Anaerobe verwerking van tuinbouwafval: Vergelijking van drie alternatieven

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

I

1 I

I

~-I

laboratorium voor Chemische Technologie

I _{Verslag behorende} bij het fabrieksvoorontwerp

van

onderwerp:

---w-~.g~kiJk.i:rJ..g--v.an.--drie.--al:t;-?-makie.wrn.----

----adres: Oudraadtweg 17 Delft 015-121073 J.v.Beierenlaan 19 Delft 015-135958

-oPdrachtdr um: jan. 1982 verslagdatum : juni 1982

Op- en aanmerkingen op het verslag behorende bij het fabrieksvoor-ontwerp 'Anaerobe verwerking van tuinbouwafval' , gemaakt bij de bespreking op 13 augustus 1982

1. In het proces is een hamermolen opgenomen om het tuinbollHafval in stukken te snijden. Een hamermolen kan echter geen tuinboU\vafval snijden. Voor 'hamermolen' dient 'hakselaar' gelezen te ,vorden. 2. De opslag van biogas kan wellicht beter bij een druk lager dan 17,2

bar. Voor een optimale keuze zijn meer gegevens nodig (kosten bij verschillend volume en bij verschillende druk). Uit lit 9 blijkt dat bij een druk tot 17,2 bar nog geen extra maatregelen nodig zijn. 3. Het is wellicht zinvol het gas uit de verzuringsreaktor niet door

de upflowreaktor te leiden, daar dit gas vrijwel alle veron treini-ging bevat (H

2S, NH3). Het gas kan apart gereinigd worden, waarna het alsno~ door de upflowreaktor geleid kan worden.

4. Het (gereinigde) gas uit de verzuringsreaktor hoeft niet door de upflowreaktor geleid te worden. Het gas kan beter direkt gebruikt worden, daar waterstof een hogere verbrandingswaarde heeft dan methaan.

5. De tijdschakelaars die in de stroomschema's zlJn opgenomen dienen vervangen te worden door nivoschakelaars.

6. Het schakelschema op blz. 10, voor het overpompen van circulatie~ater bij het opstarten, is fout. Er worden twee stromen met een versc

hil-lende druk bij elkaar gebracht, wat niet kan.

7. Het. opwarmen van het tuinbouwafval in de verzuringsreaktor moet zo snel gebeuren dat er geen koud circulatiewater uit de verzurings-reaktor in kontakt kan komen met de temperatuurgevoelige methaan-bakteriën.

8. Voor randapparatuur 1S veel meer dan 30% van de investeringskosten nodig. Ook 10% voor rente en afschrijving is te weinig.

9. Bij het opstellen van de \varmtebalansen is de extra warmte die ge-bruikt \vordt door de verdamping van ,.;rater niet meegenomen in de be-rekeningen.

10. In de ontwerpberekeningen is aangenomen dat de reaktie naar azijn-zuur volledig in de verzuringsreaktor plaatsvindt. Dat wil zeggen dat de instroom van de upflowreaktor geen tussenprodukten van de verzuring bevat.

]1. Bij de stoomvoorbehandeling wordt gewerkt met verzadigde stoom van 2200C. De druk hierbij is 30 bar.

12. In het ontwerp is uitgegaan van een ideaal werkend systeem. In prak-tijk zal een kontrole van de COD-belasting van de spuistroom nodig

zijn, evenals een nabeluchting.

•

•

•

I

•

I

I I

•

•

•

•

•

I

.

•

Samenvatting

Dit fabrieksvoorontwerp behandelt de verwerking van tuinbouwafval.

Deze verwerking is een alternatief voor het dure storten van het

afval. Er zijn drie uitvoeringen uitgewtkt: de batch, de

semikonti-nue en de kontisemikonti-nue installatie. De eerste is een decentrale, beide

andere een centrale verwerking.

De kapaciteit van de drie alternatieven 1S berekend op basis van het

tuinbouwafval dat 1n het Westland geproduceerd wordt. Dit is 50.000

ton per jaar gedurende de maanden juni tot en met december.

De produkt en van het proces zijn kompost en biogas. Een deel van het

biogas kan in het proces gebruikt worden.

Het proces bestaat uit twee stappen: de hydrolyse en de zuurvorm1ng,

die beide in de verzuringsreaktor(en) plaats vinden en de

methaan-vorm1ng 1n een anaerobe upflowreaktor.

Een recent gepubliceerd kinetiekmodel voor de afbraak van cellulose

is gebruikt voor de berekening van de afbraaksnelheid van het

tuin-bouwafval. Een methode om de hydrolyse snelheid te verhogen is een

stoomvoorbehandeling. Deze wordt toegepast in het kontinue proces.

De proelInstallaUe voor bilt wliJnen nn biogas rilt lIfvaI. Babl6 bdriJls-leider Koelevdd. De aldekJcJng van de afvalkrlll beGInt door de vorming

na pIS al op te bollen.

D~

heer F

.

J.M

.

Koeleveld, bedrijfsleider

van het Delftse

vuilverwerkingsbedrijf

Zegwaard, loopt er op een

meeslepende wijze warm

voor. Enthousiast vertolkt

hij het mogelijke belang

van het biogas-project

"We staan aan de vooravond van een totaaloplossing voor het

huis-vuilprobleem, het antwoord op een

gigantisch vraagstuk", zegt hij.

"Voor vijftig procent hebben we ~it

antwoord al gegeven door een in

-stallatie die het doet".

De helft' van Qns huishoudelijk af-val, het organische gedeelte, kan namelijk energie leveren in de

vorm van biogas. Het biosga

s-'project startte m,et afval uit de

tuin-,bouw. '

Het Westland produceert jaarlijks

50.000 ton tuinbouwafval. Nog ligt

éen bron van twaalf miljoen kuub biogas nutteloos te verrotten. KoeI

e-veld: "Het is probleemafval, te nat voor verbranding en als organisch

materiaal ongeschikt voor open

stortplaatsen ,vanwege de ,stank. De tuinders laten het liggen aan de slootkant. Langzaam zakt het met . virussen en al in de sloot. Buurman beregent zijn gewàssen uit dezelfde sloot en het. probleem is geboren".

Het Instituut voor Bewaring en Verwerking van Landbouw!)rOduk-ten (IBVL) kreeg van de EEG op-dracht iets uit te vinden om op een

milieuvriendelijke manier van tuin

-'bouwafval af te raken. Dat lukte de Wageningers, die er eerder in wa-ren geslaagd vast afval anaeroob

(zonder behulp van zuurstof) te ver

-gisten. In h~t laboratorium wisten

zij gas te winnen uit bieten pulp. aardappelpulp en uien. Wat compost bleef over.

Koeleveld: "Wij waren toen bezig te bekijken wat we konden doen met

het huisvuil. Het kwam tot een ont

-moeting en een onmiddellijke verlo

-ving, gevolgd door een huwelijk".

Proefinstallatie

Zegwaard, een bedrijf dat ~r jaar

250.000 tot 300.000 ton vuil

ver-plaatst, zag namelijk een

grootscha-lige toepassing voor het Westla~d

wel zitten. Zo kreeg het IBVL een financier van buiten; noodzakelijk om ook overheidssubsidie te ver-krijgen voor een groter opgezet praktijkonderzoek. Van de

benodig-de 1,6 miljoen gulpen namen IBVL,

Zegwaard, de EEG en het ministe-rie voor volksgezondheid en mi-lieuhygU!ne elk vier ton voor hun

reken,ing. '

Nu is dan op Rijswijks grondgel>ied,

randje Westland tegen Delft aan;

een proefinstallatie in bedrijf voor het winnen van biogas uit tuinbou-wafval. In juni fing er de eerste vracht tomatenlo in. Vanaf het be-gin liep alles naar wens. Ook naar de mening van de 'zware jongens', zoals Koeleveld ze typeert, in de be-geleidingscommissie.

De installatie voor bet biogas be-staat uit een gasdicht afgesloten

af-valkuil, voedingstanks eR

hulpva-ten. Bij een constant gehouden

tem-peratuur van 35°C zorgen methaan-'

bacteriën voor de gisting. Eén kilo vast afval (slechts' eenachtste deel van het afval is vast, de rest is wa-ter) levert een halve kubieke meter aan methaan verwant biogas op. dat zeer geschikt is voor de verwarming

van de kassen.' Twintig procent

blijft na gisting over als compost. Voor de compost hebben vooral

ge-meentelijke plantsoenendiensten

belangstelling getoond. De tuinders zelf zijn nog wat bang voor virussen in de meststof. In proeftuinen zal

door Mark Glotzbach

moeten blijken of er inderdaa~

ziekteverwekkers zijn die het gis-tingsprooes overleven.

Het hele experiment, dat steeds uit

-gebreider vorm aanneemt, zal drie jaar duren.

Huisvuil

Een installatie die alleen

tuinbou-wafval omzet in gas en compost zou

het halve jaar stilliggen. Koeleveld: "Dat legde ons eigenlijk de ver-plichting op verder te zoeken in de

richting van huisvuilscheiding.

Huisvuil bestaat voor de helft uit organisch materiaal. Verwerking

daarvan zou het gat tussen

decem-~r en juni kunnen vullen. Dan is

er immen geen aanbod van afval

uit de kassen. Het totaal komt dan

neer op honderdduizend ton afval.

Precies de hoeveelheid die bet

sa-Experiment

met biogas

in Westland

Tuin-

bouw-afval

kan

kassen

ver-,

warmen

menwer)dngsgebied Zuid-Holland 2

in de toekomst geacht wordt te

ver-werken. Het gaat daarbij Om Den

Haa~, Rijswijk, Delft en het West-land '.

Het lijkt bedrijfsleider Koeleveld nauwelijks een moeilijkheid in het Westland de paar hectare grond te vindim die nodig is voor vestiging

, van een biogasfabriek met die

capa-citeit. Het opzetten van het bedrijf zou een investering van rond vijf-tien miljoen vergen.

Huisvuil bevat veel rijkdommen.

Van de metalen, 3 procent, wisten we het al. Uit maat liefst 30 procent van het afval.lcan een goede

brand-stof worden gemaakt. En zelfs met

de harde kunststoff,n valt nog wat

goeds te doen. Verbranding, waarbij

ook de zo gevreesde PVC's in de at .. ~osfeer kunnen raken, hoeft niet meer .

. Koeleveld: "We zijn hierover ,al

,doo., de gemeente Den Haag

bena-derd in verband met de gescheiden inzameling van plastic. Mogelijk is

wellicht van het gebruikte plastic

een minder hoogwaardig produkt te maken; halffabrikaten waar de plastlc-verwerkende industrie wat aan beeft".

"We moeten beseffen dat het met . de stor1~laatsen op z'n eind, loopt.

-Eil dat 15 een goed ding. Maat je

moet de bevolking blijven motive-ren. En dat kan álleen als je

aan-toont dat er iets nutti&s !liet' afval

kan wozden gedaan". '

,

~~---~--._---~-.--~~----~---~

~

-~

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Konklusies

Het tweetrapsproces voor de verwerking van tuinbouwafval is rendabel. Het geproduceerde biogas lS ruim voldoende om het systeem te

onder-houden; ook met een stoo~~abehandeling varr de geproduceerde kompost

is er een netto energieproduktie.

2 Voor de batch en de semikontinue processen lS

40%

van de ge

produceer-de warmte in het proces nodig, voor produceer-de kontinue uitvoering is dit

50

%

.

3 Van de benodigde warmte in de drie processen lS steeds de meeste

e-nergle nodig voor het stomen van de kompost.

4

De warmtewisselaars in de batch en de semikontinue uitvoeringen ZlJn

voornamelijk nodig voor de opwarming van het inkomende tuinbouwafval.

5

Van de geproduceerde elektriciteit lS ln elk van de alternatieven

on-geveer

46%

nodig voor het proces.

6

Van de benodigde elektriciteit in de drie processen is verui de

mees-te energie nodig voor de kompressoren, die het gas op een druk van

17,2 bar brengen. Het benodigde vermogen kan gereduceerd worden,

om-dat een gedeelte van het gas (29 of

36%)

direkt in het proces nodig

lS voor verwarming.

7

Het ekonomisch rendement van de drie systemen verschilt. De

terug-~~~1\

verdientijd van de investeringen, de reciproke van de Return On

In-~\v vestment, bedraagt voor de batch

14,

voor de semikontinue

45

en voor

de kontinue installatie 21 Jaar.

8

De decentrale, batch gewijze verwerking van tuinbouwafval blijkt de

meest voordelige.

9

Een belangrijk nadeel van de centrale verwerkingsinstallaties zlJn de

hoge transportkosten van het tuinbouwafval. Deze kunnen met een

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Knelpunten

Het fabrieksvoorontwerp berust voornamelijk op resultaten van labora-toriumexperimenten. Dit geldt voor het kinetiekmodel en gedeeltelijk voor het opstroomkarakter van de verzuringsreaktor. Bij sproeien van water zijn voorkeurskanalen gekonstateerd, hetgeen waarschijnlijk voorkomen wordt bij het onderlangs invoeren van de vloeistofstroom.

Voor er tot een definitief ontwerp wordt overgegaan, moeten er nog

experimenten met een proeffabriek verricht worden.

2 Er is niet gekeken naar de nabehandeling van biogas. Het ontstane waterstofsulfide zal uit het gas verwijderd moeten worden, dit zal kosten met zich meebrengen en een afvalstroom opleveren.

Het lS gezien het relatief grote benodigde vermogen voor de

kompres-sor en het benodigde volume voor de gasopslag, wellicht rendabel om

het kooldioxide (gedeeltelijk) uit het biogas te verwijderen.

3 Door een vijfdaagse werkweek aan te nemen voor de semikontinue uit-voering ontstaan in een week schommelingen in de COD-afbraak tot 20%.

Hierdoor loopt de belasting van de upflowreaktor op tot

27,5 kg COD/m3 reaktor. dag. Als de reaktor dit niet kan verwerken,

kan de spui COD bevatten. Een recirculatie van de spui door de

up-flowreaktor op dagen met een lage belasting is dan te overwegen.

4

De installatie is slechts een half jaar in gebruik. Om de kapaciteit

volledig te benutten is onderzoek nodig naar de afbraak van ander organisch afval.

r

-•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Inhoudsopgave TInleiding 2 Uitgangspunten 2.1 Kapaciteit 2.2 Grond- en hulpstoffen 2.3 Produkten 2.4 Veiligheid 3 Theorie 3.1 De reakties

3.2 Kinetiek van de celluloseafbraak

3.3

Het stoomeffekt

4

Beschrijving van het proces

4.1 Batch uitvoering

4.1.1 Beschrijving van het proces

4.1.2 Keuze en berekening van de apparatuur 4.1.2.1 Pomp en kompressor 4.1.2.2 Warmtewisselaar 4.1.2.3 Reaktoren 4.1.2.4 Molen 4.1.3 Massa- en warmtebalans 4.1.4 Apparatenlijsten

4.2 Semi kontinue uitvoering 4.2.1 Beschrijving van het proces

4.2.2 Keuze en berekening van de apparatuur 4.2.2.1 Pomp en kompressor 4.2.2.2 Warmtewisselaar 4.2.2.3 Reaktoren 4.2.2.4 Overige apparaten 4.2.3 Massa- en warmtebalans 4.2.4 Apparatenlijsten 4.3 Kontinue uitvoering

4.3.1 Beschrijving van het proces

4.3.2 Keuze en berekening van de apparatuur

3

3

3 4 4 5 5

6

8 9 10 10 11 11 12 12 13 13 17 23 23 24 24 24 24 25 25

28

33

33

34

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

4.3.2.1

Pomp en kompressor

4.3.2.2

Warmtewisselaar

4.3.2.3

Reaktoren

4.3.2.4

Overige apparaten

4.3.3

Massa- en warmtebalans

4.3.4

Apparatenlijsten

5

Energierendement van de drie alternatieven

5.1 Batch uitvoering

5.2 Semi kontinue uitvoering

5.3

Kontinue uitvoering

6

Ekonomisch rendement van de drie alternatieven

6.1

Kostenbalans batch uitvoering

6.2 Kostenbalans semi kontinue uitvoering

6.3

Kostenbalans kontinue uitvoering

7 Symbolenlijst

8

Literatuurlijst

Bijlage I De komponenten van tuinbouwafval

11 Fysiologische eigenschappen van biogas

34

34

34

35

35

38

43

43

44

44

45

45

46

46

47

48

111 De resultaten van een laboratoriumexperiment vergeleken

met de aannamen

IV De"stoomvoorbehandeling

V De afbraakkurven van cellulose en tuinbouwafval met en zonder

stomen

VI Toelichting rekenprogramma celluloseafbraak

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Inleiding

Het idee van tuinbouwafvalvergisting in een tweetrapsproces lS

af-komstig van de Hr. B.A. Rijkens van het IBVL in Wageningen (lit.1).

In deze tijd, waarin grondstoffen schaars, energie duur en het

af-valprobleem groot lS komt er steeds meer belangstelling voor

recy-cling. Zo kan ook dit proces gezien worden. Het afval van de

tuin-bouw is een groot probleem. Tot nu toe wordt het verbrand, wat

moeilijkheden met zich brengt door de hoge vochtigheidsgraad van

het afval, waardoor er grote temperatuurfluktuaties in de

ver-brandingsovens optreden. Een andere manier om van het afval af te

komen is storten van het afval, wat problemen geeft met

ruimte-beslag en stank. Het konventionele anaerobe komposteringsproces

lS geen oplossing vanwege de maximale droge stof konsentratie van

( 10% die daarbij mogelijk is, tuinbouwafval heeft een droge stof

) konsentratie van 20% en zou dus sterk verdund moeten worden.Door

het proces in twee stappen te splitsen wordt dit voorkomen: in

de verzuringsreaktor vinden de hydrolyse en de verzuring plaats, ln

de upflowreaktor de methaanvorming. 'Door deze splitsing is het ook

mogelijk de beide processtappen te optimaliseren: in de eerste

re-aktor is een lagere pH wenselijk en een lagere temperatuur mogelijk

dan in de tweede reaktor.

Het reaktiemechanisme is tamelijk komplex. De grondstof lS niet

een-duidig te definiëren, maar bestaat uit een groot aantal

verschillen-de polymeren, zie bijlage I. De te onverschillen-derscheiverschillen-den reaktiestappen zijn

ln grote lijnen: hydrolyse van de polymeren, zuurvorming (vnl.

a-zijnzuur) en methaanvorming.

De komponenten hebben elk een verschillende COD (Chemical Oxygen

De-"mand) waarde. Dit geeft aan hoeveel-zuurstof per'komponent nodig lS

voor verbranding. Te onderscheiden zijn de CODtot~ de waarde bij

volledige verbranding en de COD

d, , de waarde van de COD die door de

_ _ 19

mikroörganismen kan worden vrijgemaakt. Het verschil wordt

veroor-zaakt door lignine, dat niet anaeroob afbreekbaar is (lit.1).

Lig-nine zorgt tevens voor afscherming van een deel van de~- en

hemi-cellulose. Dit alles wordt in rekening gebracht door 1) de COD-waar~

de van lignine niet bij de COD

d19 , -waarde te tellen, 2) de

COD-waar-de van een aan COD-waar-de lignine equivalente massa~ en hemicellulose niet

bij de COD

d19 . -waarde te tellen.

.... (\

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Door het proces wordt de natuurlijke afbraak versneld. De in het

af-val aanwezige pathogene organismen zullen na afloop van het proces .

voor een groot deel verdwenen zijn, omdat ze ten opzichte van de in het proces betrokken organismen in een ongunstige situatie verkeren-In de literatuur is niets te vinden over dit nieuw ontwikkelde

twee-traps proces (waarvoor in 15 landen oktrooi is aangevraagd). Wel lS

er onderzoek gedaan naar de afbraaksnelheid van de verschillende komponenten (lit.2,3) en een eventueel mogelijke versnelling van de afbraaksnelheid. Als snelheidsbepalende stap wordt veelal de hydro-lyse gezien (lit.4). Versnelling van deze stap kan gerealiseerd worden door een zure of een enzymatische voorbehandeling of door

stomen. De zuurbehandeling veroorzaakt een afvalstroom en de

enzyma-tische hydrolyse is nog steeds te duur (lit.6); voor stomen is

ener-gie nodig die betrokken kan worde~uit de gasproduktie van het

pro-ces. Men is al langere tijd bezig met het verbeteren van de

voe-t~ingswaarde van houtachtig afval met behulp van het stoomproces

(lit.7~8). Een bijkomend voordeel van het stomen is het doden van

de aanwezige pathogenen. Tot nu toe is dit een dusdanig probleem,

dat tuinders geen kompost uit hun eigen gebied afkomstig, willen

gebruiken. Dit uit vrees voor de anwezigheid van pathogenen.

Een maat voor de kwaliteit van het in het proces gevormde kompost

is de C/N verhouding. Een lage C/N verhouding betekent een goede

vruchtbaarheid. Het in het proces gevormde biogas kan het systeem van voldoende elektriciteit en warmte voorzien; er is zelfs een net-to produktie aan energie.

Het proces is ontworpen voor de afbraak van tuinbouwafval. Dit wordt echter gedurende slechts een half jaar (juni tot december) geprodu-ceerd.Voor een betere efficiëntie zou onderzocht moeten worden of de installatie ook de andere helft van het jaar benut kan worden. Door de lage energie- en substraatbehoefte voor de anaerobe

mikroörganis-men bij lage temperatuur is het mogelijk het proces enige maanden

stil te leggen.

In het ontwerp is vooral aandacht besteed aan de kinetiek van het proces. Met behulp van een model voor de afbraak van cellulose en aannamen voor de afbraak van andere komponenten is de afbraakkurve van tomatenloof, veruit de grootste fraktie van het tuinbouwafval, berekend.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

L

Ook lS het effekt van een stoomvoorbehandeling op het afbraak pro-ces berekend.

Er zijn drie alternatieven uitgewerkt. Een kleinschalige,decentrale uitvoering,waarin het afval bij de tuinders zelf verwerkt wordt. Het tweede alternatief lS een centrale, semikontinue verwerking. Bij het derde alternatief, de kontinue uitvoering, wordt met een stoomvoor-behandeling gewerkt.

2 Uitgangspunten 2.1 Kapaciteit

Het aanbod van tuinbouwafval is niet over het hele jaar gespreid. In de maanden juni tot en met december wordt er 50.000 ton

aange-3 voerd. De soortelijke massa van dit materiaal is 0,15 ton/m . Het is afkomstig uit broeikassen uit het Westland.Als een kas wordt ge-schoond komt er 80 m3 afval uit. De verwerking van het tuinbouwaf-val is ontworpen -op een kapaciteit van 50.000 ton in 24 weken. Dit

lS

6

weken korter dan de aanvoerperiode, zodat piekbelastingen ln de aanvoer te verwerken zijn.

Voor het batch alternatief is uitgegaan van een kapaciteit van 80 m3 per cyclus. Voor de semikontinue uitvoering is het uitgangspunt de vijfdaagse werkweek, .waardoor er 10 cycli per twee weken zijn.

2.2 Grond- en hulpstoffen

n

t (

3 Het tuinbouwafval heeft een soortelijke massa van 0,15 ton/m . Het soortelijkgewicht van het materiaal is 1,1 ton/m3. Het droge stof gehalte is 20%, de samenstelling is weergegeven ln bijlage I.De temperatuur van het afval is op 15Q

C gesteld. Tijdens het proces komt water vrij. Bij de batch uitvoering moet water worden toege-voerd. Deze watertoevoer is nodig om de volumevermindering door re-aktie te kompenseren. Het water komt vrij bij het legen van de reak-tor. Er is een kontinue watercirculatie; omdat er water gespuid wordt is er een verversing van het circulatiewater. De hoeveelheden circulatiewater zijn voor de batch, semikontinue en kontinue

instal-latie achtereenvolgens: 28,4900 en 4500 m3 , de verversingsfrekwentie

is:

37,40

respektievelijk

33

dagen.

•

•

•

•

•

•

'

.

•

•

•

•

Bij het batch en semikontinue alternatief moet er warmte aan het proces worden toegevoerd, mede voor de opwarming van het materiaal. Deze opwarming kan met warm water gebeuren. Bij het kontinue proces komt warmte vrij, dat met een warmtewisselaar teruggewonnen kan wor-den.

Bij het kontinue proces lS oververzadigde stoom ·nodig voor de

voor-t • behandeling, bij het batch en semikontinue alternatief moet de

kom-. ;.)

~~. post met stoom nabehandeld worden in verband met het verwijderen van

. i

_-t1l"'-1"'''-'

• eventuele pathogene organismen.

2.3 Produkt en

Het geproduceerde biogas wordt onder een druk van 17,2 .10 5N/m2

op-geslagen. Bij deze druk zijn nog geen extra maatregelen nodig voor

de opslag (lit.9). In het gas zullen sporen H

2S aanwezich zijn. Dit

moet uit het gas verwijderd worden. In verband met korrosie lS een konsentratie van 1,14mg/l maximaal toegestaan. Het gas moet gedroogd

worden om de vorming van hydriden te voorkomen. Om het benodigde

op-slagvolume te beperken is het mogelijk om de kooldioxide

gedeelte-lijk uit het biogas te verwijderen. Deze gasnabehandelingen zijn

0-verlgens niet in het procesontwerp opgenomen.

De spuistroom wordt geloosd na het doorlopen van de anaerobe

up-flowreaktor. Dit betekent dat het zonder bezwaar op het

oppervlak-tewater geloosd kan worden.

Het kompost kan, nadat het met stoom gesteriliseerd is (in de batch

en semikontinue uitvoering) als zodanig in de tuinbouw gebruikt

wor-den. De aerobe navergisting die nog kan optreden zal zo langzaam ...

verlopen, dat er geen stank meer vrijkomt (lit.9).

2.4 Veiligheid

Aangezien er brandbare gassen vrijkomen bij het proces, moeten er

voorzorgsmaatregelen genomen worden in verband met explosiegevaar.

Dit is vooral van belang voor de niet kontinue processen bij het opstarten en stilleggen. De explosielimieten voor methaan in lucht

zijn 5,4 en 13,9% (lit.10). Voor H

2S zijn de explosielimieten in

lucht 4,3 en45,5% (lit.11). Er moet gezorgd worden voor een goede

J

•

•

•

•

I

I

·

•

•

•

•

•

•

•

/J

ventilatie, open vuur en vonken mogen niet ln de buurt van de ln-stallatie voorkomen.

In het systeem zullen veiligheidskleppen aangebracht moeten worden om onder- en overdruk te voorkomen.

(

---Een tabel waarin de gevaren van biogas beschreven zijn lS

overgeno-men uit lit.9, zie bijlage 11. Aandachtspunten met betrekking tot de de veiligheid van mestvergistingsinstallaties worden uitgebreid op-gesomd in lit.17.

3 Theorie 3.1 De reakties.

In het proces van de omzetting van organisch materiaal naar biogas zijn drie stappen te onderscheiden.

De eerste stap is de hydrolyse van de makromolekulen, gevolgd door de omzetting in organische zuren, voornamelijk azijnzuur. Deze twee stappen vinden plaats in de verzuringsreaktor. De derde stap is de omzetting van de zuren in methaan en kooldioxide. Dit gebeurd in de anaerobe upflowreaktor.

De reakties van de komponenten van het tuinbouwafval (zoals vermeld in bijlage I) zijn achtereenvolgens (met reaktiewarmte):

pektine: C6 ,07HS,1406 + _{1,035 H20} ~ 2,55 CH₃COOH + 0,965 CO₂ (1) .1.Hr

-

-

94,9 kJ/mOl cellulose: . C 6H1005 + H20 - - - ? 3 CH3COOH (2)

~A

.1Hr

-

-

109,2 kJ/mol

'l

eiwit: ~ C 4H6ON + 3 H20 ~ 2 CH₃COOH + 0,5 H2 + NH3 (3) .tJIr

-

-

2,5 kJ/mol vet: C1SH3602 + 16 H₂0 ~9 CH₃COOH + 16 H₂

(4)

AHr

=

+ _., 1109 kJ/mol

voor de eerste reaktor en pektine:

2,55 CH

3COOH ----7- 2,55 CH4 + 2,55 CO2 ( 5)

LlHr

₌

+ 47,7 kJ

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Cellulose: 3 CH 3COOH eiwit: ) +

16

H 2

voor de tweede reaktor.

(6 )

AHr

=

+

56,1

kJ

.óHr

=

+

5,7

kJ

(8)

~Hr

= -

851,3

kJ

Uit de literatuur blijkt dat de afbraak van pektine snel verloopt

(lit.2), de afbraaksnelheid van cellulose wordt bepaald door de kristalliniteit, een model dat de afbraak beschrijft is

weergege-ven ln 3.2. We hebben aangenomen dat eiwit snel wordt afgebroken

en vet langzaam.

Deze aannamen geven voor PSM-materiaal, waarvan een afbraakkurve

van een experiment op laboratoriumschaal bekend lS, een goede

be-nadering, zie bijlage 111. Van het afgebroken materiaal is 10% van

de COD-waarde nodig voor groei en maintenance van de mikroörgan

is-men. Een reaktievergelijking hiervoor is:

r

l:!Hr

= +

23,3 kJ

In onze berekeningen ZlJn we ervan uitgegaan, dat er alleen groel ln de verzuringsreaktor optreedt. In de praktijk vindt het grootste

deel van de groei inderdaad in deze reaktor plaats.

3.2 Kinetiek van de celluloseafbraak

In een recente publikatie (lit.12) lS een model voor de afbraak van

cellulose weergegeven. Plantenmateriaal bevat cellulose (So)' dat voor een gedeelte, namelijk dat deel dat niet door lignine

afge-schermd wordt, afbreekbaar is. Het afbreekbare deel is opgebouwd uit

een amorf (S ) en een kristallijn (S ) deel. De celluloseafbraak lS

a c

een enzymatisch proces. Voor de afbraaksnelheid van cellulose gelden de volgende vergelijkingen: V" (t) (l-X) dX/dt

= ___

m_a~x __________________________________ __ ( 10) K" (t) . m

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

v

.

(1 -

CP)

+ V .

f{?

(K

IK

)

V" ( t)

=

-=m:..::.ax=-:....!,~a _ _ _ _ _ -=m::.a=x~, c=--_ _ _ -=a=---=c_

max ( 1-~) + (K

IK ) •

rp

a c ( 11) K K" (t) = a (12) m ( 1-~) + (K

IK

)

.(p a c X = 8 0 - 8

_t

( 13) 8 0 8

cp

c ( 14) = 8 + 8 a c

In vergelijking ( 10) wordt de afbraak snelheid van cellulose

gege-ven als de fraktie cellulose die in een tijd dt wordt afgebroken.

In vergelijking (11) wordt de maximale ogenschijnlijke

reaktiesnel-heid berekend. Met vergelijking (12) wordt op een tijdstip t de

o-genschijnlijke Michaeliskonstante berekend.

Tijdens het afbraakproces variëren de ogenschijnlijke

reaktiesnel-heid en de ogenschijnlijk Michaeliskonstante door een ,toename in de

kristalliniteit tijdens bet proces. De kristalliniteit neemt toe

door de hogere afbraaksnelheid van amorf cellulose ten opzichte van

kristallijn cellulose. Voor de afbraaksnelheden van het amorfe en

kristallijne cellulose gelden de volgende vergelijkingen:

V • (1-X ) dX Idt

=

max,a a a K . (1 +cX 1 . 80. x/K. ) + 80.((1-h.).(1-Xi )+ (K IK )P(1-X)) a lp ~ a ' a c (; V dX/dt

=

.

.

max,c_ _{. (1-Xc )} . (K/Kc

1

'

_{'] 6)} ~ , met X a X c = = = K .(1 +CX 1 . 80. x/K. ) + 80.((1-~).(1-X) + (K IK)~(1-X» a lp a a c c 8 aO

-

8 a 8 aO 8 cO

-

8 c ( 18) 8 cO 8 cb 8 _{aO +} 8cO

7

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

I

.

3.3 Het stoomeffekt

Om de afbreekbaarheid van houtachtig materiaal te vergroten en te

versnellen, zijn een aantal voorbewerkingen mogelijk (lit.5) .. Een van

de mogelijkheden is het materiaal onder druk met verzadigde stoom te

behandelen. Het effekt van deze behandeling is dat een deel van de

afschrmende werking van lignine wordt opgeheven en dat een deel van

de kristallijne cellulose wordt omgezt in amorf cellulose. In een

pa-tent van een Canadese firma (lit.13) wordt het proces beschreven. In

bijlage IV zijn de afbraakkurven van tuinbouwafval met en zonder stoomvoorbehandeling beschreven.

•

•

/J

•

•

•

•

•

4 Beschrijving van het proces

Het procesbestaat uit een (of meer) verzuringsreaktor(en) en een anae-robe upflowreaktor. Het tuinbouwafval wordt met een dichtheid van

0,15

ton/m

3

aangeboden en door een hamermolen tot stukken van

6

à

8

teruggebracht, waardoor de dichtheid 0,6 ton/m3 wordt. In de verzu-cm

ringsreaktoren wordt het materiaal afgebroken en komen als produkt waterstof, ammoniak, kooldioxide en azijnzuur vrij. Tijdens het proces vindt groei van mikroorganismen plaats. Na een verblijf tijd van 14 dagen kan er reukvrije kompost uit de reaktor verwijderd worden. Als er een voorbehandeling met stoom wordt toegepast kan de verblijf tijd

tot 12 dagen bekort worden, zie bijlage V.

De gassen die in de verzuringsreaktor ontstaan worden door een, met

terugslagklep beveiligde, gasleiding ~n de upflowreaktor geleid. Het

azijnzuur stroomt met het water naar de upflowreaktor. In deze reaktor wordt azijnzuur omgezet in methaan en kooldioxide, en kooldioxide met

waterstof in methaan. In de upflowreaktor bevinden zich strikt

anae-robe mikroorganismen die de omzettingen bewerkstelligen. De vloeistof

en het gas worden onderlangs ingeleid en ontwijken bovenlangs. Bovenin

bevindt zich een vast-vloei stof-gas scheider die voorkomt dat er

orga-nismen uit de reaktor spoelen. Het gas uit de upflowreaktor wordt met

een kompressor op een druk van 11,2 bar gebracht, waarna het

opgesla-gen kan worden. Het water dat bovenlangs uit de upflowreaktor stroomt

wordt onderlangs ~n de verzuringsreaktor(en) gepompt.

Voor de reakties ~n de verzuringsreaktor(en) is water nodig, er

ont-e

wijkt droge stof

~n

de vorm van gas en azijnzuur. In de niet-kontinue

1

uitvoeringen van het proces is er bovendien water nodig dat het volume

1

van de ontweken droge stof inneemt, dit vanwege het opstroomkarakter

j~\, _van de reaktor. Door de reaktie van de droge stof komt er water vrij,

• l

r

namelijk dat water dat aan de droge stof gebonden ·zat.

•

•

•

Van het proces zijn drie alternatieven uitgewerkt: een decentrale, dis-kontinue uitvoering, het batch proces; een centrale disdis-kontinue

uit-voering, het semikontinue proces, en een centrale kontinue uitvoering

met een stoomvoorbehandeling, het kontinue proces.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

10

4.1

Batch uitvoering

Het systeem bestaat uit drie verzuringsreaktoren en een anaerobe

upflow-reaktor. Van de drie verzuringsreaktoren zijn er altijd twee in bedrijf.

Elke verzuringsreaktor kan 12 ton gehakseld tuinbouwafval in twee weken

verwerken. Er is een cyclus van drie weken: de eerste week vindt de

snalle afbraak plaats, de tweede week de langzame. De afbraakkurve van

fig.V.2 is voor de batch uitvoering benaderd met twee rechten: 80,7%

in de eerste 7 dagen en 11,5% in de tweede 7 dagen. De derde week is beschikbaar voor het legen en vullen van de reaktor.

Om de 50.000 ton die per half Jaar aangeboden wordt te kunnen verwerken

.J zijn er 260 installaties nodig.

4.1.1

Beschrijving van het proces

Het afval (stroom 1) wordt met een hamermolen M1 verkleind tot stukken

van 6 à 8 cm. (stroom 2). De molen heeft de kapaciteit om de vulling van

een reaktor in 1 uur te verwerken. In een dag kan een verzuringsreaktor

R2 met het fijngehakselde materiaal gevuld worden. De verblijf tijd van

het vaste materiaal in de reaktor is 14 dagen, het cirkulatiewater

heeft een verblijf tijd van 8,6 uur. Dit water wordt onderlangs

toe-gevoerd (stroom 3) en bovenlangs via een overloop (stroom 5) aftoe-gevoerd.

Boven de vloeistof staat gas. Dit moet door de upflowreaktor gestuurd

worden waarvoor een druk van 1,5 + 0,4

=

1,9 bar nodig is (stroom 7).

Na 14 dagen wordt het gas uit de reaktor gedrukt door het

vloeistof-nivo te verhogen. Vervolgens wordt de vloeistof uit de uitgewerkte

reaktor in de dan op te starten reaktor gepompt. Dit kan met behulp

van de vloeistofpomp, zie fig

4.1.

Fig

4.1

Schakelschema voor het overpompen van het

•

•

•

•

•

WATER

.

~

f - - - \ ( 4 L _ --'FC TUINBOUWAFVAL

8

\Jorm \.loter H3 R2 3 mooi

~

TG

•

•

•

•

•

•

BIOGAS

---R5 WATERSPUI . . . (7

~

~POST

L-_ _ _ _ _ _

--<

TUI

N

BOUWAFVALVERGISTER BATCH UITVOERING

o

St.r-oomnumm.r ~ T.mp.roluur In Oe

~

Abaol druk In bar

0oo.l M .. IJ .. r

Tlm Grol .. nhul ..

Fobrl .. kQvoorontwurp No. 2530

Juni 1982

•

•

I

I

_I

·

!

I

.

I

I

I

i

.

I

:

I

.

I

;

.

•

•

•

•

11

Omdat er water nodig lS voor de reaktie en om het volume van Qe

gerea-geerde droge stof in te nemen moet er water toegevoerd worden (stroom 4).

Deze toevoeging vindt gedurende 1 uur per dag plaats. Samen met de

stroom uit de beide verzuringsreaktoren wordt dit onderlangs ln de

up-flowreaktor R5 gebracht. Het biogas verdwijnt bovenlangs uit de

reak-tor (stroom 8) en wordt met een kompressor c6 op een druk van 17,2 bar

gebracht, waarna het opgeslagen en/of gebruikt kan worden.

De vloeistofstroom uit de upflowreaktor (stroom 11) wordt via pomp p4

en warmtewisselaar H3 evenredig verdeeld in de verzuringsreaktoren ge-pompt. Bij het overpompen van de vloeistofstroom uit de uitgewerkte

reaktor in een beginnende reaktor komt water vrij, dit wordt eens in

de 7 dagen geloosd (stroom 13).

Na 14 dagen wordt het vaste materiaal als kompost uit de reaktor

ver-wijderd. Om pathogene organismen en ziektekiemen te verwijderen moet

het materiaal nog met stoom nabehandeld worden.

4.1.2 Keuze en berekening van de apparatuur

4. 1 .2.1 Pomp, en 'kompressor

De pomp is ontworpen op een drukval over de leidingen en een drukval

over de warmtewisselaar. De drukval over leidingen wordt berekend met

(lit.14):

.1P

=

(20)

Het benodigde vermogen lS te berekenen met (lit.14):

( 21)

waarbij met een rendement van 70% gerekend wordt.

De diameter van de leidingen is berekend op basis van een

vloeistof-snelheid van 1

mis

in de leidingen

.

iP

_{m (m}

3

_/s)

_v

_(mis)

_{D. (m) Re ~f -.,ix (m) Ap}

_{(Nim )}

2

l

2;9~

10-4 1 0,019 2,4.10 ,4 4 , 1 .10 -3 10 8,6.10 3

8 -4

5, .10 1 0,027 3,4.10 4 3, 8 .10 -3 10 5,6.10 3

Met een drukval over de warmtewisselaar van 0,3 bar is dit samen 0,44

I"

bar. Het benodigde vermogen is hiervoor

C "

praktisch.

0,026 kW theoretisch en 0,037 kW

~.?'-ÎJ De kopressor brengt het biogas van 1,5 op 17,2 bar. Het vermogen

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

4.1.2.2 Warmtewisselaar \.

In de verzuringsreaktor wordt 623 W geproduceerd respektievelijk gaat 30 W verloren; ln de upflowreaktor is het warmteverlies tengevolge van

de reaktie 354 W. Het warmteverlies naar de omgeving lS van beide

ver-zuringsreaktoren 126 W, van de upflowreaktor 21,8 W.

Voor het opwarmen van stroom 4 van 15 naar 300C is 19,4 W nodig. Om

het vaste materiaal dat met een temperatuur van 150C binnenkomt op te

warmen is 0,1389.4,2.10 3 .15

=

8750 W nodig, eens in de 7 dagen.

De warmtewisselaar moet derhalve 0,054 kW kunnen leveren en een dag ln de week 8,75 kW daar bovenop.

4.1.2.3 Reaktoren

De verzuringsreaktoren ZlJn van beton dat van een gasdichte laag is voorzien. De dikte is 20 cm, de bakken zijn uitgerust met een afneem-baar stalen deksel. De reaktoren zijn half in de grond ingebouwd om

3

het warmteverlies te beperken. De afmetingen zijn l.b.h

=

4.3,3.1,5 m .

De gasdruk bovenin de reaktor is 1,9 bar; de reaktortemperatuur is 30oC.

Gekozen lS voor platte reaktoren. Overwegingen hierbij ZlJn het

beper-ken van het warmteverlies bij het ingraven en het gemak van het laden

en lossen. Een probleem is de bereikbaarheid van het

vloeistofinstroom-punt. Voor een goede procesvoering zijn meerdere instroompunten

nood-zakelijk.

De afmetingen van de upflowreaktor worden bepaald door de

COD-belas-~JJ

ting van 25 kg/m3.dag (lit.15). Gekozen is voor een reaktor van 10 m3

~~ vJ~>

waarvoor de berekende COD-belasting 23,5 kg/m3 .dag is. De hoogte van

~J~~~' de reaktor wordt bepaald door de slibdeken die zich ln de reaktor

be-~ vindt. Bij een hoogte van 4 m is de diameter 1,8 m. In de

upflow-reaktor bevindt zich een bezinker van 1,25.1,25 m2. De reaktor is van

roestvrij staal, type 316 in verband met de mogelijke aantasting door

organische zuren (lit.16). De dikte is 13 mm, bekleed met een 6 cm

dikke laag steenwol. Er zijn vijf instroompunten per vierkante meter. Door de gasdruk van 1,5 bar kan er geen lekkage van voor de mikro-organismen schadelijk zuurstof naar binnen optreden.

•

•

4.1.2.4 Molen

De hamermolen heeft een kapaciteit van 12 ton per uur. Het

vermogens-verbruik is geschat met behulp van lit.16 en is 25,6 kW.

• 4.1.3 Massa- en warmtebalans

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Omdat er sprake is van een diskontinu proces is het moeilijk de

ba-lansen goed op te schrijven. Gekozen is om de werkelijke stromen op te

schrijven met daarachter de vermenigvuldigingsfaktor om ze tot

kontinu-stromen te korrigeren.

Er is afgezien van het weergeven van een warmtebalans: door de grote

warmtekapaciteit van water en de relatief grote waterstroom lS er

vrijwel geen temperatuursverandering.

Stroom 1 wordt in 1 uur door de molen verwerkt en heeft derhalve (e~ke

7

dagen wordt er een reaktor gevuld) een vermenigvuldigingsfaktor van

l* __

l

7 24·

Stroom 2 is het vullen van de reaktor, dat ln 1 dag gebeurt, de

ver-menigvuldigingsfaktor is

t.

Stroom 3 is kontinu en wordt over de beide werkende verzuringsreaktoren

verdeeld.

. 1

Stroom 4 loopt 1 uur per dag: 24.

Stroom 5 is samengesteld uit de vloeistofstroom uit de twee verzu-ringsreaktoren, die zich ln een verschillende toestand bevinden.

Bovendien bevat deze stroom eens in de

7

dagen de spui stroom.

Stroom 6 is de som van stroom 4 en stroom 5, waarbij stroom 4 als

kontinustroom gerekend lS.

Stroom 7 is, analoog aan stroom 5, opgebouwd uit de gas stroom van

beide verzuringsreaktoren.

Stroom

8

lS gelijk aan stroom 10; de biogasstroom.

Stroom 9 lS de kompost stroom. Elke 7 dagen wordt er een reaktor

ge-leegd.

Stroom 11 bevat, net als stroom 5 en 6, eens in de

7

dagen bovendien

de spuistroom (stroom 13) en is verder gelijk aan stroom 12.

•

•

7-•

5

't

•

•

•

•

{;

•

t

•

•

i

.

L

"

Voor-IN

waarts

M

Q

M

'

in' kg;/s in kl.

Q

, o.263-tIÖ.3+ C~OO2.«-IO·"3

-~

1389f*

:

tJ

.

o

2.891.f ".2...

+-

0 obH (~

h

-f osSS

~o4~(~

'

, q05L;

+

8.15

(ft)

6,5809'1-D,D 611

(ft)

h+ 0'"'5'1-6 ~oWO

1.1

304

Massa -en

Warmtebalans

7"

_...

,

2-,,-

_,

5

1 1 "\.

4 ....

_,

R2 I . "~

₉

3 ,

.

.

. /

"

H3 )2 ₁₃ "

, ,I-

_~1'

:.

1

ö

R5

-·E

I

I

.. ..

.

~

TOTAAL

--;>-14

Retour

UIT

M

M

Q

Q

in kg/s i n kW

O,C?63

1

HJ

O~f8éJ

h

t 0 05t + 8,rS(*-

ij

o.518fJ

;,

~ob11~11

o(S 1'88

+

0; 0611 (It

tJ

h

2

)'-151 "-103

0-,0202-

..

:1

3

1

2

3

1:

~

1

8

i

.

i

,

.

I

I

, !

I

.

I

I !

f

.

I

A pparaa tsTr oom

+

Componenten

Vlo.te.r f~k..ii..ne. , (2,!-..;:)

U::.

v.e-f a~bl'€e):.Jo.

u.llu.lose

Vllel OlJby:

10

,

~s.iof

GL24Yll-~

Totaal:

Apparaatst'oom

, Componenten

wo...,-ber

ve..&

a.

i-b~I::1,a.i{~

"'t

'

d

afk

b

.

oVCXJ2~ m droO'rq::unis rit en a '2-q Y/;

z.uiM-\,IJ

a..:t.er.s

to

cf

kooloUoide

~a./c. ~

Totaal:

. . _ --- - - ---

-M in kg/s

Q

in

kW

--

-•

•

•

•

•

•

•

1

(*t*

2~)

2

"

*7)

.

"3

L.f

(~~)

_2.4. ,

M

Q

_M

a.

_M

Q.

_M

a.

2}661-

0/1111

oSra8

,

Q)C04fLi

01113

CJ}OO41-oot3S

CJ/

C\941

001'1 O,.ctx?S q1a5' CJ/~9

,

0,2.78

~OO-16

333"3

_I

'

_CJ.1136~

O,5tBS

_{_9~4]!:L} ---~ - . --- - - - --- - - --

-6

_1-

₈₌₁₀

_.

_9&-tJ

M

M

,

M

Q

_M

Q

, _.. '

0/5181-+

a

0 611 (-*

t1

(:)1°4,90 0/0001, ~ca30

°ICOg 2

O-,c:::o2:1 Opo22'iS

- '

0.003

~ IO?+'OP:/2 ~/O-3

o,-t6'lno-3 \11-Lf6 '*10-3,

, _oP921'1/o"J 6,0<321 tlo-3

0,61,9110-::>

O(58oCJ

+

~

,Cb11

~t)0;263I<{O-'}

4-

'O;OOUIO-3

2,

45

t

lf(()3

00634

_{/ .}

Stroom /Componenten staat

- - - --_._--- --- ---

---•

•

.

'

5

M

~ . "

-ot.891+q28B~t-qo611H) i 0}001'33 -t--opOO31 I ~ ~91~!,_~1

+qob11ftf)

I

11

1

M

;

'

,

'"

I . ' ' I o,s=ta8+ OÎOb11~t) , I 0;51-98

+-q0611("i)

I

•

~ U1

i

e

•

I

i

! ; 0,

I

A pparaa tsTr oom

, Componenten

v,Ja •.

:ter

Totaal:

A ppar aatstroom

t

Componenten

,

Totaal:

M in kg/s

a.

in

kW

•

•

12-o

M

_a

05"-1-&8 0 O?t'Sf) 0 0

M

U

•

•

•

• 0

•

•

•

•

13

l*"t)

, ,

M

0.

M

Q.

M

0.

M

Q

qo611

, 0,ob11

-,

M

a.

'M

Q

_M

a.

_M

a.

I

,

I

~ 0'

I

.

I

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

18

Apparatenlijst voor pompen, blowers, kompressoren

---Apparaat No: p

₄

_C

₆

-Benaming, pomp kompressor

type

te verpompen

medium water biogas

Capaciteit in kg/s kg/s t/d of kg/s*

0,5788

0,00246

Dichtheid in

kg/m

3

996

1

,77

Zuig-/persdruk p abs p cabs in bar(abs.of

_0,44

15,7

eff.*) temp. in oe in / uit Vermogen in kW

_0,026/

_2,19/

theor./ prakt.

_0,037

_3,12

Speciaal te ge brui ken mat

aantal serie/parallel

•

19

•

_{Apparaat No:} II _J Benaming, warmte

•

type wisselaar Medium

'

.

pijpen-/ \vat er!

-I

mantelzijde ,,'a ter

-•

eapaci~l:'.j.·t,

_0,05

₄

. ..:~~~::~:~ .

8

,

75'(*~)

ui tgewi1!l!~.lde .-1' warmtè}}n:kW. ':-' .. warmtew{sselend 2

--oppevl. in m

•

Aantalp~~äff~{

_{Abs. of effe}

_*

p abs druk in bar pijpen-

_/

1 ,5

•

mantelzijde temp. in

_/

uit in oe pijpzijde

•

I mantelzijde -

I

I Speciaal te ge- i bruiken ma't~ :

•

o' I

•

•

~

aangeven wat bedoeld wordt

•

20

Apparaat No: R

•

2 R

₅

Benaming, verzuri ngs anaerobe

type r(~aktor upflo\,_reakt·or ' _t·

•

, Abs.of eff. K p P abs al? 5 druk in bar 1

,

9

,·

1 ,

?

temp. in oe _{30 30} , Inhoud in m

3

20 10. .L .. ,*-, B .... -. :Lnm,,: Diam. in m

4

7(- 3,33 1 ,8 1

_/

h

•

I in m 1 ,

:5

,

:-

4 I Vulling: ~ 1 be~inkGr

•

schotels-aant. vaste pakking katalysator-type

•

-

, ,

_-

vorm

· ...

· ...

·

...

Speciaal te ge- _{.beton staal}

31G

bruiken mat. stal eri deks ()l

aantal ₃ ~parallel

•

•

~

aangeven wat bedoeld wordt

•

Appáratenlijst voor diversen

21

---Apparaat No: 1>1 1

•

Benaming, hamermolen type

•

Capaciteit ton/uur 12 , .

•

Abs.of eff. I( druk in bar

-temp. in

°c

15

•

Inhoud in m

3

•

of afmetinp'en in m I( aantal

•

serie/parallel diameter in m 0,21

•

_{vermo{jensver-}

_2~

6

(~~~

) bruik I in klJ .' " 7 2

•

•

IE

aangeven wat bedoeld wordt

•

•

•

•

•

•

4.2 Semi kontinue uitvoering

Er zijn elf verzuringsreaktoren, waarvan er steeds tien in werking ZlJn. Er is een anaerobe upflowreaktor. Elke verzuringsreaktor kan in 14 dagen 420 ton gehakseld tuinbouwafval verwerken. Na deze 14 dagen 1S er een dag beschikbaar voor het lossen en opn1euw laden. Er is gerekend met een vijfdaagse werkweek, dat wil zeggen dat op 5 van elke 7 dagen een reaktor geleegd en gevuld wordt. Hierdoor is het proces niet konstant, maar treden er schommelingen op, er kunnen afwijkingen optreden tot 20%, zie bijlage VII. Gerekend is met gemiddelde waarden. Voor de afbraakkurve van het tuinbouwafval wordt verwezen naar bijlage V.

• 4.2. 1 BeSChrijving van het proces

•

•

•

•

•

•

Het afval (stroom 1) wordt met een hamermolen M1 verkleind tot stuk-ken van

6

à

8

cm (stroom 2) en daarna via de transportladder M2

bovenin de verzuringsreaktor

R4

gebracht. Beide apparaten hebben de kapaciteit om de 420 ton waarmee een reaktor gevuld wordt in

4

uur te verwerken. De verblijf tijd van het vaste materiaal in de reaktor 1S 14 dagen. Na afloop van deze periode wordt de reaktor onderlangs geleegd en kan het tot kompost geworden materiaal via de transport-band

M6

naar een opslagpunt vervoerd worden (stroom

7).

Na afloop van het proces moet de kompost nog een stoomnabehandeling ondergaan om pathogene organismen en ziektekiemen te verwijderen. De trans-portband

M6

loopt onder alle verzuringsreaktoren door.

Bovenin de verzuringsreaktoren staat gas dat door de upflowreaktor R7 gestuurd wordt, (stroom

4).

Hiervoor is een druk van

1,5

+ 0,6

=

2,1 bar nodig; de gasleiding is voorzien van een terugslagklep.

Door de verzuringsreaktoren en de upflowreaktor cirkuleert vloeistof. De verblijf tijd in een verzuringsreaktor is

8,8

uur. Het water wordt onderlangs toegevoerd (stroom 3) en verlaat de reaktor bovenlangs, via een overloop. Vervolgens worden de stromen van de tien reaktoren verzameld en door de upflowreaktor gestuurd (stroom

5)

.

De

verblijf-tijd in deze reaktor is

4,8

uur. Door de vast-vloeistof-gas scheider van gas en slib gescheiden verlaat de vloeistof bovenlangs de reaktor

(stroom

9).

Een gedeelte wordt gespuid (stroom 11), de rest (stroom 10) wordt via de pomp P5 en de warmtewisselaar H3 evenredig verdeeld

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

BIOGAS TUINBOU\.IAFVAL R4 M2 11 maal -R7 WATERSPUI \.iarm \.Ialer

I

~

7 KOMPOST

CC)

M6 ( )

~

TUINBOUWAFVALVERGISTER SEMICONTINUE UITVOERING

OSlroomnummer

~Temp.raluur

In °c

8

Ab .. ol. druk In bar Joosl M _{Tlm Grol .. nhul ..} .. IJer Fabrl .. kavooronlwerp No. 2530

Juni 1982

. --_.

-

_. ~--. -.~. ._-_._._--~

•

'

.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

derlangs in de verzuringsreaktoren gepompt. Als een van de

verzurlngs-reaktoren is uitgewerkt wordt het gas uit de reaktor geperst door het

vloeistofnivo te verhogen. Daarna wordt de vloeistof uit de reaktor in de op te starten reaktor gepompt, zie voor een schakelschema

fig

4.2.

De grootte van de over te pompen vloeistofstroom 12, is,

Fig

4.2

'Schema voor het overpompen van het cirkulatiewater

Ot d ° °

4

-3 3/ b

Ul gaan e van een tlJdsduur van uur, 13,57.10 m s. Het op te ren-gen drukverschil wordt bepaald door de hoogte van de vloeisofkolom. Deze is, als de reaktor al met tuinbouwafval gevuld is, 15,3 m.

Hier-mee wordt het door pomp P9 op te brengen vermogen -P

=

2,97 kW.

Omdat er netto water vrijkomt bij het proces, moet er water gespuid

worden, dit gebeurd na het passeren van de upflowreaktor (stroom 11). Deze stroom loopt

4

uur per dag, op werkdagen.

Het biogas ontwijkt bovenlangs uit de upflowreaktor (stroom

6)

en

wordt met een kompressor

c8

van 1,5 op 17,2 bar gebracht (stroom

8),

waarna het opgeslagen en/of verbruikt kan worden.

23

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

4.2.2 Keuze en berekening van de apparatuur

4.2.2.1 Pomp en kompressor

De pomp is ontworpen op een drukval over de leidingen en een drukyal

over de warmtewisselaar.

~m

(m3/s) v (mis) D. (m) _l Re ~f fiX (m) Ap (Nim 2 }

0,010 3 0,21 7,7.10 ,) .1

~

7130,3 240 6,8.104

Met een drukval over de warmtewisselaar van 0,3 bar is dit samen

0,98 bar. Het benodigde vermogen is hiervoor theoretisch 9,8 kW en

praktisch 14,0 kW.

De kompressor brengt het biogas van 1,5 op 17,2 bar. Het hiervoor

benodigde vermogen is theoretisch 382 kW, praktisch 545 kW.

4.2.2.2 Warmtewisselaar

In de tien verzuringsreaktoren wordt 1JO kW aan warmte geproduceerd,

ln de upflowreaktor gaat 79,9 kW verloren. Het warmteverlies naar de

omgeving is10 maal 0,21 kW plus 0,41 kW. Om het tuinbouwafval, dat

t t t O t t 300C

me een empera uur van 15 C aangevoer~ wordt, op te warmen 0

is 306 kW nodig, elke 5 van de 7 dagen. Op kontinubasis omgerekend is

het 219 kW.

De warmtewisselaar moet derhalve een kapaciteit van 193 kW hebben.

4.2.2.3 Reaktoren

De verzuringsreaktoren ZlJn van roestvrijstaal, type 316. Het volume

3

lS 700 m , de hoogte is 15,3 m, de diameter 7,6 m. De gasdruk bovenin

de reaktor lS 2,1 bar, de temperatuur is 30oC. De dikte van het staal

lS 11 mmo

De upflowreaktor lS 6 m hoog en heeft een diameter van 19, 1 m. De

ln-houd is 1725 m3. De berekende COD-belasting is 23,8 kg/m3 .dag. De

reaktor is uitgerust met drie bezinkers van 14.3,6 m 2

.

De reaktor lS

van roestvrij staal type 316, de dikte is 16 mm, bekleed met een 6 cm

dikke laag steenwol. Er zijn vijf instroompunten per vierkante meter.

De gasdruk in de reaktor is 1,5 bar.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

I

I

I

I

_I

·

I

•

4.2.2.4 Overige apparaten

De molen heeft een kapaciteit van 105 ton per uur. Met behulp van lito 16 is het vermogensverbruik op 224 kW geschat.

De transport ladder heeft eveneens een kapaciteit van 105 ton per uur. Samen met de molen is de transportladder op een verplaatsbare eenheid geplaatst. De opvoerhoogte van de ladder lS 16 m. Het vereiste ver-mogen hiervoor is 8,2 kW (lit.16).

De transportband loopt onder alle verzuringsreaktoren door. De kapa-citeit is 49 ton per uur, 4 uur per werkdag. De transportband heeft een totale lengte van 120 m (10 meter onder elke reaktor en 10 m naar

de opslagplaats) en is 60 cm breed. Gemiddeld zal 65 m hiervan ln

ge-bruik zijn, hiervoor is 2,2 kW nodig (lit.16).

4.2.3 Massa- en warmtebalans

Evenals bij de batch uitvoering lS weergegeven welk gedeelte van de

tijd een niet kontinue stroom stroomt.

De vloeistofcirkulatiestroom (3,5,9 en 10) varieert in de tijd. De

oorzaak hiervan ligt in het ontwijken van droge stof uit de verzu-ringsreaktoren. Het volume hiervan wordt door het cirkulatiewater ingenomen. Naarmate het afbraakproces verder vordert, bevat een ver-zuringsreaktor meer vloeistof. Als de reaktor na 14 dagen leeggepompt wordt komt dit water terug in de cirkulatiestroom.

I

.

•

•

2

•

₅

•

•

•

•

•

•

•

Voor-IN

waarts

M

Q

M

in kg/s in kW'

Q

2~/16~~t1)

~'J/&70+1~ f)04(1f~41 . h-t-f9,Cj I

°P4bC}

~91

-,

3,47-2.

·1

'

91

Massa -en

Warmt eba lans

4"

-I

,

1

.s..-"

R

4

I

~ ~I' '{ , -'

(

_....L ....

H

J

H 11 ~ _, '11 _IJ ~r _.- ~ 0 ,

R7

I

I

-

~-rOTAAL

~

26

Retour

UIT

M

M

Q

Q

_{in kp"/s} i nkv.'

13%70~;ff)

"

1

.99,83S _~

h+-1'J1

9C)8:!S

₁

_i

h

I

II

t

114Q1't~~

I ~/J3S +12 -09lf ~i'-<{,,~) ,

9

h-

I

0/'28

~

-3/f'1-1

1

I

•

•

A pparaa tsT'r oom

+

Componenten

wo,liu'

peU~

,

.èi:w

i.b

"d

(1.~br~,J::.h~

V\.:e-l:-

Q~ ~skJ. ~2.4Y7~

w~-

:

tü

:

.$io

f

~oL~

~

vrU-t~

Totaal:

Apparaatstroom

, Componenten

wo....Ó2/

v~.é

o .. J·bveelb,~ Y1 Lé..t o.~.

b

dfit;-/;.

m~ooro. ~17le.VJ

v . ,~ .

..

~ .

Totaal:

M

in

kg/s

a

in

kW

•

_•

t1=2

(If

:-

t;

*J)

M

Q

. 23333 e>'1tj2

0869

009'3

1,Y41

2-/-f.'f3

2..<3/167-:ft

z'ft~f)

M

U

-10/61

9

,

op41

o

1"1''3

'2/133

oZfl?.

13/

551-•

•

•

•

•

..3

zt

~

-M

a.

M

Cl

M

~tj 83.s- ~9/tt9 -t12.,OO4~~~ , o~301 0,<'011361 %2.B3

°1

0166

~'3/83.Ç

0/)'163

9~lJ1-0+-12.;OO'ff~i~

9

10

₁₁

(*~7t-t)

I

M

- . ,

M

Q

_M

a.

'-9tj83~ +-12.Joot((A-i1;~

'3~/835 ~ 2,00'(

Bcj/

83S--t

1~OO~0*if)

9'3

1835": ,12,bO~

Stroom /Componenten staat

•

6=[1

M

03035

~o166

o/107-EJ

o/12.7-?-'

M

•

Q I

a.

I ! I I I I I I I , N -..J

•

•

29

Apparatenlijst voor pompen, blowers, kompressoren

---•

Apparaat No: p

5

~ _C

₈

Benaming, pomp kompressor

•

type

te verpompen

•

medium water biogas

Capaciteit in kg/s kg/s -t/d of kg/si{

99,86

-

0,428

•

Dichtheid in kg/m 3

996

1 ,76

Zuig"':'/persdruk p p

in bar(abs.of

_0,98

abs

_15,7

abs

•

_{eff. )}

*

-temp. in

°c

•

in / uit Vermogen in kW

_9,8/14,0

_382/545

theor./ prakt. /

•

Speciaal te ge "' bruiken mat. aantal serie/parallel

•

•

*

aangeven wat bedoeld wordt

•