigingsfront opstijgt in de kolom. Als de ingangsconcentratie niet zo sterk zou stijgen, zou de kolom langer bedreven kunnen worden.

9.2.4 H2S concentratie in functie de hoogte van de kolom

Fig. 9.8: concentratie H2S ifv de hoogte van de kolom

41

Uit figuur 9.8 kan duidelijk de verschuiving van het front van H2S verzadiging door het actieve koolbed bemerkt worden. Deze golfvorm wordt frontverbreding genoemd. Deze frontverbreding is de oorzaak dat niet alle adsorbtiemiddel volledig beladen is bij kolomdoorbraak. De zone vanaf het punt waar de grafiek knikt tot aan het punt waar de concentratie 0 is, wordt de transitiezone genoemd. Een grote transitiezone verlaagt de adsorptiecoëfficiënt van de kolom. De kolom moet al geregenereerd worden terwijl deze zone nog niet volledig beladen is. Het is dus van belang om deze zone zo klein mogelijk te houden. In het ideale theoretische geval zal de transitiezone nul zijn en dus een rechte loodrecht op de hoogte van de kolom lopen. In de praktijk dient er rekening gehouden te worden met het feit dat bij een blokvormig concentratiefront eerst geen lek is en plots een doorslag gelijk aan de ingaande concentratie H2S. Sommige processen zijn zeer gevoelig voor bepaalde concentraties aan polluent. Daarom is het belangrijk de transitiezone zodanig te beïnvloeden dat de adsorptiecoëfficiënt van de kolom zo groot mogelijk is, maar dat er toch nog een kleine voorloper van het front bestaat zodat bij het meten van een kleine doorslag de operator gewaarschuwd wordt zodat die het proces kan stilleggen of overschakelen op een parallel geplaatste kolom. Dit alles is een economische afweging die gemaakt moet worden tussen zo goed mogelijk benutten van het adsorptiecoëfficiënt of het proces beschermen tegen mogelijke schade. Figuur 9.9 toont de verschillende concentratiefronten.

Fig. 9.9 verschillende concentratiefronten

9.2.5 Massabalans Vooraleer de proef uit te voeren werd het gewicht van de actieve kool bepaald. Uit voorgaande berekeningen is het bedvolume gekend, 24 l. Uit tabel 8.1 is de soortelijke

42

massa bekend, 0,62 kg/l. Uit deze 2 gegevens kan het bedgewicht bepaald worden, namelijk 14,88 kg. Na het voeren van de proef werd het bedgewicht opnieuw gewogen. Er werd 138 m³ biogas behandeld met een gemiddelde concentratie van 890 ppm. De actieve kool had een gewicht van 19 kilo. Hieruit kan gehaald worden dat het totaal geadsorbeerd gewicht gelijk is aan 4,12 kg. Dit wil zeggen dat het actieve kool 28 % van zijn eigen gewicht heeft geadsorbeerd. Volgens de cijfers opgegeven door de fabrikant in puntje 9.2 kan het actieve kool 20 % van zijn eigen gewicht adsorberen. De bekomen cijfers uit de proef tonen dat deze waarde gehaald wordt en zelfs nog 40 % verbeterd wordt. Dit getal dient met de nodige voorzichtigheid behandeld te worden, omdat uitgegaan is van het volume waarvan het gewicht berekend is en dus niet effectief gewogen is.

9.3 Regeneratie Zoals al eerder berekend in puntje 9.1.2 bedraagt het bedvolume in de kolom 24 l. Voor een goede regeneratie wordt gerekend met een wasvolume van 10 maal het bedvolume en een wastijd van 3 uur. Dit wil zeggen dat voor de regeneratie van het actieve koolbed 240 l water nodig is. Het ingaande waswater heeft een pH van 7,20 en een temperatuur van 9,6 °C. Figuur 9.10 toont het pH-verloop van het waswater in functie van het aantal liter spoelwater.

Fig. 9.10: pH verloop tijdens regeneratie

43

De pH heeft bij de eerste staalname een waarde van 6,7. Deze lagere waarde dan de pH van het ingaande water kan verklaard worden doordat het vastgezette H2S oplost in de vloeibare fase. Hierbij wordt er zwavelzuur gevormd. De pH van het water zal gedurende de regeneratie stelselmatig stijgen totdat de pH van het inkomende waswater bereikt wordt. Wanneer dit bereikt wordt, kan gesteld worden dat alle gecapteerde zwavel uit het actieve kool is verwijderd. Er kan bemerkt worden dat bij de vooropgestelde 240 l waswater, de pH van het inkomende water nog niet bereikt is. Op de grafiek kunnen we aflezen dat de pH bij 240 l, slechts 7,12 bedraagt. Een verklaring hiervoor is dat de watertemperatuur laag is. Hoe hoger de temperatuur van het waswater, hoe beter en hoe vlugger de regeneratie doorgaat. Opdat de pH van het uitgaande waswater gelijk zou zijn aan de pH van het ingaande waswater werd er 340 l water gebruikt. Dit is een derde meer dan oorspronkelijk voorzien. Volgens de fabrikant speelt de temperatuur van het waswater een zeer grote rol bij het verbruik. Bij een hogere watertemperatuur zou veel minder water nodig zijn geweest wat economisch veel aantrekkelijker is omdat ten eerste het verbruik lager ligt en ten tweede de installatie minder lang dient uitgeschakeld te worden. Nadien is het ook mogelijk om het H2SO4 te winnen uit het spoelwater door verdampen.

9.4 Resultaten proefreeks 2 9.4.1 Inkomende H2S concentratie De ingaande concentratie tijdens proef 2 bedraagt 1180 ppm. De reden van deze grote waarde is al besproken in paragraaf 9.2.1. Door deze continue hoge ingangswaarde weten we al bij voorbaat dat de kolom waarschijnlijk vlugger een doorslag van H2S zal opleveren daar deze niet gedimensioneerd is hiervoor.

9.4.2 Werkingsuren Tabel 9.3: werkingsuren

datum 4/02/2008 5/02/2008 6/02/2008 7/02/2008

start

stop 8:29 8:15 8:19 8:18

15:32 15:35 15:08 15:40 totaal

aantal uur gewerkt 7:03 7:20 6:49 7:22 28 uur 34 minuten

De kolom heeft tijdens proefreeks 2 in totaal 28 uur en 34 minuten gewerkt.

44

9.4.3 Verloop van de H2S concentratie in de tijd 9.4.3.1 Kraan 1

Fig. 9.11: kraan 1 H2S concentratie ifv de tijd

Uit figuur 9.11 kan afgeleid worden dat de doorgelaten concentratie nagenoeg constant blijft en even groot is als de ingaande concentratie. Hieruit kan besloten worden dat het actieve koolbed tot kraan 1 volledig verzadigd is met H2S en dus niets meer adsorbeert.

9.4.3.2 Kraan 2

Fig. 9.12: kraan 2 H2S concentratie ifv de tijd

45

In figuur 9.12 kan bemerkt worden dat in het begin een deel van het H2S geadsorbeerd wordt, meer bepaald 28 % van de totaal inkomende ppm-concentratie. Naargelang de tijd vordert, kan gezien worden dat de doorslagstroom steeds groter wordt en het gecapteerde deel nog slechts 7 % bedraagt op het einde. De stijging van de doorslagstroom toont aan dat de sectie van het actieve koolbed van kraan 1 tot kraan 2 aan het verzadigen is.

9.4.3.3 Kraan 3

Fig. 9.13: kraan 3 H2S concentratie ifv de tijd

Uit figuur 9.13 kan afgeleid worden dat in het begin nog 58 % van de totale ingaande concentratie H2S geadsorbeerd wordt. In de loop van de tijd stijgt de doorslag in de sectie van kraan 2 tot kraan 3 tot 860 ppm, met gevolg dat maar 27 % gecapteerd wordt. Ook hier kan gezien worden dat het bed aan het verzadigen is in de sectie van kraan 2 tot kraan 3.

46

9.4.3.4 Kraan 4

Fig. 9.14: kraan 4 H2S concentratie ifv de tijd

In figuur 9.14 kan de stijgende lekstroom waargenomen worden. In het begin wordt er nog 75 % van de totale H2S ppm-concentratie geadsorbeerd. In de loop van de tijd daalt de adsorptie tot 37 %. Dit wijst er opnieuw op dat het bed langzamerhand aan het verzadigen is.

9.4.3.5 Uitgang

Fig. 9.15: uitgang H2S concentratie ifv de tijd

47

In figuur 9.15 krijgen we doorslag vanaf 5/02/2008, 1 dag na de opstart. De forse stijging van de lekstroom in de volgende dagen wijst er op dat de kolom volledig verzadigd is. De kolom krijgt een hogere concentratie te verwerken dan waarvoor deze gedimensioneerd is.

9.4.3.6 Besluit

Fig. 9.16: H2S concentratie ifv tijd

Figuur 9.16 toont het verloop van de verzadiging van het bed. Er kan bemerkt worden dat het bed vlugger verzadigd raakt dan bij de eerste proefreeks. Hierop wordt verder ingegaan in paragraaf 9.4.4.

9.4.4 H2S concentratie in functie de hoogte van de kolom

Fig. 9.17: concentratie H2S ifv de hoogte van de kolom

48

Uit figuur 9.17 kan afgeleid worden dat de kolom bijna direct verzadigd is na starten. Drie mogelijkheden zijn mogelijk. Een eerste reden is dat de concentratie van het ingaand debiet te hoog is volgens de dimensionering van deze kolom. De kolom werd ontworpen om te werken met biogas met een gemiddeld H2S gehalte van 500 ppm. In deze testreeks bedraagt het gemiddelde ingaande H2S gehalte 1180 ppm. Dit is ruim dubbel zoveel. Een tweede mogelijkheid is dat de regeneratie niet zo goed verlopen is. Het kan zijn dat door een te lage watertemperatuur of een te klein wasvolume de kolom niet goed is geregenereerd. Een derde mogelijkheid is het mogelijke feit dat het water in de kool blijft zitten en de bindingsplaatsen bezet, waardoor H2S niet meer goed opgenomen kan worden. Het kan zijn, bij de koudere buitentemperaturen tijdens de stageperiode, dat de actieve kool niet voldoende heeft kunnen drogen en hierdoor vlugger verzadiging optreedt omdat de adsorptieplaatsen bezet zijn met water. Met een betere droging kan mogelijks betere resultaten behaald worden.

9.5 Problemen bij uitvoeren proef De proeven werden uitgevoerd in de winterperiode. Er werd ondervonden dat de kolom gevoelig is aan vriestemperaturen. Het is voorgevallen dat de kolom een week bevroren was en daardoor niet bruikbaar. Een tweede factor die voor problemen zorgt, is de wind. Door vibraties veroorzaakt door de wind is de aansluiting van de biogasingang van de kolom afgebroken. Daarom is het aan te raden om de kolom in een beschutte vorstvrije plaats te zetten, zoals bijvoorbeeld een container. Het zou ook beter zijn dat de kolom gemaakt werd in inox. Dit is beter bestand tegen hoge temperaturen. De PVC kolom gebruikt voor de proef is niet zo goed bestand tegen hoge temperaturen en kon dus niet vlak na de compressoren geplaats worden. Er moest dus een alternatieve plek gevonden worden om te plaatsen. Uiteindelijk bleek de beste plek bovenop de vergister te zijn, omdat daar het biogas de laagste temperatuur had. Hierdoor werd de kolom blootgesteld aan de grillen van de natuur met de gegeven gevolgen vandien.

9.6 Voorstel IVVO Indien IVVO deze techniek zou willen gebruiken, is het aan te raden om te werken met een parallelsysteem. Wanneer de ene kolom aan het regenereren is, kan de tweede kolom H2S capteren waardoor een continue zuivering van het biogas verzekerd wordt. Bij de dimensionering van de kolommen dient er rekening gehouden te worden met de

49

schommelingen van de H2S concentratie. De oorzaak hiervan is dat het GFT afval onderhevig is aan de seizoenen. Tijdens de wintermaanden komt er minder GFT binnen, waardoor dit aangevuld dient te worden met organisch bedrijfsafval, dat veel meer zwavelhoudend materiaal bevat. Hierdoor ontstaan piekconcentraties aan H2S. Daarom is het belangrijk de kolommen voor een deel te dimensioneren op deze piekconcentraties zodat de motoren vrijgehouden worden van het corroderende H2S. Economisch gezien moet er een afweging gemaakt worden wat het voordeligst is: de kolommen dimensioneren op deze piekconcentraties of het onderhoud van de motoren nauwgezetter volgen en de kolommen dimensioneren op de gemiddelde belasting. De kolommen zelf kunnen het best uitgevoerd worden in inox zodat deze beter bestand zijn tegen hogere temperaturen dan PVC. Het is ook aan te raden om de kolommen in een vorstvrije en van de elementen beschermde plaats te zetten zoals bv. in een container. Indien bij de regeneratie water wordt gebruikt, is het economisch rendabeler om water te gebruiken dat vanuit het proces komt, dan om leidingswater te gebruiken. Het zuivere water bekomen van de evaporator zou hier nuttig gebruikt kunnen worden. Een tweede voordeel van het parallelsysteem is dat na de regeneratie, de actieve kool de tijd krijgt om volledig te drogen zodat er geen water meer in de poriën zit van de actieve koolkorrels. Het spoelwater dat bekomen wordt na regeneratie bevat zwavelzuur. Een mogelijkheid is om het zwavelzuur uit het spoelwater te winnen en te hergebruiken in het proces zoals bv. in de waterzuivering om de pH te regelen. Om na te gaan of deze investering rendabel is, moet er een afweging gemaakt worden tussen de onderhoudskosten van de motoren en de aankoop van zwavelzuur enerzijds en de onderhoudskosten en werkingskosten van de kolommen anderzijds door middel van een economische studie.

10 Besluit De H2S verwijdering door middel van adsorptie op actieve kool toont goede rendementen. Het H2S wordt goed gecapteerd op de kool. De actieve kool kan gemakkelijk 20 % van zijn eigen gewicht aan H2S capteren. Er dient echter bemerkt te worden dat deze opstelling niet zo goed bestand is tegen wisselende concentraties, vooral ten opzichte van seizoens- en materiaalgebonden piekconcentraties. Daarom is het ook aan te raden, wanneer gewenst is dat er geen H2S meer in het biogas overblijft, om deze techniek enkel toe te passen bij processen waarbij de aard en het zwavelhoudend materiaal van het inkomend organische materiaal redelijk gelijk blijft en daardoor ook een stabiele

50

concentratie aan H2S in het biogas aanwezig is. Bij sterk wisselende voedingsstromen en daaruitvolgende H2S concentraties, is het zeer moeilijk om de kolom te dimensioneren. Bij de regeneratie van het actieve kool kan bemerkt worden dat de temperatuur en de hoeveelheid waswater een belangrijke rol spelen. Hoe warmer het water, hoe beter de regeneratie en dus hoe minder waswater nodig. Een goede droging na de regeneratie is ook van groot belang. Als de actieve kool nog nat is, zitten de macroporiën nog vol met water waardoor het H2S niet kan binnendringen in de kool en niet gecapteerd wordt op het oppervlak. De techniek met actieve kool kan gebruikt worden in IVVO om het biogas te zuiveren dat naar de motoren gaat. Hierdoor worden de motoren minder belast met het corroderende H2S. Het H2S tast de warmtewisselaars en de cilinderwanden van de motor aan. Het is echter moeilijk om de kolom te dimensioneren omdat het inkomend organisch materiaal sterk seizoensgebonden is. Hierdoor ontstaan er piekconcentraties aan H2S in het biogas. De plaatsing van de kolom is vooral een economische afweging. Er moet gekeken worden of de investeringskost en de werkingskosten van de kolom met actieve kool te rechtvaardigen zijn ten opzichte van de onderhouds- en werkingskosten van de motoren veroorzaakt door het H2S. Als de kosten van de motoren te overzien zijn, is het niet echt rendabel om de kolom te plaatsen. Er zijn echter mogelijkheden om de werkingskosten van de kolom te verlagen. Er kan bv. gebruik gemaakt worden van gezuiverd proceswater om de kolom te regenereren. Hierdoor kan de werkingskost van de kolom verlaagd worden.

51

Literatuurlijst Blischke, Joerg, ‘Combining anaerobic digestion with enclosed tunnel composting’, Biocycle, april 2004 Harasimowicz M. et al., ‘Application of polyimide membranes for biogas purification and enrichment’, Journal of Hazardous Materials, (2007) Platteau, Wouter, Chemie en microbiologie van de anaërobe vergisting, Beschikbaar op het World Wide Web: http://www.biogas-e.be/Pdf/chemie.pdf , [04/04/2007] ODE-Vlaanderen, Vergisting: omzetting van biomassa in een energierijk gas, Geers, 2006, Beschikbaar op het World Wide Web: http://www.biogas-e.be /Pdf/BIM1_Vergisting_ LR.pdf, [05/04/2007] Carels, Johan, Biogas, 2004, Beschikbaar op het World Wide Web: http://www.ecoflanders.com /files/Biogas_nl.pdf, [09/04/2007] Wellinger A. en Lindberg A., Biogas upgrading and utilisation, Beschikbaar op het World Wide Web: http://www.recyclenow.org/Report_IEA_Bioenergy_1MB.pdf , [18/04/2007] Jönsson O. en Persson M., Biogas as transportation fuel, Beschikbaar op het World Wide Web: http://www.fv-sonnenenergie.de/publikationen/02_d_biogas_01.pdf ,[18/04/2007] VITO, H2S-verwijdering,2001, Beschikbaar op het World Wide Web: http://www.emis.vito.be/afss/fiches/technieken/mest%20-%20h2s-verwijdering.pdf ,[05/04/2007] VITO, Basische wasser, 2001, Beschikbaar op het World Wide Web: http://www.emis.vito.be/Luss/techniekbladen/techniekblad_24_basische_wasser.pdf ,[09/04/2007] Knight A., Gas Adsorption, 1994, Beschikbaar op het Worlds Wide Web: http://www.chem.ufl.edu/~itl/4411L_f00/ads/ads_1.html ,[04/05/2007] VITO, Gaswassing Algmeen, 2001, Beschikbaar op het World Wide Web: http://www.emis.vito.be/Luss/techniekbladen/techniekblad_22_gaswassing_algemeen.pdf ,[02/05/2007] Dumoulin Ann, Spectroscopische analysen, Spectroscopie, Howest departement PIH, Kortrijk, Cursoa, 2006 Dermaux An, Luchtkwaliteitsmetingen Deel I en II, Luchtbehandeling, Howest departement PIH, Kortrijk, Cursoa, 2006 Dumoulin Ann, Chromatografie, Chromatografie, Howest departement PIH, Kortrijk, Cursoa, 2007 Dejans Pascal,Chemische engineering I, Howest departement PIH, Kortrijk, Cursoa 2007

V X