Optimeringsforslag til indpumpning af biomasse

Transkript

1 Optimeringsforslag til indpumpning af biomasse D. 26.marts 2010 Jess Elkjær Side 1 af 70

2 Titelblad Art: Titel: Fagområde: Virksomhed: Bachelorprojekt Optimeringsforslag til indpumpning af biomasse Maskinlære Bånlev Biogasanlæg Projektperiode: Vinter 2010 Afleveringsdato: 26. marts 2010 Uddannelses institution: Uddannelse: Vejleder: Århus Maskinmesterskole Maskinmester Lars Anders Thomsen, Lektor Omfang: Nummererede sider: 70 Normalsider á 2400 tegn: 33 (79.204/2.400) (Uden bilag og resumé) Antal bilag: 7 Forfatter: Jess Elkjær Studienummer: Klasse: E6 Forfatter underskrift: Jess Elkjær Side 2 af 70

3 Abstract This project is a written assignment by Jess Elkjaer ending the education on Århus Maskinmesterskole as a Bachelor in Technology Management and Marine Engineering. The project is based on my experience from my practical period at Gea Westfalia (Separator) A/S. My work on projects, including the biogas plants, gave me insight in the interesting way of exploiting the energy sources from pigs manure. Gea Westfalia sell decanter machinery to separate the pig manure into 2 contents. The water content is easy nutrient for the plants on the fields. The nutrients in the fibre content are difficult for the plants to gain, because it is encapsulated, and therefore takes long time to exploit. It can, after the separation, be transportet in a standard container, and spread in a certain amount on carefully chosen fields, and reducing the risk of causing environmental problems. As Gea Westfalia had no problemstatement for me to work with, I asked the local biogas plant instead. They had some old machinery in their receiving tank 1 facility, they though about replacing for some time, so they asked me to find replaceable machinery, and to see if they could optimise the biogas production by adding more organic material for increasing the drymatter (DM) content in the biomass to the reaktor. By analysing the drymatter procentage in the homogenic biomass from receiving tank 1, I found approximately 10% drymatter (DM) content. This result was equal to the stated maximum procentage the Biogasunion had said for pumping biomass in a biogas plant. I investigated the matter and found a screw centrifugal pump from Hans Buch, which had been found usable for 15% content of drymatter, although it was a bit different biomass, I found this evidens enough, together with an advising source in the biogas industry 1 who claimed 12% to be the maximum content of drymatter for pumping. As a conclusion there is a potential in increasing the content of organic matter to gain 2% more in the biomass. By using information from Henrik B. Moellers study at the University of Aarhus about Methane productivity of manure, straw and solid fraction from manure 2, I found the methane output from digested organic matter(vs), which is the 80% of the drymatter (DM) content, to be 0,32m 3 N CH 4 /kg VS. I calculated the organic material for increasing the drymatter by 2% in the biomass from the receiving tank 1 and calculated the multiplication from the biogas production with the kwh output. The multiplication of both and prices/kwh to gain, gives an outcome of DKK in 13 th month. The chances of returning the invested capital, in the machinery for the receiving tank 1, are quite good. For making the 1 SMÅ BIOGASANLÆG af NELLEMAN, Rådgivende ingeniør firma 2 (Search for the article) Jess Elkjær Side 3 af 70

4 homogeneous content in the biomass, the machinery for mixing and cutting are very important when pumping the biomass to the reactor. I found the mixing time to be a very important factor. By using 2 LJM mixers (11kW each) gave a quicker mixing time, than the installed 3 Flygt mixers (10kW each) did in my calculation. The cutting machinery called macerator installed, gave the staff at the biogas plant a lot of work, by many stops caused by the biomass material. I found that an ACC module, which is installed on all new Vögelsang macerators today, fixed the scissors by hydraulic pressure and thereby optimise the running hours without too many stops, and free the workers at the plant, for many working hours. The conclusion is that the biogas plant can be optimised by adding new machinery and gaining more gas production with less maintenance in the receiving tank 1 facility. Forord Dette bachelorprojekt henvender sig specielt til maskinmestre eller andre med maskinteknisk baggrund, og er udarbejdet på grund af en særlig interesse for grøn energi, samt gennem viden om emnet fra min bachelorpraktik ved Gea Westfalia(Separator) A/S. Derfor faldt det mig naturligt at skrive projektet med en problemstilling fra et biogasanlæg. Problemstillingen blev til ved en dialog mellem Arne Jensen og jeg, efter de havde undersøgt potentielle projekt emner på biogasanlægget. I forbindelse med min udarbejdelse af projektet, har jeg været i kontakt med flere fagfolk, som jeg gerne vil takke for hjælpen med projekt materialet: Driftspersonalet ved Bånlev Biogasanlæg, med en speciel tak til Arne Jensen, Direktør og Michael Frederiksen, Driftsleder Preben Haulund Vögelsang Danmark Ejner Iversen Lobe ApS Mogens S. Madsen Lind Jensen Maskinfabrik A/S Johnny Andersen Hans Buch A/S Jess Elkjær Side 4 af 70

5 Indholdsfortegnelse 1.Indledning Praktikken Projektet Formålet med Bachelor praktik og efterfølgende projekt Bånlev Biogasanlæg Problemanalyse Problemformulering Problemstillingen Metode og empiri Empiri Metode Afgrænsning Biogassen Den biologiske proces i biogasanlægget Information om biogas teknologien Svinegyllens indflydelse på biogas udbytte Anlægsbeskrivelsen Analysen Analyse af forsøg for bestemmelse af tørstof og densitet Forsøgsbeskrivelse Kommentar til forsøgene Forsøgskontrol Opsummering Analyse af viscositet Analyse af pumpens kapacitet ved den nuværende biomasse i modtagetank Indledning Data for rørsystemet foretaget ved syn, mål og opslag i litteratur Fastlæggelse af pumpens driftspunkt på anlægget Pumpens driftstimer i døgnet Valg af pumpe Analyse af macerator Analyse af mixerer/omrører Den økonomiske betydning for større tørstof tilførsel Beregning af biogas udbyttet i kwh Indtægten fra 2% mere tørstof til biogasproduktionen Løsningsforslag til maskiner i modtagehal Valg af pumpe Valg af macerator Valg af omrører Mit løsningsforslag til sammensætning af maskiner i modtagehal Samlet pris vurdering for mit forslag i forhold til den billigste løsning Jess Elkjær Side 5 af 70

6 7. Konklusion Perspektivering Litteraturliste Bilag Bilagsoversigt: Bilag 1: Oversigtstegning over biogasanlægget Bilag 2: Kontruktionstegning over modtage tank Bilag 3: Pumpekurver, test, macerator tryktab Bilag 4: Korrespondance vedrørende metan og tørstof, samt leveringsseddel på modtagetank Bilag 5: SRO tegninger for Bånlev Biogasanlæg Bilag 6: Tilbud på maskiner Bilag 7: XERGI powerpoint Indledning 1.1 Praktikken Efter gennemført praktik ved Gea Westfalia A/S i Skanderborg, der varede 50 arbejdsdage, kunne jeg se tilbage på en opnået viden omkring separation af væsker. Det var her specifikt gylle og slam der skulle separeres, så man kunne udnytte produkterne bedst muligt. Jeg var med i implementeringen af en ny mobil gylleseparator, der tjente det formål at separere landmandens gylle, så han stod tilbage med gyllevandmasse (ligner ejle) og en faststof masse. Idéen med denne proces var at få den svært optagelige fiber ud og transporteret væk med ladbil, og tilbage er gyllevandmassen, der fylder mindre og optages bedre af afgrøderne, når den blev spredt ud på marken. Dermed har landmanden ikke overkapacitet at skulle afsætte, som i nogle tilfælde betød at han skulle ud og købe jord op eller lave aftaler med andre om udbringningen. Projektet kom til at køre og skulle eftersigende fungere fint. Min nye tilegnede viden om denne form for teknologi vakte min interesse for, at man mekanisk kunne afhjælpe de store forurenings problemer grundet store uoptagede gødningsmængder. Jeg var, i min praktik, med ude på biogas anlæg for at følge op på kørende anlæg, eller medvirke til opbygningen af nye anlægsprojekter. Her fandt jeg ud af at maskinmester kompetancerne rakte langt, da disse projekter indebar brug af en masse af den brede teori, som vi kommende maskinmestre har tilegnet os gennem vores uddannelse. Jess Elkjær Side 6 af 70

7 1.2 Projektet Jeg stod efter praktikken, og skulle vælge bachelor projekt emne. I dialogen med Gea Westfalia A/S var der dog ikke noget konkret emne at bygge videre på, så jeg skulle finde et andet sted, at skrive mit bachelorprojekt. Der var mange muligheder, men jeg ville helst lave noget, der på en eller anden måde kunne relateres til min praktik. Jeg tog derfor taget kontakt til Bånlev Biogasanlæg, og forespurgte her om de havde en problemstilling, jeg kunne arbejde videre med. Det havde de. Problemstillingen var hjemme, og jeg kunne starte på mit projekt. 1.3 Formålet med Bachelor praktik og efterfølgende projekt Hensigten med praktikken er, at jeg som studerende skal kunne drage sammenhæng mellem den teoretiske viden, tillært gennem uddannelsen, og praktiske erfaringer for derved at kunne identificere og analysere emner der er relevante for maskinmesterens profession. Projektet, samt en mundtlig diskussion, vil således danne grundlag for den endelige evaluering af mine evner ud i maskinmesterprofessionen. 1.4 Bånlev Biogasanlæg Bånlev Biogasanlæg modtager gylle, samt andre faststoffer med det formål at få afgasset denne biomasse, og derefter bruge gassen til afbrænding i gasmotorer, og derved udnytte energien i biomassen ved el- og varme produktion. Havde man ikke gjort det, ville landmanden udsprede gyllen på marken, og derved gå glip en stor del energi bundet i gyllen, da planterne ikke udnytter energien fuldt ud. Sidegevinsten er også, at når landmanden henter det afgassede gylle, så er lugten reduceret kraftigt, hvilket vil stille ham bedre over for naboerne, når han spreder gyllenvandsmassen. Der er dog nogle ulemper, så som transport af gyllen og faststofferne til biogasanlægget, hvilket belaster anlæggets samlede CO 2 regnskab. 1.5 Problemanalyse Efter afsluttet praktik ville jeg gerne arbejde med områder der vedrører biogasproduktion. Ønsket kommer af, at jeg i min praktik arbejdede med projektering af dekanter centrifuger til separering af hovedsageligt svinegylle med tørstof andel på ca.3% af det samlede gylleindhold, til en tørstof Jess Elkjær Side 7 af 70

8 andel på ca. 25% af det samlede fiberindhold. Jeg ville derfor gerne lave et projekt hvor denne fibermasse kan bruges optimalt ved at udnytte energiindholdet og skabe et bedre miljø, end ved traditionel udspredning på markerne, eller ved afbrænding med store afgifter, pga. udledning af røggas og høje omkostninger til tørring. På marken er fibermaterialet svær tilgængelig for planternes optagelse af næringsstofferne, og derved giver det uheldige miljøproblemer med de næringsstoffer der er bundet i fiberen. Bånlev biogasanlæg vil gerne have optimeret deres maskiner i modtagehal 1, da maskinerne er ved at være gamle og udtjente, samt at man erfarede at der var tilstopningsproblemer især i deres macerator. De ville desuden gerne have undersøgt muligheden for, at kunne sætte deres gasproduktion op, ved tilførsel af mere faststof i biomassen til deres rådnetårne. Jeg er derfor blevet bedt om at undersøge dette nærmere. 1.6 Problemformulering Bånlev Biogasanlæg har været i drift siden Man har taget nogle valg i forbindelse med etableringen, der ikke i alle tilfælde har vist sig rigtige. Man har et modtage system, som består af forskellige tanke, hvor der aflæsses forskellige faststoffer, samt en modtagehal 1, hvor der både indgår organisk faststof bestående af f.eks. slagteriaffald, grøntaffald, hønsemøg, m.m., samt svinegylle. Tankene i modtagesystemet er firkantede, og derfor ikke særlig velegnet til homogenisering af biomasse gennem omrøring, da sammenklumpning i hjørnerne er nærmest uundgåeligt. I modtagehal 1 fyldes faststoffet i, i den ene ende og blandes via 3 stk. omrører med gyllen, og den tilnærmede homogene masse pumpes videre via en rørstrækning til doseringsmodulerne i en anden hal 3. Problemet er at der til tider ophobes klumper, der sætter sig fast i den efter pumpen følgende macerator, hvis opgave består i at findele biomassen. Man vil gerne have løst dette problem, for at kunne køre en stabil drift uden de uhensigtsmæssige driftsstop. Derudover ønsker man så meget tørstof ud som muligt til rådnetårnene, da man mener det skulle give en højere biogasproduktion. Foruden denne formentlige yderligere gevinst, vil man gerne have undersøgt mulighederne for udskiftning af maskinerne i modtagetank 1, med henblik på en eventuel besparelse og/eller mere effektivitet i driften. I forbindelse med en evt. ny tankudskiftning, hvor man vil lave oval tankudformning, vil man etablere en overjordisk modtagehal til faststoffet der tilsættes gyllen i modtagetank 1. Ved hjælp af en foderdoseringsmaskine påsat en traktor, er planen at transportere faststoffet til modtagetankens loft (der er i gulvplan), og herfra doseres tørstoffet ned 3 Bilag 5 (SRO print over biogasanlægget fra modtagetanke til Doseringsmodulerne(DM) i hallen ved siden af) Jess Elkjær Side 8 af 70

9 i gyllen, hvorefter omrører, pumpe og macerator sørger for at massen kommer homogent over gennem rørføring, til doseringsmodultankene i hallen ved siden af. Jeg vil gerne undersøge metan udbyttet i en evt. modtaget fiber, separeret fra svinegylle, som det faststof der tilsættes biomassen, for opnåelse af højere tørstofprocent. Dermed udnyttes gyllen fra landmanden endnu mere i biogasproduktionen. Det vil skabe bedre økonomi på anlægget ved et højere biogasudbytte Problemstillingen At optimere maskinanlægget i modtagehal 1, så der opnås et homogent, driftsikkert og besparende biomasse flow, samt undersøge muligheden for øgning af tørstofindholdet fra gyllefiber i biomassen for evt. øget gasproduktion, så der bidrages til en bedre økonomi for anlægget. 1.7 Metode og empiri Empiri Der vil i projektet blive anvendt empiri, da mange af de undersøgelser der bliver foretaget er baseret på viden fra fag personer, der fra erfaringsmæssige undersøgelser har fundet svar på deres spørgsmål om det bestemte emne Metode Der er anvendt induktive undersøgelser fra min side, da det bygger på videnskabelige konklusioner eller en generel viden om emnet ud fra empirisk materiale. Jeg er herved bevidst om, at der kan være andre forklaringer i virkeligheden, men da de ikke er belyst endnu, må jeg konkludere at det er sådan på nuværende tidspunkt. Anvendelsen af reliabilitet og validitet bruges i forbindelse med forsøg i projektet, velvidende at begge muligvis ikke har lige højt niveau gennem alle forsøgene. I projektet vil der være sammenhænge af deduktionskarakter, da yderligere undersøgelser kræves for at vide om sammenhængen er sand. Det er specielt i de sammenhænge hvor jeg selv skal tage stilling til det pågældende emne at jeg, på grund af min forholdsvis begrænsede viden, må foretage en deduktiv beslutning. 4 Videnskabsteori for begyndere af Torsten Thurén Jess Elkjær Side 9 af 70

10 1.8 Afgrænsning I forbindelse med problemstillingen vil jeg kun undersøge maskinerne i modtagehal 1 med macerator, omrører og pumpe. Velvidende at det er en sammensat proces, der har indflydelse på andre dele af processen når man ændrer på en del. Det vil dog være naivt af mig at tro, at det hele fungerer vedvarende som følge af disse ændringer, derfor vil undersøgelser af hele anlæggets drift efter ændringerne være en selvfølge at skulle foretage. Ved manglende viskositetsmåler har jeg måtte antage, ud fra syn, at viskositeten ligner rapsolie med en viskositet på 75Cst ved 20 C i sejhed, velvidende at det er 2 forskellige væsker 5. Tiden til at finde en viskositetsmåler har ikke været der i det korte projektforløb. Jeg vil ikke se på udgifterne i forbindelse med en tørstof forøgelse i biomassen, undtaget de fundne priser på maskinerne, da jeg behøver et sammenligningsgrundlag, foruden de funktionelle egenskaber, for senere at kunne bestemme de økonomiske rammer for et evt. indkøb. Ventilen ved hver doseringsmodul er ikke medtaget, da jeg ikke har fundet data på den, og derfor ikke kender typen. De vil naturligvis bidrage til modstand i rørsystemet, så de skal undersøges mht. type, og den opslåede enkeltmodstand skal regnes med ind ved det endelige pumpe valg. Der mangler NPSH, samt virkningsgrader for pumper og maskiner, hvilket gør at jeg ikke er i stand til at beregne og vurdere dem. Det er dog fabrikanten der skal garantere NPSH, så det vil være et krav ved bestillingen. Jeg vil bare nævne, at jeg er klar over denne mangel. 2. Biogassen 2.1 Den biologiske proces i biogasanlægget 6 I dette afsnit vil de biologiske aspekter af biomassen blive oplyst, samt den generelle måde biomasse omdannes til biogas på, med vægten lagt på den aktuelle biomasse i modtagetank 1 på Bånlev Biogasanlæg. Biomasse er en fælles betegnelse for organisk materiale og/eller husdyrgødning. Betegnelsen bruges for at hentyde, at man har noget der kan omsættes via mikroorganismer enten som foder, kompost eller i et biogasanlæg. I projektets tilfælde til biogas, der kan afbrændes i gasmotorerne til produktion af varme og el Biogas- grøn energi af Peter Jacob Jørgensen, PlanEnergi Jess Elkjær Side 10 af 70

11 Mikroorganismerne i processen er dem der genererer biogassen, hvilket sker ved at fortære føde i form af organiskaffald eller husdyrgødning (faststoffer). Der er tale om både makro- og mikronæringsstoffer, som metanbakterierne (Alment brugt udtryk for mikroorganismerne i biogasanlæg) kræver for at kunne vokse og dermed danne mere gas. Vigtigste makronæringsstoffer er kvælstof(n), fosfor(p) og kalium(k). De stoffer de omsætter til gas er vist på fig. 1, som det ses er der flere nedbrydningstrin ved omsætningen. Fig. 1 Metanbakteriernes omsætning af stoffer fra organisk materiale og husdyrgødning til biogas. Kvælstofindholdet er ofte angivet i forhold til kulstof (C/N forholdet), og normalt vil det ligge på under 30/1, for tilstrækkelig tilstedeværelse af kvælstof for metanbakteriernes vækst. Til gengæld må forholdet ikke blive for lavt, da for meget kvælstof kan skade processen, hvor et større indhold af ammoniak vil blive udskilt. Ammoniakken (NH 3 ) er dog både en vigtig næringskilde til vækst for bakterierne, men samtidig også hæmmende eller endda giftig i for store mængder. I vandig Jess Elkjær Side 11 af 70

12 opløsning ser ligevægten således ud NH 4 NH 3 + H +. Ammoniumet NH + 4 er ikke giftig for bakterierne, hvilket gør at ligevægten er vigtig for stabil proces. Det der kan ændre ligevægten er ph og temperatur. Ændringer i koncentrationer vil derfor også have en stor negativ virkning på ligevægten, hvilket specielt ses ved gylles høje ammoniak koncentration indhold (Omdannes i dyrets mave af tarmbakterierne). En langsom ændring af de angivne parametre kan til en vis grad vænne bakterierne til miljøet. Fosfor giver energi i form af ATP til bakterierne. Kalium er vigtigt, bla. fordi det virker syreneutraliserende. Fig. 2 Mikronæringsstoffer i biomassen Foruden mikronæringsstofferne der er en slags vitaminer for mikroorganismerne (se fig.2). Andre hæmmende stoffer i biomassen er antibiotika og desinfektionsmidler, der i store mængder kan være dræbende for bakterierne, eller virke hæmmende i små doser. Det er en balance gang, når man skal optimere et biogasanlæg, og mange analyser er derfor vigtige for at køre en optimal produktion på anlæggene. Er der for meget af et næringsstof, kan det virke hæmmende for bakteriernes vækst og biogasproduktionen, men er der for lidt har man ikke den optimale biogasproduktion. Man skal altså indstille processen, så den lige akkurat er optimal. Fedtstof er et omsætningsstof, der kan give en markant stigning i metan gassen, men samtidig kan for store mængder hæmme processen, pga. indholdet af VFA (volatile fat acid = flygtige fedtsyrer). Med andre ord skal man sørge for at mætte bakterierne med næringsstoffer af forskellig art, og i nogenlunde rigtige mængder hele tiden, og samtidig være opmærksom på de hæmmende faktorer, målbare ved temperatur og ph på anlægget. Metanbakterierne er opdelt i 2 grupper ved biogasfremstilling de mesofile og termofile bakterier. De mesofile bakterier er de mest modstandsdygtige af de 2 typer, men er langsommere til at fortære og omdanne føden til gas. Mesofile bakteriers temperatur skal ligge mellem ºC, hvorimod termofile bakteriernes temperatur skal ligge mellem ºC. Termofile bakterier er følsomme over for temperaturændringer, og må ikke have større ændringer end ±0,5 ºC ved temperatur Jess Elkjær Side 12 af 70

13 omkring 52 ºC. Det er derfor ofte mesofilebakterier der vælges til brug ved gasproduktion, selvom de tager længere tid om at producere, er de mindre følsomme end de termofile bakterier. Det endelige produkt af biogas består af 60-70% metan (CH 4 ), 30-40% Kuldioxid (CO 2 ), 0-2%vanddamp(H 2 O), 0-2% svovlbrinte (H 2 S), samt aerosoler(sod og eller støvpartikler i mindre end 1µ størrelse). 7 De biogasanlæg der er fuldtidsbemandet kan imidlertid, med deres overvågning af processen, køre termofil drift, hvilket Bånlev Biogasanlæg gør. De har 2 reaktorer til hver af de 2 produktionsformer. 2.2 Information om biogas teknologien I dette afsnit beskrives biogassen udbredelse og hvordan biogassen udvikles. Biogasanlæggene blev introduceret i danske landbrug i slutningen af I dag er der 20 fælles biogasanlæg(f.eks. Bånlev), samt 60 gårdanlæg. Idéen til biogas kom af den voldsomme udvikling i olieprisen, der blev betegnet som en krise. Investorerne var interesseret i at udnyttede den gas man kunne uddrive af husdyrgødning, samt affaldsprodukter fra industrien, ved at opvarme det og dyrke bakterier der kunne fortære denne masse og udvikle gassen. Den udviklede gas kunne derefter akkumuleres og efterfølgende brændes af i gasmotorer med påbyggede generatorer til elproduktion, samt udnytte varmen fra motor og røggas til varmeproduktion. Selve opdykningen af disse mikroorganismer/metanbakterier der kan fortære biomassen (sammenblandingen af husdyrgødning og industriaffald) og danne biogassen, kan forklares på følgende måde: Der tilføres bakterier/mikroorganismer til en mængde biomasse, som derefter med tiden vokser og omsætter dele af biomassen til biogas. Man har altså fra et anlægs start fået tilført podet materiale af mikroorganismer fra et andet anlæg (Pga. det skal være rene mikroorganismer). Man sørger herefter for at der hele tiden pumpes ny biomasse ind, og pumper den afgassede biomasse ud, dermed kan man holde liv i mikroorganismerne og holde gasproduktionen oppe. Det lyder meget simpelt, men det er det ikke. Der er en del tilstande ved biomassen der, hvis den ikke doseres i de rigtige forhold, kan forringe biogasproduktionen. Disse tilstande er: ph (skal ligge mellem 6,5 til 8)-, NH 3 (ammoniak), temperatur niveau, samt VFA(Flygtige fedtsyrer). Der kan køres 2 driftsformer, som er mesofil- og termofil drift ved anaerobt (ilt frit) miljø. Ved mesofil drift, er der 7 Gas Ståbi af Teknisk Forlag 1993 Jess Elkjær Side 13 af 70

14 mikroorganismer til stede, som kan leve ved temperaturer mellem 15-45gr., og er samtidig ikke så sårbare over ændringer i temperatur og biomasse. Til gengæld kræver de længere opholds tid, for at kunne afgasse mest optimalt. Ved termofil drift (40-65gr.) er mikroorganismerne mere påvirkelige over for nævnte ændringer, men til gengæld hurtigere til at omsætte biomassen til optimalt biogasudbytte, endvidere bliver udbyttet større end ved samme mængde biomasse ved mesofil drift. Ved at kombinere begge driftsformer, vil man kunne opnå et mere forudsigeligt minimum udbytte af gas, samt mindre sårbarhed ved uheld med forkert biomasse sammensætningen, da henholdvis mesofil- og termofil mikroorganismer giver forskellige gasudbytter ved forskellige biomasse sammensætninger. Det gør også, at man selv kan kombinere den biomasse man vil have tilført, i forhold til hvad der giver mest overskud økonomisk set. Det er dog ikke noget der gøres i stor stil, da man har fastsatte aftaler om hvad, og hvor meget man skal aftage fra leverandørerne til biogasanlægget. Man skal f.eks. aftage alt det gylle der kommer fra de landmænd man har lavet aftale med, samtidig ejes biogasanlægget af flere af de andelshavende landmænd, der prioriterer at få afgasset så meget gylle som muligt, da der er flere fordele for dem i at få afgasset gyllen end økonomien på biogasanlægget. Findelingen af biomassen har også betydning for processen, da det giver finere partikler og dermed en mere homogen masse, der bla. pga. overfladen nemmere kan optages af mikroorganismerne end en klumpet masse kan. Maceratoren udgør derfor en vigtig bestanddele af de maskiner der findes på biogasanlægget. Omrøringen i modtagetanken bidrager til at massen bliver homogen, der gør biomassen nemmere at optage for mikroorganismerne, samt medvirker til at der ikke sker ophobninger i, tank, pumpe og macerator. Samtidig kan man også bedre forudsige tørstof procenten i den homogene biomasse. Man får endvidere en målbar masse til forsøgsprøverne, for at finde ud af de rigtige sammensætninger af gylle og faststoffer, mht. indhold af fedt, protein og kulhydrater, der er essentielle næringsstoffer for methanbakterierne i de optimale mængder. Ved forkerte mængder kan man risikere, at der er spildte energier i de ikke fortærede næringsstoffer, der kommer ud af anlægget, samt at bakterierne måske i perioder mangler andre vigtige næringsstoffer, og dermed ikke vokser tilstrækkeligt. Processen er svær at styre 100 procent, pga. de mange faktorer der skal spille sammen, men det er vigtigt at tilstræbe, at lave den bedste blanding ved indpumpningen. Ved indpumpningen sættes der dog en begrænsning for hvor meget tørstofmængde biomasse kan indeholde, hvilket skyldes at der er en maksimal procent tørstof der kan indpumpes, hvilket igen sætter grænsen for hvor meget mikroorganismerne har at omsætte. For at optimere processen mest muligt, har forskere derfor undersøgt, hvilke stoffer i biomassen der giver mest biogasudbytte. Jess Elkjær Side 14 af 70

15 2.3 Svinegyllens indflydelse på biogas udbytte I sidste afsnit fortalte jeg om tørstoffets indflydelse på biogassen. I dette afsnit vil jeg komme mere ind på tørstoffets betydning for biogasproduktionen, og vise, ud fra kilder, at mere tørstof har betydning for et øget biogasudbytte. XERGI 8 har undersøgt optimale tørstof forhold ved blandet biomasse, og er kommet frem til at mindre end 85% vandindhold er optimalt, dvs. tørstof procent på 15% eller højere for at få de mest ideelle vilkår for mikroorganismerne ved biogas produktion. Der er dog ingen reference til denne udmelding. Jeg har derfor taget kontakt til det jordbrugsfaglige videnskabelige fakultet ved Århus universitet, der har et forsøgsanlæg i Foulum der bruges til forskellige forskningsprojekter. Validiteten og reliabiliteten er højere her, fordi kilden er forskerne, og deres resultater er direkte baseret på mange konkrete forsøg, hvor ingen økonomiske interesser er afgørende for, hvor pyntede resultaterne er. Forskerne er ude efter at finde de rigtige sammenhænge, og ikke at få profit af at gøre resultaterne bedre end de er, for de virksomheder der kunne have interesse i det. For at finde ud af om man kan få mere biogas ud med tilsætning af gyllefiber med tørstof indhold på 25%, har jeg snakket med biogas afdelingen på det jordbrugs faglige fakultetet ved Århus universitet, samt undersøgt de skrevne materialer der er om emnet. 9 Grunden til jeg undersøger flere, er for at finde ud af, om man kan stole på de resultater der findes i offentligheden, og om man derfor kan regne med det de skriver. Ved det jordbrugs faglige fakultetets biogas afdeling fik jeg fat i Alastair James Ward, samt Henrik B. Møller, sidst nævnte er meget kendt i biogas branchen for sine undersøgelser. Alastair gav mig, via. mail, et beregningseksempel på, hvor meget gas der kan udvikles fra 1% mere tørstof. Henrik B. Møller har skrevet en engelsk rapport om metan produktion fra gylle og halm, hvori der er beskrevet hvor meget metan man kan hente ud pr. kg VS. Her er hvad de enkelte har fremlagt om svinegylle: Alastair James Ward: 0,37m 3 N CH 4 /kg VS(Min udregning udfra hans værdier) 8 Bilag 7(Konsulent firma ved etablering af biogasanlæg, samt entreprenør for udbygning af biogasanlæg) 9 Bilag 6 (Methane produktion from manure straw and solid manure af Henrik B. Møller) Speciale rapport Biogas på rette kurs : &rlz=1t4suna_endk317dk219&q=biogas+p%c3%a5+rette+kurs Biogas- grøn energi af Peter Jacob Jørgensen, PlanEnergi Jess Elkjær Side 15 af 70

16 Henrik B. Møller: Gennemsnit i forsøg (( )/2)l N CH 4 / kg VS = 315,5 l N CH 4 /kg VS 0,32m 3 N CH 4 /kg VS Speciale rapport Biogas på rette kurs og biogasbranchen: 22m 3 Biogas / tons svinegylle med 3% tørstof 22m 3 Biogas/30kg VS 0,73m 3 Biogas/kg VS 0,47 m 3 N CH 4 /kg VS(40%) Biogas Grøn Energi: 0,37m 3 Biogas /kg VS(Min beregning ud fra hans værdier) Det ser ud til at branchen lover mere end den kan holde. Jeg vil bruge forskernes beregning til min vurdering af muligheden for økonomisk rentabilitet senere i projektet. Dermed sikrer jeg mig et højt niveau af reliabiliteten og validiteten, da forkerne anvender anerkendte metoder til fremvisning af deres resultater. Jeg vælger derfor at bruge Henrik B. Møllers resultat på 0,32m 3 N CH 4 /kg VS. 3. Anlægsbeskrivelsen 10 Bånlev Biogasanlæg har et modtagesystem, der består af 6 modtagetanke. Hver modtagetank indeholder hver deres biomasse. Fra hver tank pumpes massen gennem et rørsystem over til en anden bygning, hvor selve hygiejneseringen foregår. Tankene er firkantede, og modtagetank 1 er opbygget i lille L-form 11. Modtagetank 1 indeholder gylle tilsat forskellige faststoffer med hver deres tørstof procenter 12. For at sikre en homogen masse, der kan videre pumpes til anlæggets doseringstanke, og sikrer optimale homogeniserende vilkår for bedst mulig biogasproduktionen, bliver biomassen omrørt af 3 stk. Flygt omrører af typen Den homogene oprørte masse pumpes med en Flygt centrifugal dyk pumpe af typen Biomassen pumpes gennem et 100mm (indvendig diameter) rustfrit stålrør op igennem en Vögelsang macerator af typen Rota Cut type 3000 Inline, hvor den findeles, inden den strømmer videre i et 113mm(indvendig diameter) rustfri rør til en fælles macerator type 3000 Inline, hvor biomassen igen findeles og føres videre til de enkelte doseringsmoduler med påsat afspærringsventil inden rørudmundingen i doseringsmodultanken hvor biomassen hygiejniseret ved 70gr, så bakterierne slåes ihjel, hvilket er et krav for at undgå smittefarer og uønsket bakterievækst på anlægget, samt recirkuleret via. med pumpe fra top til bund for at give en ensartet temperatur i biomassen, og dermed sikre at alt bliver 10 Bilag 5 11 Bilag 2 12 Bilag 4 Jess Elkjær Side 16 af 70

17 opvarmet til den fastsatte temperatur. Der er på rørstrækningen fra pumpen til modtagetankene 20x90ºbøjninger, 2x45ºbøjninger, 2xT-stykke samlinger, og en samlet rørlængde til det doseringsmodul der er længst væk på 89meter. Den geometrisk løftehøjde for pumpen er på 11meter. Den steriliserede biomasse bliver efter DM tankene indpumpet i reaktortankene/rådnetårnene og omrørt ved anaerobe forhold. I de 2 mesofiludrådnende tanke bliver biomasse ledt ind i både top og bund, for at undgå for meget bundfældning og en opblæsning af biomassen, derved undgås for stor bundfældning af biomassen. Den termofile skal behandles mere skånsomt, så massen ledes ind for oven, hvilket gør at det kun er flydelaget der bliver bevæget voldsomt. Der er dog omrører i begge tankene, der sørger for bevægelse i massen for at undgå for tykt et flydelag, og dermed forbedre gasproduktionen. Mesofiludrådningen er knap så følsom overfor top og bund indpumpningen, som de 2 termofiludrådnende tanke med max temperatur svingninger på (±0,5 ºC ved 52 ºC), derfor kan det lade sig gøre i de mesofiludrådnende tanke. Opholdstiden er i gennemsnit 22dage for mesofiludrådning, men kortere ved termofil, da disse bakterier er bedre til at afgasse biomassen. Det er dog nærmest umuligt at få det ældste biomasse ud af raktoren først, da der hele tiden ind- og udpumpes biomasse fra reaktorerne, og der samtidige omrør af massen, derfor siger man gennemsnitlig opholds tid. Det betyder, at der kan være mere gas i det der pumpes ud. Den udpumpede biomasse strømmer til efterlagertankene, hvor der via. et gastæt låg afgasses endnu engang, og denne gas ledes, som gassen fra reaktorerne, til gasrenseren og videre til gasoplagringen der består af en halv kuppel. I bunden af efterlagringstankene sidder der pumper der pumper biomassen til en udleveringstankene, hvor landmændene kan hente det, og gøde deres marker(næsten lugt frit). Gassen der er opsamlet kan nu via. et booster system ledes til enten fakkel (Til afbrænding i det fri), eller til 4 stk. gasmotorer (2 stk. Jenbacher og 2 stk. caterpillar) med påmonteret aksel generator (El produktion). Varmen fra røggassen passerer et varmevekslersystem (Varmeproduktion(Røggas og motorvarme)), inden den ledes gennem røgrensningsfiltre til det fri. 4. Analysen I dette afsnit vil der blive analyseret på hvor meget pumpen kan flytte af den tilstedeværende homogene masse fra modtagetanken til homogeniseringstanken, samt analyser der undersøger densiteten, tørstofindhold, viskositeten, samt macerator og omrørernes indvirkning på homogeniseringen af biomassen. Jess Elkjær Side 17 af 70

18 4.1 Analyse af forsøg for bestemmelse af tørstof og densitet For at kunne lave beregninger på maskiner ved modtagetank 1, og kunne vurdere de forhold maskinerne kører under, vil en undersøgelse af tørstof niveauet i biomassen være vigtig. I dette afsnit vil der være forsøgsanalyser til fastlæggelse af dels tørstof procenten, samt densiteten til brug ved pumpe beregningerne i afsnittet analyse af pumpens kapacitet. Endvidere vil der blive lavet en kontrol af analysen for at gøre reliabiliteten højere Forsøgsbeskrivelse For at kunne bestemme tørstof niveau og densitet har jeg undersøgt hvad der skal til for at kunne udføre forsøget. På bånlev havde man nogle prøvetagningsflasker, en tørreovn, vægt, foliebakker til ovnen, og måleglas i ml skala. Jeg lavede en test af hvor mange ml der kunne være i en foliebakke, hvilket var 100ml. Ved at omregne målet og veje foliebakken inden tørringen kunne jeg regne mig frem til et resultat af densiteten forholdet i biomasse prøverne. Jeg foretog prøver af biomassen i modtagetank 1 ved at bruge en 3meter lang stang med påsat kop. Jeg valgte at tage 3 forskellige prøver hver dag på 3 forskellige dage, dvs. 9 prøver, for at have et hvis validitetsniveau at vurdere på. Jeg satte det fyldte bæger med afvejet biomasse i ovnen ved 100 ºC i 2 døgn (Efter anvisninger som Bånlev Biogas havde godkendelse til at bruge). De tørre bakker blev vejet, og derefter kan tørstofprocenten beregnes. Følgende regneark viser forsøgsmålingerne med resultater på densitet og tørstof 13 : Kommentar til forsøgene I følge kilder skulle tørstofprocenten ligge mellem 8-10%, for at kunne pumpes. I dette tilfælde er den over 13% i gennemsnit, og ser man på en af prøvedagene, så er den helt oppe på 15%. Der er et udsving fra ca. 11% til 15%, hvilket ikke giver en stor uvished af prøverne. Dette skyldes 13 Se excel-ark på vedlagt CD-ROM Jess Elkjær Side 18 af 70

19 formentlig, at det faststof der er i biomassen fra forsøgsdag 2 og 3, har haft en evne til at holde noget af vandet tilbage ved tørringen, da massen var fugtig og ikke helt tør. Konklusionen må være at man ikke kan regne med forsøget samlet set. Det første forsøg er imidlertid retvisende, da dette var helt tørret ud, jeg må ud fra et spinkelt grundlag med 3 forskellige prøver på samme forsøgsdag, samt vurderingen fra anlæggets laborant, vurdere at det var tørt nok, hvilket vil sige at forsøget viser et indhold i biomassen på mellem 11 % - 12% tørstof, hvilket faktisk skulle være muligt, da en kilde mener det er muligt at pumpe med op til 12% tørstof i biomassen 14. Endvidere har jeg fundet en skruecentrifugalpumpe, der jo fungerer efter centrifugal princippet, bare med et skrue formet pumpe hjul i stedet for blade, der har været testet til 15% tørstof (Mere om dette senere i pumpe analyse afsnittet). Med de betragtninger er det ikke usandsynligt at den nuværende pumpe kan klare mellem 11-12% tørstof i biomassen. Densiteten i biomassen ved forsøgsprøverne viser, at biomassen er lidt tungere end vand, hvilket passer med at tørstoffet synker til bunds i prøveflaskerne, så reliabiliteten her må siges at være høj, selvom der er lidt udsving, men det kan skyldes at prøverne ikke har været helt homogene. Det ses dog ved forsøgsdag 2 og 3, at densiteten ligger lige lidt højere end ved forsøgsdag 1, hvilket kan skyldes en anden faststofblanding, som vi så med tørstoffets evne til at tørre. Gennemsnittet viser imidlertid at den generelle homogene biomasse ligger på 1050kg/m 3. Man kan sige ud fra de 3 prøver at det er et retvisende billede, dog skal det siges, at der jo er brugt et målebæger til at måle ml indholdet, hvilket ikke er helt præcist, men det må dog vurderes til at være en lille forskel, der ikke har den store betydning, samt at det er en brugt metode. Man kan dog sige, at validiteten ikke er helt så høj, da der ikke er mere end 9 forsøgsprøver at sammenligne med Forsøgskontrol 15 For at lave en kontrol af mit forsøg med tørstofindholdet, vil jeg lave en sammenligning med et udleveret vægt skema over leveret biomasse til MT1. Jeg har herefter lavet beregninger, for at se om jeg kan teste mine forsøg. De viste værdier i kg er baseret på vejninger i perioden fra 1. januar 14 SMÅ BIOGASANLÆG af NELLEMANN, RÅDGIVENDE INGENIØRER OG PLANLÆGGERE A/S 15 Se excelark på vedlagt CD-ROM Jess Elkjær Side 19 af 70

20 2009 til 1. februar 2010 (397dage). Tørstof procenten er oplyst af Bånlev Biogasanlæg på de enkelte stoffer i biomassen. 16 Skemaet viser, at der bliver en homogen masse med tørstof på 10,29%. Man ser at værdien er lidt under niveauet fra forsøgene den første forsøgsdag, hvilket viser at forsøget denne dag er tilnærmelsesvis retvisende. Det skal dog siges at der har været forskellige leveringer på forskellige tidspunkter, hvilket gør at der vil være udsving i tørstof procenter over tiden, men niveauet på 10,29% lever op til det branchen siger er muligt at pumpe med. Gyllemængden har jeg regnet om i kg og på 57ugers basis. For at se hvor stor betydning gyllen har på tørstof procenten, viser følgende skema biomassen uden gylle: Gyllen har lav tørstof procent og bærer derfor hovedansvaret for den generelt lave tørstof procent i biomassen, og gør den mulig at pumpe. For at gøre det lidt mere visuelt, viser næste skema den faktiske tankvolumen med biomassens fordeling: 16 Bilag 4 Leveringsliste over modtagne stoffer til modtagetank 1 Jess Elkjær Side 20 af 70

21 Skemaet viser, at tørstof procenten stadig ligger på 10,29%, og passer derfor med skemaet med den årlige levering i tørstof procent. Det er tidligere nævnt, at biogasbranchen mener at tørstof procenten i biomassen skal ligge på max 10%, hvilket passer godt med skemaet pr. fyldning, men som nævnt bliver der foretaget forskellige leveringer, så tørstof niveauet vil ændre sig en smule over tid, det er omrørerne der sørger for stabilt tørstof indhold i massen, og er der ikke ordentlig omrøring, vil der være større koncentrationer i biomassen. Pumpen kan derfor godt med mellemrum være temmelig udsat. Ud fra mine undersøgelser omkring mulighed for pumpning med højere tørstof indhold, har jeg fundet en pumpe der er testet til at køre med 15% tørstof i en biomassen, selvom mediet var en substans med affald fra ølbrygning, er det stadig en kombination af væske og tørstof i en sammenblanding, så ud fra denne undersøgelse mener leverandøren af den testede pumpe, at det kan lade sig gøre. For at kunne sige noget om hvordan leveringer hænger sammen med tank indhold og forbrug har jeg fundet en målfast konstruktionstegning over modtagetank 1 i arkiverne på Bånlev Biogasanlæg. Det derfor muligt at finde ud af, hvor meget de enkelt leveringer fylder i tanken i forhold til tank volumen og forbruget af pumpet biomasse. Skemaet her er lavet ud fra leveringsforholdet: Jess Elkjær Side 21 af 70

22 Det er nu muligt, ved omregning af levering i kg til volumen, at se hvor meget 1 levering af hvert stof fylder i tanken. Ved alm. rumfangsberegning af konstruktionstegningen, fik jeg det til 1150m 3. Tankfyldningen er: kg/(1050kg/m 3 ) = 244m 3 pr. levering til biomassen. Hvor meget udgør det i % af hele tank volumen: 244m 3 /1150m 3 *100% = 21%. Niveauet er ikke specielt højt, men da der næsten dagligt bliver fyldt store mængder i, vil niveauet være højere. Der er altså plads nok i tanken. Dagligt tankforbrug bliver pr. dag: 96/1150 m 3 = 8% af tank volumen., hvilket passer fint med niveauet af leveringer til tanken. Det skal her bemærkes, at jeg er klar over, at der ikke bliver brugt så meget, i forhold til det der tilføres pr. levering, men da leveringerne ikke alle kommer dagligt, regner jeg med at niveauet passer. Det er naturligvis noget man holder øje med, og foretager bestillinger efter. Set ud fra indholdet ved 1 levering af hver del til biomassen bliver tørstof procenten knap 11%, hvilket igen hænger godt sammen med henholdsvis forsøg og udregning, og igen kan man ikke helt regne det, da leveringerne ikke kommer efter hinanden, og nogle faststoffer kommer oftere end andre Opsummering Det samlede resultat ved forsøgsanalysen og forsøgskontrollen var, at der forefindes et tørstof niveauet på omkring de 10-11% i biomassen ved homogeniseringen. Det passer med den tørstof procent i massen man i branchen regner med kan pumpes igennem, og har endvidere fundet en kilde der beskriver opstart af biogasanlæg, hvor der kan pumpes helt op til 12% tørstof. Reliabiliteten blev højere efter at jeg foretog en forsøgskontrol. Jeg har dog fundet test beskrivelser der viser mulighed for udpumpning af 15% tørstofindhold 17, selv om det ikke er helt det samme medie, men stadigvæk en blandet masse af væske og tørstof. Der er altså muligheder for at kunne få mere tørstof pumpet ud, hvis dette passer. Densiteten ligger lidt over vands, hvilket også må vurderes at have et rimeligt højt reliabelt og validitets niveau, da tørstof synker til bunds, og dermed er tungere end vand ved alle forsøgene. Ved forsøgskontrollen blev det vist at tankfyldningerne passer med det aktuelle forbrug, hvilket dermed beviser leveringsskemaets rigtighed. 17 Bilag 4 HUS Pumpe fra Hans Buch Jess Elkjær Side 22 af 70

23 4.2 Analyse af viskositet Denne analyse har desværre ikke kunne lade sig gøre. Jeg har forsøgt at låne et måle apparat forskellige steder, men uden held. Jeg har hørt skolen om indkøb af dette, og da tilladelsen var givet var leveringstiden for lang. Jeg har derfor ved syn skønnet viskositeten til at ligne en alm. madolie fra raps ved 20ºC med en viskositet på 75Cst. 18. Grunden til dette skøn er at jeg skal have en reference, som ligner og som man kan finde en viskositetsmåling på, alternativet ville være at sige at biomassen sidestilles med vands viskositet, hvilket vil være en antagelse i den forkerte retning. Med rapsoliens viskositet ved jeg at det er et fedt stof, og da både gylle, slagteriaffald og hønsemøg også indeholder fedt, og det tykhedsmæssigt ligner hinanden, vil det være en udmærket tilnærmelse at sige dette, velvidende at det ikke kan sammenlignes. 4.3 Analyse af pumpens kapacitet ved den nuværende biomasse i modtagetank Indledning I problemstillingen er det beskrevet at der skal optimeres på maskinerne, så der kan pumpes biomasse med størst mulig biomasse fra modtagetank 1 til doseringstankene. Dette afsnit vil fastlægge den netop krævede pumpekapacitet der skal til, for at pumpe den nuværende biomasse med det tørstof det indeholder. Grunden til denne beregning er at finde frem til pumpens yde evne i forhold til det krævede. Der vil blive regnet med viskositet som rapsolie, da det antages, ud fra syns betragtninger, at de ligner hinanden i sejhed. Herefter vil jeg se på om der er alternative pumper end den eksisterende, der er mere optimal at bruge. Forsøgene der blev foretaget til bestemmelse af tørstof procenten viste at tørstofindholdet ligger i gennemsnit på 13%, hvilket var misvisende pga. at massen ikke var gennem tør, hvilket gjorde den gennemsnitlige tørstof procent højere end den egentlig var. Jeg har derfor ud fra oplysninger om de enkelte dele i biomassen beregnet mig frem til tørstof niveau på 10,29%, hvilket passer godt med at man generelt i branchen mener at max 10% tørstof i biomasse er muligt at pumpe. Jeg har dog, som nævnt på forrige side set, at der kan køres 15% tørstof igennem en skruecentrifugal pumpe fra Hans Termodynamik kap af Aage Birkkjær Lauritsen mfl. Pumpedrift og energi af Thomas Heilmann Jess Elkjær Side 23 af 70

24 Buch, der står at den kan det, men selve testen af pumpen forklarer at man har kunnet kører meget mere tørstof igennem end tidligere, hvor niveauet var ca. 8%. Den nuværende pumpe yder 100% ved den maksimale tørstof procent jvf. biogas branchen. Densitetsforsøget ligger i gennemsnit på 1050kg/m 3. Viskositeten af rapsolie ligger på 75Cst 20 ved 20ºC Minimums flow fra modtagetank 1 til doseringsmodulerne: Modtagetank 1 pumper 6000kg 16 gange på 24 timer. Pr. indtag : 6000kg = 6000l = 6m 3 Pr. døgn : 6*16 = 96m 3 Pr. time : 96/16 = 6m 3 Opvarming af hygiejneseringstanken tager 60min = 1time Max tid pr. indpumpning = 24timer/16gange - opvarmingstiden = 1 ½ - 1time = ½ time Krav til pumpning af biomasse minimum = 6m 3 /½ = 12m 3 /h Dette er worst case, hvor kun 1 doseringstank er i drift, men der er 4 i alt, så når jeg tager højde for opvarmningstiden, så kunne man påfylde en af de andre 3, og man behøver dermed ikke ventetiden, samt da alle modtagetankene løber sammen i rørsystemet, skal der også være tid til at fylde i DM fra dem. Der er også mulighed for at foretage reparation eller vaske tankene, når det passer, hvilket giver råderum til en stabil drift. Var de nævnte ting ikke nødvendige, og kom massen kun fra modtagetank 1, så kunne man køre konstant på DM tankene med pumpen fra modtagetank 1, dvs. 96m 3 /24h = 4m 3 /h. Det vil samtidig sige, at der ikke er tid til stilstand af pumpen, hvilket vil betyde at man ikke har tid til at kunne reparere på pumpen under drift, samt at denne konstant vil være varm og derfor have forkortet levetiden, samt at virkningsgraden muligvis ikke er optimal for pumpen ved dette flow. Med de 12m 3 /h er der lidt tid til udskiftning eller reparation af pumpen, samt mulighed for at fylde på fra de andre modtagetanke, og samtidig tid til afkøling Pumpe data 13,5kW Flygt dykpumpe af typen med nr. 490 s-pumpehjul med skærende kanter på bladene, samt friktionskobling i tilfælde af fastsiddende partikler. Ved flow på 12m 3 /h er løftehøjden 14,5mVs (Omregning af Centi stoke) 21 Bilag 3 Jess Elkjær Side 24 af 70

25 4.3.4 Data for rørsystemet foretaget ved syn, mål og opslag i litteratur 100mm rør (rustfri stålrørs indvendige diameter): 5,25m lige rustfri stålrør med ruhed Ks = 0,15 0,0015mm 2 stk.90gr. bøjning med modstandstal ζ = 0,4(*2) Tryktab over macerator (2 stk.): p(aflæst) 22 = 0,01bar *2 p 2000 H = = = 0, 2mVs * 2 = 0,4mVs ρ* g 1050 *9,82 113mm rustfri stålrør (indvendige diameter): 85m lige rustfri stålrørs ruhed Ks = 0,15 0,0015mm (se rørberegning danvak) 13 stk. 90gr. bøjning med modstandtal ζ = 0,4(Termodynamik) 1 stk. T-forgrening tilløb skarpkantet med modstandtal ζ = 0,8(Termodynamik) 1 stk. T-forgrening med modstandstal ζ = 1,5(Termodynamik) Fastlæggelse af pumpens driftspunkt på anlægget Driftspunktet ved mit konstaterede minimums flow på 12m 3 /h: Tryktabet i 100mm rustfri rør: 2 2 L c 5, 2 5 0, Η = λ * * = 0, 4 5 * * = 0, d 2 * g 0, 1 2 * 9, 8 2 i m For at finde λ skal vi vide strømningskarakteren i væsken derfor findes Reynoldstal og afhængig af om der er tale om laminar eller turbulent flow findes værdien. Turbulent flow ved Re > 3000 c * d 0,106*0,1 Re = i = = 141,33 v 0, Re<2300 Laminar flow 6 2 v = 75 cst *10 = 0, m / s λ = = = 0,45 Re 141,33 qv 0, 0033 c = = = 0,106 m / s A 0,031 A = π * d = π *0,1 = 0,031m m / h 3 qv = = 0, 0033 m / s Bilag 3 Jess Elkjær Side 25 af 70

26 Friktionstab i enkeltmodstande: 0,106 H = Σ * H = 0,4*2 * = 0, *9,82 2 enkelt mod s tan de ζ dyn ( ) m 113mm rustfri rør: 2 2 L c 8 5 0, Η = λ * * = 0, * * = 0, 1 3 m d 2 * g 0, * 9, v = 75 cst *10 = 0, m / s i For at finde λ skal vi vide strømningskarakteren i væsken derfor findes Reynoldstal og afhængig af om der er tale om laminar eller turbulent flow findes værdien. Laminar flow Re<2300 og turbulent flow ved Re > c * d 0,0825* 0,113 Re = i = = 124 v 0, λ = = = 0,516 Re 124 qv 0, 0033 c = = = 0, 0825 m / s A 0,04 A = π * d = π *0,113 = 0,04m m h / 3 qv = = 0, 033 m / s Friktionstab i enkeltmodstande: c 0, 0825 H = Σ * = 0, 4 *13+0,8+1,5 * = 0, (0, 2 * 2) = 0, * g 2 *9, enkelt mod s tan de ζ ( ) m m mvs Summen af friktionstab H tab ved 12m 3 /h : H tab = 0, ,13 + 0, ,014 = 0,55mVs Anlægsberegninger for 12m 3 /h biomasse flow: Energiligningen bruges til at fastlægge det tryk i mvs, der kræves for at kunne levere flowet(absolut tryk). Jess Elkjær Side 26 af 70

27 H modtagetank + H pumpe = H doseringstank + H geo +H dynamisk +H tab p p c c 0, ,106 ρ* g 2* g 2 *9, H pumpe = + + ( z2 z1 ) + Htab = (11 0) + 0,55 = 11,55mVs 2 H pumpe = k * Q biomasse + H geo 11,55=k* k=0,004 H anlæg =0,004*Q 2 biomasse +11 På pumpekurven er der markering med rød streg for Fig. 3 Udklip af pumpekurve og motorværdier for Flygt dykpumpe type med nr. 490 s-pumpehjul med mine påtegninger. anlægskurven. De røde tal viser hvad minimumsdriftspunktet skulle være ved valg af punpe i l/s (3,33;11,55) eller i m 3 /h = (12;11,55). De blå streger viser hvad en drøvling ville betyde for driftspunktets placering, og den grønne streg viser det driftspunkt pumpen kan præstere med 100% omdrejninger ved en løftehøjde på 11,55mVs, hvis modstandene ikke ændrede sig med større flow. Flowet har imidlertid indflydelse på strømningshastigheden c, der er med til at skabe tryktab, Jess Elkjær Side 27 af 70

28 hvilket betyder at der kræves en yderligere gennemregning for at bestemme pumpens aktuelle driftspunktet på en ny anlægskurve. Pumpen er altså større end nødvendigt, hvilket nok skyldes at man er bange for at den ikke kan klare mediet. Grunden til jeg ikke har medtaget den negative geometriske løftehøjde i tanken skyldes at niveauet i tanken kan gå i 0. Et gæt på det aktuelle flow med pumpehjul nr. 490 er muligvis ved 15l/s, og jeg vil derfor regne med det. Driftspunktet ved anslået driftflow på 54m 3 /h: Friktionstab i 100mm rustfri rør: 2 2 L c 5, 2 5 0, Η = λ * * = 0, 1 * * = 0, m d 2 * g 0, 1 2 * 9, 8 2 i V s λ = = = 0,1 Re 645 c * d 0, 484*0,1 Re = i = = 645 v 0, Re<2300 laminar strømning 6 2 v = 75 cst *10 = 0, m / s λ = = = 0,06 Re 1075 qv 0,015 c = = = 0, 484 m / s A 0,031 A = π * d = π *0,1 = 0,031m m / h 3 qv = = 0, 015 m / s ,484 H = Σ * H = 0,4*2 * = 0, *9,82 2 enkelt mod s tan de ζ dyn ( ) mvs Friktionstab ved 113mm rustfri rørstrækning: 2 2 L c 8 5 0, Η = λ * * = 0, * * = 0, d 2 * g 0, * 9, v = 75 cst *10 = 0, m / s i c * d 0,375*0,113 Re = i = = 565 v 0, Re <2300 laminar flow λ = = = 0,113 Re 565 m V s Jess Elkjær Side 28 af 70

29 qv 0,015 c = = = 0,375 m / s A 0,04 A = π * d = π *0,113 = 0,04m m / h 3 qv = = 0, 015 m / s 3600 p H 23 Macerator = = = 0,97mVs * 2 = 1,94mVs ρ* g 1050 *9,82 c 0,375 H = Σ * = 0, 4 *13+0,8+1,5 * = 0, * g 2 *9, enkelt mod s tan de ζ ( ) mvs Summen af friktionstab i hele rørstrækningen(h tab ): H tab = 0, , , , ,94 = 2,68mVs Krav til pumpens løftehøjde ved 54m 3 /h: H modtagetank + H pumpe = H doseringstank + H geo +H dynamisk + H tab p p c c 0,375 0, 484 ρ* g 2* g 2*9, H pumpe = + + ( z2 z1 ) + Htab = (11 0) + 2, 68 = 13, 68mVs Ved aflæsning i pumpekurven ligger pumpens løftehøjde på ca. 13,41mVs. Pumpen kan da ikke umiddelbart klare opgaven, men da jeg har jeg tillader at regne med at pumpen ikke suger hele tanken, samt at den er løftet fra tankgulvet til pumpens indsugning er ca.17cm, kan jeg tillade mig at trække denne afstand fra den aktuelle geometriske løftehøjde. Den krævede H Pumpe kan derfor sættes til 13,41mVs, og passer derfor med pumpekurven ved 100% omdrejninger ved det aktuelle flow. 2 2 p2 p1 c2 c1 0,375 0, 484 H pumpe = + + ( z2 z1 ) + Htab = + (11 0,17) + 2, 68 = 13, 41mVs ρ* g 2* g 2 *9,82 Biomassen vil altid have et flydelag, da overfladen næsten ikke bliver omrørt, og da der kan forekomme lettere dele af plast og andre fremmedlegemer vil det være uønsket at indpumpe det. På SRO en er pumpen sat til stop ved 0 niveau, men jeg vil foreslå man ændrer dette til den tykkelse flydelaget har. Det vil formentlig også hjælpe på en mere driftsikker macerator. I praksis vil niveauet næppe komme så langt ned, da der konstant er leveringer af nye stoffer til biomassen. Det nøjagtige driftspunkt vil nok ikke ligge helt der, da jeg i afgrænsningsafsnittet valgte en visuelt 23 Bilag 3 Jess Elkjær Side 29 af 70

30 lignende viskositet, pga. mangel på måleinstrument. Derfor må jeg regne med driftspunktet (54;13,41). En anden årsag er at jeg fra Lind Jensen Maskinfabrik har erfaret at den samme pumpe type og størrelse mister løftehøjde på 3mVs fra en svinegylle med tørstof på 3% til en kvæggylle med tørstof på 10%. 24 Det forklarer at det har en betydning for pumpens kapacitet at skulle flytte biomasse i forhold til vand. Jeg må imidlertid holde mig til min udregning, hvor jeg har prøvet at tage højde for pumpningen af biomassen i forhold til vand. Jeg har heller ikke set pumpe test der beviser denne påstand, men bare pumpekurverne. Jeg vil dog prøve at tage høje for denne information ved valg af ny pumpe senere i projektet, da det sikkert beror på erfaringer i firmaet med en høj reliabilitet. Anlægskarakteristikken ved 54m 3 /h: Anlægskarakteristikken kan nu beregnes og indtegnes i pumpekurven: 2 H pumpe = k * Q biomasse + H geo 13,41=k* ,83 k=0, H anlæg =0,000885*Q 2 biomasse +10,83 24 Bilag 3 Jess Elkjær Side 30 af 70

31 Pumpens driftsområde ved 100% ydelse er 54m 3 /h(15l/s) med løftehøjden 13,41mVs. Viser et meget stort flow i forhold til mængden på 6m 3 /indtag. Fig. 3 Udklip af pumpekurve og motorværdier for Flygt dykpumpe type med nr. 490 s- pumpehjul med mine påtegninger Pumpens driftstimer i døgnet For at se hvor meget tid pumpen kører kan følgende udregning bruges: (6 m 3 /indtag)/(54m 3 /h)=0,11h/indtag eller ca. 7min/indtag. Tiden pumpen bruger pr. døgn: 16 indtag/døgn * 7min/indtag = ca.1time og 52min/døgn. Pumpen kører ikke lang tid hver dag, og det stiller spørgsmålet, om man ikke skal anvende en mindre pumpe i fremtiden, da maskiner har bedst af at være holdt i gang og blive ordentlig varme, i stedet for de korte drift perioder med store varmeudsving ved opstart, drift og stop og lang stilstand. Set ud fra et økonomisk perspektiv vil en mindre pumpe muligvis være at fortrække med større løftehøjde ved lavere flow, og dermed udnytte den tid pumpen har i døgnet til at levere den krævede biomasse til anlægget, samt opnå en formodentlig større virkningsgrad. En mulighed for at få stor løftehøjde med de små pumper kunne jo også være at serieforbinde dem. I mit løsningsforslag senere vil jeg sammenligne med den nuværende, og lade Bånlev Biogasanlæg vurdere om man skal købe en Jess Elkjær Side 31 af 70

32 mindre pumpe, hvilket betyder at man skal tage højde for de andre modtagetankes pumpninger, da det meste af rørstrækningen er den samme til doseringsmodulerne, og der derfor deles flow i det meste af rørstrækningen Valg af pumpe 25 Det oplagte valg, ifølge mine undersøgelser af mulige pumper fra diverse leverandører, ville være en loberotorpumpe, da de er meget brugte i biogasindustrien, som et alternativ til den nuværende centrifugal dykpumpe, der egentlig ikke er specielt egnet til biomasse, men da det er en dyk pumpe bruges den i mange landbrug forskellige steder, og på grund af mobiliteten er den derfor en universalpumpe i landbruget. Den har også vist sit værd ude på Bånlev Biogasanlæg, hvor den sjældent stopper til. Det tager dog tid ved rensning og vedligehold, da den skal hejses op, og giver mandskabet et dårligt arbejdsmiljø, hvilket også indgår som en parameter i valget af pumpe til anlægget. Ved mine undersøgelse til valg af pumpe stødte jeg på LJM(Lind Jensen Maskinfabrik), der producerer og sælger både centrifugalpumper og omrører specielt til landbrug. De sagde at de solgte centrifugal dykkede pumper magen til den på Bånlev Biogasanlæg, og jeg fandt ud af at de solgte en del til landmænd, hvilket jeg skønner grundet i brugbarheden som universal pumpe, da den kan flyttes fra opgave til opgave, men de sagde at pumperne ikke egnede sig specielt til biomasse, men mere til opsugning af andre knap så fiberholdige væsker. De bruges dog til Kogylle der har tørstof på ca. 10% 26. Det viser deres pumpekurver for både svin- og kvæggylle. Da svinegylle har et tørstof indhold på ca. 3%, og kvæggylle har indhold på 10%, er det en vigtig indikation for mig i forbindelse med mit løsningsforslag til valg af pumpe, pga. den afvigelse i løftehøjden det medfører at pumpe henholdsvis 3% eller 10%tørstof. Jeg kan nu beregne, hvor meget ekstra løftehøjde, jeg skal regne med for at kunne løfte den tørstof procent det er muligt at pumpe med, velvidende at biomassen og kvæggyllemassen ikke er helt ens i substans, men man bliver nød til at sige at tørstof er tørstof. Med 7% ændring i tørstof indholdet fra svinegylle til kvæggylle ændres løftehøjden, i følge LJM, med 3mVs fra 18mVs til 15mVs med en pumpe på 11kW, som ca. kan sammenlignes med den der er på biogasanlægget. 27 Ved valg af løsningsforslag kan jeg derfor tage denne betragtning med, selvom de ikke har vist, hvordan de er kommet frem til resultatet. Det er formentlig erfaring der danner baggrund for det, men det vides ikke, og er det 25 Bilag 4 og bilag 3 26 ( INDHOLD/Sider/pl_pn_10_033.aspx) 27 Bilag 3 Jess Elkjær Side 32 af 70

33 tilfældet er validiteten og reliabiliteten høj. Ved valg af loberotor pumpen stilles denne på toppe af tanken, hvilket vil sige den skal kunne ansuge tanken med det sugetryk der kræves, men da den er selvansugende skulle det ikke være noget problem. De er generelt kalkuleret til større løftehøjde end umiddelbart beregnet ud fra vand ved 20 C, så der er taget højde for den ekstra løftehøjde. Jeg har ikke kunne finde test med biomasse på mere end 10% tørstof, og regner derfor med at pumpen kan pumpe de maksimale 10% tørstof. Skruecentrifugal pumpen sælges af Hans Buch, og den er der faktisk beskrevet at kunne pumpe med 15% tørstofindhold 28. Af de forskellige størrelser der fremgår af pumpekurven passer HUS skruecentrifugal pumpe fra Hans Buch med en løftehøjde på 18,15mVs-2,5mVs(5% mere tørstofindhold = 3mVs*(5%/7%) = 2,5mVs) = 15,6mVs ved 54m 3 /h biomasse bedst i forhold til den nuværende pumpe. For at kunne få bedre driftsøkonomi for biogasanlægget ved større tørstof indpumpning i reaktoren, er HUS pumpen den mest interessante løsning. HUS Skruecentrifugal pumpen er dog mere energiforbrugende med 15kW optag, i forhold til de 13,5kW som den nuværende centrifugal dykpumpe optager, men hvis det viser sig at gevinsten ved det højere tørstofindhold er der, er indtægten formentlig større end den yderligere udgift til driftsomkostningerne. HUS pumpen vil derfor være det oplagte valg. Service mæssigt skulle den efter fabrikanten være let at servicere. Principmæssigt kan den sammenlignes med den nuværende pumpe på anlægget, bare med et andet formet pumpehjul Pumpen fra Lobe har en løftehøjde på 3bar eller = 29mVs 1050 *9,82, og kan løfte biomassen lidt mere end dobbelt så højt ved 54m 3 /h, end ved den nuværende centrifugalpumpe. De forskellige tilbud vil blive brugt i forbindelse med valg af løsningsforslag senere i rapporten og vil danne grundlag for min endelige vurdering og forslag til valg af pumpe. 4.4 Analyse af macerator 30 Maceratoren på Bånlev Biogasanlæg består af en elmotor påbygget en gearkasse, hvor den nedgearede aksel er påsat en kniv med 4 blade placeret som +. Denne kniv roterer på en hullet skæreplade. I det væsken pumpens ind gennem tilløbet af det hus kniven sidder i, snitter kniven materiale med samme princip som en kødhakker. Den fint hakkede masse er nu rimelig homogen i størrelse. Grunden til at der bruges en macerator er at man ønsker at findele massen, så tørstoffet er 28 Bilag Bilag 5: HUS test 30 Bilag 6 + CD-rom Jess Elkjær Side 33 af 70

34 nemt for metanbakterierne at omsætte. Det er en vital del af produktionsudstyret på biogasanlægget, især når der er indhold af forskellige tykkelser, som omrørerne ikke kan homogenisere i biomassen. Der findes, efter hvad jeg har erfaret, 2 typer af maceratorer: en hakkende udgave og den ovennævnte med som en kødhakker. Den hakkende udgave har 2 aksler der roterer i mod hinanden og skærer mediet ved sammenklemning. Den mest anvendelig til en biomasse med en blanding af væske og faststof er den roterende kniv på hulpladen eller Rota Cut fra Vögelsang, der bruges på Bånlev Biogasanlæg. Lobe sælger også begge principper, men et vigtigt parameter for Rota Cut typen er selve tilspændingen. Er tilspændingen ikke udført løbende, så kan kniven ikke skære fiberen til sidst, og resultatet er tilstopning. Vögelsang har derfor indført en ACC. ACC står for Automatic Cut Control, og funktionen består i at et hydraulisk tryk der sørger for at holde kniven mod hulskiven, hvilket giver en konstant fastholdelse ved det maksimalt mulige tryk. I modsætning til en alm. manuel tilspænding med en møtrik holdes trykket konstant, og skal ikke tilspændes løbende. Det er en stor succes og mange biogasanlæg har valgt denne løsning. Det er muligt at få monteret ACC en på en eksisterende manuel macerator mod en merpris på kr., hvilket er meget lidt i forhold til besværet ved udtagning af driften, samtidig sørger den for at biomassen bliver findelt ens over tid. På Bånlev har de en gammel macerator i modtagehallen, og denne er man under overvejelse om man skal skrotte til en ny. Alle nye Rota Cut fra Vögelsang leveres med ACC systemet. Der ligger derfor flere muligheder. Dem jeg hælder til er enten en ny Vögelsang,, hvor jeg er blevet anbefalet et nr. større i størrelse for at sikre bedre håndtering af biomassen, eller en multichopper fra Börger, der er testet op til 10% tørstof ved omkring 54m 3 /h. Jeg vil i den økonomiske del holde dem op mod hinanden med priser, og komme med mit forslag til valg, men i sidste ende er det Bånlev Biogasanlæg der skal træffe beslutningen. For valg af macerator er følgende parametre vigtige: - Ofte / rettidig ændring af omløbsretning på rotoren (Mindst 1 gang om dagen afhængig af medie, eller med 15 min. interval på biogasanlæg) - Valg af korrekt tilspændingstryk, kræver efterspænding over tid. - Valg af korrekt hulskive til opgaven. Jess Elkjær Side 34 af 70

35 4.5 Analyse af mixer/omrører For at sikre den homogene masse i modtagetank 1 bruges 3 ITT Flygt omrører af typen De er neddykkede med roterende propeller med 3 blade uden jetring, uden jetring betyder at flowet de omrører ikke bliver en mere samlet stråle, men en mere spredt stråle. Man vil gerne homogenisere en biomasse af forskellige bestanddele med forskellige vægtfordelinger mellem vanddel og væskedel. Der er 3 parametre man skal have styr på ved sammenblandingen, foruden beholdertype og omrører, det er følgende: - Fordeling - Spredning - Vandring Fordelingen skal forstås som måden at få cirkuleret væsken, altså hvordan skal omrøringen foregå, herunder hvilken omrører skal der til, ud fra hastighedsbehovet for omrøringen. Spredningen skal bestemmes ud fra, hvor små partikelklumper man ønsker i biomassen, dvs. hvor meget energi/effekt skal der overføres til væsken. Vandringen har betydning for hvor hurtigt man kan få massen opblandet, eller hvor stor en blad diameter omrøreren behøver for at opnå mindre omrøringstid. De 3 faktorer er noget man undersøger, når man skal beslutte hvilke type omrører man skal bruge. I projekts tilfældet med modtagetanken er omrøringen vigtig, pga. de kriterier der skal overholdes: - Muligt at pumpe biomassen videre - Opnå optimal overflade af biomassens partikler, så bakterier har nemmere adgang - Tiden man har til at få biomassen over i hygiejneseringstanken inden opvarmning og videre til rådnetårnene, hvor en hvis biomasse skal have en hvis opholdstid For at kunne få de mest optimale forhold bruger man, foruden erfaringen 31 som man kommer langt med, er der teoretiske modeller man kan bruge. De teoretiske modeller 32 der bl.a. bruges til at finde frem til den rigtige mixer man skal bruge i en tank med et vist medie fremgår i det følgende. Ved pumpeberegningerne bruges reynoldstal ved 31 I følge Mogens fra LJM(Lind Jensen Maskinfabrik) Jess Elkjær Side 35 af 70

36 modstandsberegninger på rør, hvilket man også gør ved væskeomrøring. Ved væskeomrøring er formlen anderledes og Re hedder Re i ( i = impeller = omrører): Re i Ni * Di * ρ = µ N i = Propeller hastighed D i = Propeller diameter i meter ρ = Densiteten µ = Viskositeten Ved at vurdere de nuværende omrører, samt mulige alternativer fra andre leverandører, vil det være muligt at lave en objektiv sammenligning. Data for Flygt omrører i modtagetank 1: P = 10kW N i = 475omdr/min. =7,92omdr./sek. D i = 0,58m ρ = 1050kg/m 3 Re i Ni * Di * ρ 7,92*0,58*1050 = = = 6 µ 75*10 6,43*10 7 Turbulent flow, da Re i >10 5 1,54 * V 1,54*1150 N i t m (Antal nødvendige omdrejninger i væsken) = = = 9076, ,58 t m (Estimeret blandetid) pr. omrører = ( ) i D i Nit m 9076,84 = = 1146,07s N 7,92 ( ) t Estimeret blandetid pr. omrører 1146, 07s Antal omrører 3 m t m Estimeret blandetid = = = 382,02s Det tager altså 382,02s eller 6,36min om at omrøre tanken, hvis alle 3 omrører kører samtidigt. For at vide hvor meget effekt der kræves kan det regnes på følgende måde: P = N * ρ * N *D =0,35*1050*7,92 *0,58 =11983,2W=11,93KW ' p i i ' N p = Omrører type konstant ud fra den effekt en omrører har på mediet = 0,35 33 for propeller. 32 Kap. 7 Bioprocess Engineering Principles af Pauline M. Doran 33 S.151 i Bioprocess Engineering Principles af Pauline Doran Jess Elkjær Side 36 af 70

37 Effekten på omrøringen passer rimelig godt, men Flygt omrøren er lidt bedre end hvad der teoretisk kræves af kapacitet. ITT Flygt har endvidere lavet et program hvor man kan indtaste beholder størrelse og udformning, og få et resultat til valg af mixer frem, hvilket er fint når man hurtigt skal finde den mixer man skal bruge. Jeg har undersøgt om der er andre firmaer der sælger omrører, og kom i kontakt med Lind Jensen Maskinfabrik(LJM). I den telefoniske samtale(mogens) blev jeg informeret om at de har omrører der enten matcher Flygt omrørerne i antal, eller evt. kan nøjes med 1 mindre. Jeg vil derfor, via. tidligere viste beregningsmetode, se om det holder vand, i det tilfælde man skal vælge en ny omrører. De har meddelt mig følgende data på omrørerne: P = 11kW Antal omrører = 2 N i = 268omdr/min. =4,47omdr./sek. D i = 0,85m ρ = 1050kg/m 3 Re i Ni * Di * ρ 4, 47 * 0,85* = = = 5,34 *10 6 µ 75*10 Turbulent flow, da Re i >10 5 1,54 * V 1,54*1150 N i t m (Antal nødvendige omdrejninger i væsken) = = = 2883, ,85 t m (Estimeret blandetid) pr. omrører = ( ) i D i Nitm 2883,78 = = 645,141s N 4, 47 ( ) t Estimeret blandetid pr. omrører 645,14s = = eller Antal omrører 2 m t m Estimeret blandetid = 322,57s 5,38min Af den udførte beregning ses det, at man kan nøjes med 2 omrører i stedet for de nuværende 3, og samtidig få en hurtigere omrøringstid på næsten 1min til homogeniseringen af massen. Jess Elkjær Side 37 af 70

38 Den tilstedeværende effekt i omrøringen: P = N * ρ * N *D =0,35*1050*4,47 *0,85 =14563,8W = 14,56KW ' p i i ' N p = Omrører type konstant ud fra den effekt en given omrører har på mediet. Det kræver altså 14,56kW i teorien, men LJM har lavet en 11kW udgave, der kan klare det samme. Ved samtalen med LJM sagde Mogens, at de har lavet en speciel bladudformning, der ikke belaster motoren så meget ved omrøringen og skaber bedre flow. Anden vigtig faktor man skal undersøge er tankens udformning, da væskens retning og afstand i vandringen kan ændres på baggrund af tankudformningen. I en rund tank kan væsken følge tankvægen hele vejen rundt, hvorimod i en firkantet vil der være hjørner der opbremser væsken. Jeg vil ikke gå ind og undersøge disse forhold, men blot konstatere at de er der, og at man skal tage hensyn til det. Alt andet lige stiller det ekstra krav til omrørernes evne til at få omrørt væsken. I visse typer tanke ser man indsatte plader på tankvægen, som skal aflede væsken i en anden retning, hvilket bruges netop for at sørge for en bedre omrøring i tanken, hvor der kan opstå ophobninger. En opsummering af dette afsnit er at man skal vælge den rigtige størrelse omrører for at sikre sig den bedst mulige homogenisering af væsken med henblik på de 3 opstillede parametre: fordeling, spredning og vandring. 5. Den økonomiske betydning for større tørstof tilførsel I afsnittet vil jeg, på baggrund af mine undersøgelse af tørstoffet og biogasudbyttet, se på det økonomiske aspekt for Bånlev Biogasanlæg ud fra det gasudbytte man kan forvente, ved 2% mere tilført tørstof og tilsvarende reduceret gyllemængde i biomassen. 5.1 Beregning af biogas udbyttet i kwh 34 I afsnittet, tørstoffets betydning for biogas udbyttet, fandt jeg ud af at man kan opnå 0,32m 3 N CH 4 / kg VS. Ud fra denne oplysning er det muligt at beregne hvor meget Metan gas der kan tages ud ved tilførsel af den ekstra mængde gyllefiber med 25% tørstof til biomassen og samtidig reduktion i mængden af svinegylle. 34 Bilag 6 Jess Elkjær Side 38 af 70

39 3 m CH4 3 Årligt merudbytte af gas ved 2% mere tørstof i biomassen = * VS(Årlig) = 0,32* = m CH4 kg(tørstof ) 13 måneders tankfyldning af fiber = kg Tørstofmængde af fiber = *0,25 = kg Tørstoffet består af 80%VS 35 VS i kg = *0,8 = kg For at finde ud af hvor meget Bånlev Biogasanlæg får ud af denne tilførsel af gyllefiber vil jeg nu undersøge hvor meget effekt i varme og el det giver. På SROen på biogasanlægget kan man udprinte de forskellige styringsbilleder af processen. 36 Jeg har derfor over flere omgange udprintet aktuelle billeder af gasproduktionen og afgivet effekt til varme og el. Udfra billderne har jeg beregnet følgende sammenhæng: D.26/ Gasproduktion/kWh(El) = 3 Gas(m / h) 666 = = kwh(el) ( ) 3 0, 27m / kwh Gasproduktion/kWh(Varme) = 3 Gas(m / h) 666 = = kwh(varme) (1926) 3 0,35m / kwh D.3/ Gasproduktion/kWh(El) = 3 Gas(m / h) 642 = = kwh(el) ( ) 3 0, 25m / kwh Gasproduktion/kWh(Varme) = 3 Gas(m / h) 642 = = KWH(Varme) (1848) 3 0,35m / kwh D.8/ Gasproduktion/kWh(El) = 3 Gas(m / h) 500 = = kwh(el) ( ) 3 0,24m / kwh Gasproduktion/kWh(Varme) = 3 Gas(m / h) 500 = = kwh(varme) (1321) 3 0,39m / kwh Bilag 5 Jess Elkjær Side 39 af 70

40 Man bemærker at der kan laves mere el end varme for hver m 3 gas/kwh. 5.2 Indtægten fra 2% mere tørstof til biogasproduktionen Ud fra de beregninger jeg har foretaget vil jeg bruge værdien ved den største gasproduktion udfra mine registreringer på 666m 3 /h til at beregne den indtægt Bånlev Biogasanlæg har ved at øge tørstofindhold, der er den dårligst omsatte gasmængde i forhold til de udtagne kwh til elproduktionen. Elprisen for biogasanlæg er på 76øre/kWh 37 Varmeprisen er individuel og må ikke offentliggøres, men har dog fået lov til at regne med følgende pris på 0,250kr./kWh. Den årlige indtægt ved 2% mere tørstof i den indpumpende biomassen: m 3 0,27m / kwh 3 = kWh m 3 0,35m / kwh 3 = kWh 13 månders ekstra indtægt ved EL = kWh*0,76kr./kWh = kr. 13 måneders ekstra indtægt ved Varme = kWh*0,25kr./kWh = kr. 13 måneders ekstra indtægt ialt = kr kr. = kr. Der er altså mange penge at hente ved at forøge tørstoffet i biomassen, og samtidig giver gyllefiber noget mindre gasudbytte i forhold til andre faststoffer. NB.: Jeg vil lige knytte en bemærkning, der er vigtig i denne sammenhæng. Jeg har omregnet gasmængden pr. kwh, men det er jo biomasse indholdet i reaktoren, hvilket vil sige at der også er 37 Jess Elkjær Side 40 af 70

41 andet faststof, end det fra modtage tank 1, hvilket jeg ser bort fra i min udregning, men som højest sandsynligt gør resultatet lidt bedre end det burde være. Der er udgifter til anlægget, som skal indregnes, men det har jeg ikke mulighed for at kunne beregne, da det vil kræve mere viden end jeg har på dette tidspunkt, og det har projekt tiden ikke været til. Gyllefiberen kommer fra separationen af den udtagne gylle og transporten er jo faktisk medregnet i forvejen, hvordan det egentlig bliver, er noget Bånlev Biogasanlæg skal aftale med de landmænd der leverer gyllen i forvejen. Det kræver imidlertid også et separationsanlæg, der i dag fås som mobilenhed. 38 I følge Lemvig Biogasanlæg koster gyllefiberen ikke noget, og transporten skal den enkelte landmand sørge for Løsningsforslag til maskiner i modtagehal 1 I dette afsnit vil jeg liste de maskiner op jeg vil vurdere, og ud fra min vurdering vil jeg give mit bud på de maskiner jeg mener Bånlev Biogasanlæg bør anskaffe sig, set ud fra et driftmæssigt og økonomisk synspunkt. 6.1 Valg af pumpe For at have et sammenligningsgrundlag vil jeg nu se på hvad de enkelte pumper koster i anskaffelse, så man kan vælge ud fra både pris, kapacitet, og vedligeholdsmæssigt. ITT Flygt F : - Anskaffelsesprisen er kr.. - Effektoptag er 13,5kW - Løftehøjden er 13,41mVs ved 54m 3 /h. - Dykket pumpe, så vedligehold er tidskrævende. - Samme model som den nuværende på biogasanlægget. Börger FL 518: Jess Elkjær Side 41 af 70

42 - Anskaffelsespris er ,25 kr.. - Effektoptag er 15kW - Løftehøjden er 29mVs ved 54m 3 /h. - Anbragt på opklodsning ved siden af rørføringen, med indsugnings- og udpumpningsstuds monteret på rørføringen før macerator. - Erfaring med biomasse på biogasanlæg, men ingen bemærkninger om mulig pumpning af højere tørstofprocenter end hvad branchen mener er muligt. - Selvansugende. Hans Buch HUS S : - Anskaffelsespris er 33500kr. - Effekt optaget er 15kW - Løftehøjden er 18,15mVs ved 54m 3 /h. - Opstillet på lejebuk før macerator, og er meget let tilgængelig og ikke tidskrævende ved vedligehold. - Kan pumpe væske med 15% tørstof. - Selvansugende. 6.2 Valg af macerator Vögelsang RotaCut 5000 Pro Compact: - Anskaffelsespris kr. - Effekt 3kW - ACC modul med hydraulisk automatisk tilspænding. - Automatisk vending af omløbsretningen. - Hulskive tilpasses til biomassen. - Reference fra Lemvig Biogasanlæg og Thorsø biogasanlæg mht. drift med ACC. Börger Multichopper P-300-INL: - Anskaffelsespris ,00kr.. - Effekt 4kW - Manuel tilspænding. Jess Elkjær Side 42 af 70

43 - Drift med 10% tørstof i biomassen, i følge skema, ved 54m 3 /h. 6.3 Valg af omrører LJM OMPG R160: - Anskaffelsespris: kr. inkl. beslag - Behov for omrører: 2stk. - Effekt 11kW eller 15kW(2 modeller at vælge imellem) ITT Flygt type SR 4660: - Anskaffelsespris: kr. -25% = 68400kr. - Behov for omrører: 3 stk. - Effekt optaget 10kW 6.4 Mit løsningsforslag til sammensætning af maskiner i modtagehal 1 På baggrund af muligheden for at kunne pumpe med 15% tørstof i biomassen, med det mulige udbytte jeg har regnet mig frem til, vil jeg helt klart foreslå at investere i Hans Buchs HUS S skrue centrifugal pumpe 40. Den er den billigste af de tilbudte og nem for driftpersonalet at vedligeholde. Macerator valget er Vögelsangs RotaCut 5000 Pro Compact grundet den påbyggede ACC der søger for at holde trykket på knivene ind mod hulskiven, og driftmandskabet slipper for manuel tilspændingen, samt begrænser at tage systemet ud af drift. Omrører valget er 2 stk. LJMs OMPG R160 11kW-2S, da denne laver en hurtigere omrøring med kun 2 omrører, samt specielle blade der giver et bedre flow i massen. De er lidt dyrere end 3 Flygt omrører, men kan klare opgaven med 8kW mindre effektoptag, hvilket betales tilbage over tid i driften. Specielt når omrørerne kører ofte Jess Elkjær Side 43 af 70

44 6.5 Samlet pris vurdering for mit forslag i forhold til den billigste løsning Hans Buchs HUS S kr Vögelsangs RotaCut 5000 Pro Compact...kr LJM OMPG R160 11kW-2S...kr Mit løsningsforslag ialt...kr Hans Buchs HUS S kr Börger Multichopper P-300-INL...kr Flygt omrører type kr Billigste løsningsforslag ialt...kr Mit løsningsforslag er kr. dyrere end det billigste forslag. Selvom min løsning er dyrere er den driftsikker og behøver et minimum af vedligehold, og da LJM omrørerne er dem der kommer til at køre mest tid, vil det være her se største besparelser er at hente i forhold til Flygt omrørerne. 7. Konklusion Efter at have analyseret på min problemstilling med At optimere maskinanlægget i modtagehal 1, så der opnås et homogent, driftsikkert og besparende biomasse flow, samt undersøge muligheden for øgning af tørstofindholdet fra gyllefiber i biomassen for evt. øget gasproduktion, så der bidrages til en bedre økonomi for anlægget har jeg nået til følgende konklusion: For at kunne fortage de rigtige løsningsforslag til valg af maskiner skulle jeg have en grundlag at vælge ud fra, og jeg ville derfor gerne undersøge det medie de var i berøring med nærmere, samt betydningen for tilstedeværelsen af tørstoffet i biomassen. Jeg fandt en rapport, der i et let læseligt sprog, forklarede biomassens betydning for biogas produktionen. Den forklarede at der var levende organismer i biomassen i reaktortanken, som under de rigtige biologiske driftsforhold udvikler biogassen. Her blev det klart at de forskellige næringsstoffer i den nye tilførte biomasse var vigtige for mikroorganismerne (Metanbakterierne). Det betyder at ved mere tørstof i biomassen jo mere er der at leve af for metanbakterierne og dermed generere højere produktion af biogas. Jeg undersøgte derfor hvor meget 1kg tørstof kunne give af gas, hvis jeg brugte separeret fiber fra svinegylle som Jess Elkjær Side 44 af 70

45 bidrag til højere tørstof indhold i biomassen. Metanudbyttet var 0,32m 3 /kg VS (VS = 80% af tørstoffet i svinegylle). Dermed var det bevist, at der kunne opnås øget biogasproduktion ved tilsætning af gyllefiber. I min analyse faldt jeg over, at der i branchen menes, at der kun er mulighed for pumpning med max 10% tørstof i biomassen. En forsøgsanalyse ville derfor vise, hvad tørstof procenten er i biomassen, og om der er mulighed for, at kunne tilføre mere tørstof til biomassen. Jeg foretog derfor forsøg der foruden undersøgelse af tørstofprocenten, skulle vise hvilken densitet der var i biomassen ved senere pumpeberegninger. Forsøget viste 13,08 % i gennemsnit af alle prøverne, samt densitet på 1050kg/m 3. Desværre viste forsøgene fra de 2 af dagene sig ugyldige, pga. manglende indtørring til beregning af tørstof procenten. Forsøget den første dag lå på 11,44% i gennemsnit, og var helt udtørrede, hvilket var højere end biogasbranchen mente var muligt, men igen var det et enkelt forsøg med 3 prøver, hvilket ikke gav særlig høj validitet. Derfor foretog jeg beregninger ud fra en rekvireret liste med vægt og tørstof procent af de forskellige stoffer i biomassen. Den viste 10,29% tørstof, hvilket var tættere på det niveau pumpen max kunne klare ud fra biogasbranchens konstateringer. Denne undersøgelse gav en højere validitet, da det var flere leveringer på de 13måneder, der lå til grund for denne undersøgelse. Det gav mig en indikation af, at der blev pumpet mere tørstof igennem end biogasbranchen mente var muligt. Jeg undersøgte derfor om der var noget materiale om pumper, der kunne pumpe større tørstofmængder igennem. Jeg fandt en HUS Skruecentrifugalpumpe der kunne klare tørstofindhold på op til 15%. En anden kilde oplyste 12% var muligt på biogasanlæg. Det er altså en indikation på at det er muligt med mindst 2% mere ved valg af HUS pumpen. Jeg lavede pumpeberegninger på den nuværende pumpe og sammenlignede driftspunktet med en HUS pumpe, og fandt HUS pumpe nr der passede til det fundne driftsflow på 54m 3 /h. HUS pumpen havde endda lidt større løftehøjden, med tilsagn fra LJM og Lobe om at biomassen var en del vanskeligere at flytte end vand, havde jeg endnu engang garderet mig. Problemerne med maceratoren kunne erfaringsmæssigt løses med korrekt tilspændingstryk. Jeg fandt derfor en Rota Cut 5000 fra Vögelsang, der havde en hydraulisk trykanordning der kunne sørge for rigtig tryk ved et angivet tilspændingtryk. Trykanordningen hedder ACC, og er en patenteret løsning. Den var derfor det oplagte valg, da jeg ikke ønskede at Bånlev mandskabet skulle bruge ekstra tid på at tilspænde hele tiden. De mange tilstopninger skulle med den nye macerator være løst(i følge Preben fra Vögelsang, med reference til Lemvig- og Thorsø biogasanlæg). Det må derfor siges, at være valid information. Men der var synlige tegn på at Jess Elkjær Side 45 af 70

46 omrøringen ikke var tilstrækkelig, og jeg foretog derfor beregninger på de nuværende omrører fra Flygt og nye LJM omrører, der teoretisk viste at man kunne opnå hurtigere omrøring med nye LJM omrører (1 mindre end de nuværende fra Flygt), og samtidig mindske effekt forbruget. I mine indkøbsberegninger på maskinerne kom jeg til kr. dyrere end den billigste løsning med samme HUS pumpe. Det er dog med de knap så effektive Flygt omrører og med en Börger macerator med manuel tilspændings behov. Det er derfor op til Bånlev Biogasanlæg at træffe beslutningen, om man vil spare, eller have den optimale løsning. I min beregning af metanudbyttet for 2% mere tilført tørstof i biomassen i form af tilsat gyllefiber, giver det et højere gasudbytte på m 3 biogas på 13måneder, svarende til kr. 8. Perspektivering I forbindelse med udskiftningen af maskinerne, vil det være en idé at få dem afprøvet. Jeg har i bilaget indsat artiklen om HUS pumpen, og ser derfor en mulighed for at få afprøvet pumpen. I min samtale med Preben fra Vögelsang i Danmark, blev jeg oplyst om muligheden for at køre test med en ny macerator, for at kunne fastslå om den rent faktisk er mere effektiv. LJM har ikke givet tilsagn om, at man må teste omrørerne, men det vil sikkert være muligt. I min undersøgelse af gas udbyttet med gyllefiber fra svin, kom jeg frem til et øget udbytte. Det vil derfor være en god idé at lave undersøgelse med andre faststoffer. Det kunne være majs eller andre afgrøder, men mere slagteri affald skal man være lidt forsigtig med, da de indeholder meget fedt, og som beskrevet i rapporten, kan det være hæmmende for processen i større mængder. Det må derfor være et krav at undersøge biomassen i reaktoren, inden man tilsætter nye faststoffer. Projektet beskriver ikke detaljeret om de miljømæssige forhold biogassen bidrager med. Det er nævnt i projektet, at der er ca. 40% CO 2 i biogassen, hvilket yder et bidrag til CO 2 forureningen, men svovl indholdet er lavt grundet risiko for tæringer i motoren. Transporten af biomassens bestanddele er helt sikkert et miljøproblem med CO 2, så samlet set bliver det til en del. Ved at separere gyllen og bruge større mængder fiber og dermed mindre gyllemængde, er der mindre vandindhold at skulle transportere, og dermed mindre mængde at køre med, hvilket vil bidrage positivt til det samlede CO 2 regnskab. I forbindelse med økonomien ved separeringen, vil det derfor Jess Elkjær Side 46 af 70

47 være en god idé, at de andelshavende landmænd ved biogasanlægget gik sammen om at investere i en mobil separatorenhed, for at opnå omtalte fordele. I forbindelse med den nye tankudskiftning vil det være tilrådeligt at investere i en rund tank, og undgå hjørne ophobningerne, med krav om særlig god omrøring af biomassen, for bare at opnå en nogenlunde homogen biomasse. Vögelsang har lavet løsningen Quick Mix, hvor man kan mikse fastoffer og gylle sammen i enhed med påbygget loberotorpumpe, der kan pumpe massen videre til hygiejneseringstankene (Doseringsmodulerne), og dermed spare ny pumpe og tank. Der er dog end del spørgsmål at stille, så som: kan man få en stor nok tragtform til faststofferne? Vil det være muligt at nedbygge den? Kan pumpen klare lige så store tørstofmængder som nu? Jeg har valgt ikke, at undersøge denne efter den kom til min kundskab i projektet, da min opgave var at skulle optimere på det nuværende anlæg. Jeg ville bare i perspektiveringen, viderebringe denne viden der er kommet frem. 9. Litteraturliste Bøger: VIDENSKABSTEORI FOR BEGYNDERE af Torsten Thurén ISBN Biogas-grøn energi af Peter Jacob Jørgensen ISBN GAS STÅBI af Teknisk Forlag 1993 ISBN SMÅ BIOGASANLÆG af NELLEMANN, Rådgivende ingeniører og planlæggere Leif Baadstrup og Erik Hannibal, April 1991 Pumpedrift og Energi, 4.Udgave ISBN Jess Elkjær Side 47 af 70

48 Termodynamik af Aage Birkkjær Lauritsen m.fl., 1.udgave 2000 ISBN Bioprocess Engineering Principles af Pauline M. Doran ISBN Internettet: Bilag Bilagsoversigt: 1. Oversigtstegning over biogasanlægget 2. Konstruktionstegning over modtagetank 1 3. Pumpekurver, test, macerator tryktab 4. Korrespondance vedrørende metan og tørstof, samt leveringslisten til modtagetanken 5. SRO tegninger for Bånlev Biogasanlæg 6. Priser på maskiner 7. XERGI powerpoint Jess Elkjær Side 48 af 70

49 Bilag 1: Oversigtstegning over biogasanlægget Jess Elkjær Side 49 af 70

50 Bilag 2: Konstruktionstegning over modtage tank 1 Bilag 3: Test, ppumpekurver, macerator tryktab Øl & vand Skruecentrifugalpumpe Fuglsang Export-Maltfabrik A/S som blev grundlagt i 1879, producerer ca tons malt om året og for at sikre bryggeriet en konstant leverance af bygmalt i høj kvalitet, er det nødvendigt med gode råvare som under produktionen ligeledes behandles skånsomt. En del af selve processen i maltproduktionen foregår ved at kornene opbevares i lange kar i et ganske bestemt tidsrum, kornene ledes til omtalte kar gennem en centrifugalpumpe med åben løbehjul, og denne opbevaring afsluttes lige før kornene spirer. En alm. centrifugalpumpe er normalt ikke i stand til at pumpe medier med tørstofindhold der er højere end 5 8%, derfor kræves store mængder vand tilført kornene for at kunne lade sig pumpe. Ud over et stort vandforbrug i maltproduktionen påføres centrifugalpumperne ligeledes et stort slid ved at pumpe korn. Derfor var Fuglsang Export-Maltfabrik A/S selvsagt på udkik efter en anden type egnet pumpe. Opgaven for Hans Buch A/S var herfor og på en tilfredsstillende måde at kunne optimere på 2 parametre. 1. Reducerer forbruget af vand. Skånsom væsketransport, reducerer slidtage.. Reducerer effektforbrug Jess Elkjær Side 50 af 70

51 2. Minimere slidtagen af pumper Resultat: Skruecentrifugalpumpe HUS I efteråret 2006, startede vi op med at køre test på en af produktions-linierne hos Fuglsang Export-Maltfabrik s afdeling i Thisted med en skruecentrifugalpumpe fab. HUS.Ppumpen var i lejebukudførsel og i støbejern med dobbelt mekanisk akseltætning og bestykket med en 15 kw motor. Denne type skruecentrifugalpumpe er særdeles velegnet til at pumpe medier med meget højt tørstofindhold, helt op mod 15% Samtidig er pumpen, og særlig pumpehjulets geometri, således konstrueret, at den tillader meget store fraktioner en fri passage gennem pumpen. Medie der pumpes gennem denne pumpetype vil ikke som ved alm. centrifugalpumper møde pumpehjulet direkte, men under en anden vinkel, som muliggør en mere skånsom transport. Den skånsomme medietranport giver mindre slidtage i pumpen og en længere levetid. Testen der forløb over nogle uger viste derfor også at pumpen var mindre modtagelig overfor slidtage en de tidligere anvendte centrifugal-pumpetyper. Samtidig viste testen ligeledes at procenten af ødelagte korn var faldet væsentligt. Og sidst men ikke mindst så havde man registreret en reduktion i vandforbruget på 10 m³/døgn, vel og mærke pr. pumpe. Som en start valgte herfor at lade 3 eksisterende centrifugalpumper udskifte med skruecentrifugalpumerne, og på sigt er det meningen at alle produktionslinier skal køre med skruecentrifugalpumper fab. HUS fra Hans Buch A/S. Page 2 Om Hans Buch A/S Det er Hans Buchs idégrundlag at være en foretrukken partner for dansk industri inden for tekniske produkter og løsninger. Gennem indgående viden og knowhow omkring produkter og en tilbundsgående forståelse for kundebehovene, er det Hans Buchs mål at levere maksimal værditilvækst til de leverede produkter og løsninger. Forretningsområderne i Hans Buch A/S er; Elektronik, Instrumentering, Elektroteknisk og Mekanisk udstyr, som markedsføres, sælges og serviceres i form af såvel komponenter som færdige løsninger til industrien. Hans Buch A/S beskæftiger 80 medarbejdere, og ejes i dag af Fritz Schur Teknik A/S Yderligere information Hans Buch A/S Roskildevej Albertslund Tlf: Kontakt: Niels Mørch Thomsen Tlf: nmt@hansbuch.dk Hans Buch A/S Roskildevej Albertslund Telefon: Telefax: pumper@hansbuch.dk Jess Elkjær Side 51 af 70

52 Jess Elkjær Side 52 af 70

53 Jess Elkjær Side 53 af 70