Nu lanceres verdens første præcise massestrømsmåler til biogas Massestrømsmåler GP-MF er et dansk produkt udviklet og patenteret af Geopal System A/S Nøjagtige målinger også ved variationer i gassammensætningen Muliggør optimering af processen i rådnetanken
Massestrømsmåler GP-MF er resultatet af et flerårigt udviklingsarbejde, som har resulteret i et unikt og brugervenligt produkt. Det revolutionerende ved dette produkt og det som patentet er bygget op omkring er, at der kontinuerligt tages hensyn til ændringer i gassens sammensætning. Herved er det muligt at bestemme metan massestrømmen med en usikkerhed på mindre end ± 3 %. Metan massestrømmen er en vigtig parameter i forbindelse med drift af rådnetanke I rådnetanke produceres der biogas, der er en blanding af metan og kuldioxid. Og produktionen af metan er en vigtig kontrolparameter i forbindelse med den daglige drift. Måleprincip Den samlede massestrøm bestemmes ud fra varmekapacitetsprincippet, som er: E = * Cp * t E = Cp * t Hvor E er den effekt der tilføres gassen, Cp er gassens varmefylde, t er temperaturstigningen i gassen og er massestrømmen af biogassen. Da der samtidig foretages kontinuerlig måling af gassens metanindhold, kan metan massestrømmen nu beregnes ud fra: CH 4 = * vægt % CH 4 100 Geopal / Massestrøm måler / januar 2009 Ved at følge metan massestrømmen i forhold til renseanlæggets belastning og den slammængde, der tilføres rådnetanken, kan man sikre sig, at udrådningsprocessen forløber optimalt. Når man hele tiden kender metan massestrømmen, har man desuden et korrekt billede af hvor meget energi, den producerede biogas repræsenterer. Og det giver f. eks. mulighed for at foretage en løbende kontrol af virkningsgraden i gasmotorer og gaskedler. Det unikke ved måleren er, at der kontinuerligt tages hensyn til variationerne i gassens varmefylde og sammensætning. Massestrømsmåler GP-MF er således specielt udviklet til at måle på en blanding af flere gasser, hvoraf den ene er vanddamp i mætningstilstand som f. eks. biogas. Tages der ikke hensyn til de naturlige variationer i gassens sammensætning, så vil der være en modelusikkerhed på ca. ±25%, jf. følgende eksempel. Det er derfor modelusikkerhed af denne størrelsesorden, der kendetegner de øvrige produkter på markedet.
Figur 1. Hvorfor er det svært at foretage nøjagtige målinger af biogas? Den biogas, der dannes ved anaerob udrådning, er en blanding af metan og kuldioxid. Når biogassen forlader rådnetanken, vil den desuden være mættet med vanddamp ved den aktuelle rådnetankstemperatur. Forholdet mellem metan og kuldioxid afhænger bl.a. af sammensætningen af det slam og/eller andet affald, der tilføres rådnetanken. Metan er uopløselig i vand og al den dannede metan vil derfor ende i biogassen. For kuldioxid forholder det sig anderledes. En del af kuldioxiden vil afhængig af de aktuelle driftsforhold blive opløst i vandet og bortledt med det udrådnede slam. Med de normale variationer i f. eks. omrøring, slamsammensætning, ph og temperatur vil der derfor være en betydelig variation i forholdet mellem metan og kuldioxid i biogassen. Da der er meget stor forskel på varmefylden og vægtfylden af metan og kuldioxid, giver variationer i gassammensætningen anledning til stor modelunøjagtighed på gasmålinger ved de hidtil kendte principper, der ikke tager hensyn til gassens sammensætning. Situationen forværres desuden af, at varmefylde og vægtfylde er temperaturafhængige. Eksempel: I figur 1 er det vist, hvordan varmefylde, vægtfylde og metanindhold (vægt %) varierer med gassammensætning og temperatur. For at kunne dække det normale variationsområde med hensyn til gassammensætning, er der på x-aksen anvendt et forhold mellem metan og kuldioxid på 1,25 2,5 i tør gas. Det svarer til at metanindholdet i gassen er ca. 56 71%. Med hensyn til temperatur er valgt variationsområdet 5 55 o C, der svarer til de normale yderpunkter, man kan komme ud for ved måling på biogas. Varm gas fra en termofil rådnetank er typisk 55 o C, og gassen fra en gasklokke kan om vinteren komme helt ned på 5 o C. I alle tilfælde er det forudsat, at gassen er mættet med vanddamp ved den aktuelle temperatur, dvs. den relative fugtighed, er 100 % RH. Variationen af de enkelte parametre er beregnet til at ligge i området ± 12 26% af mid-
delværdien i det valgte område. Hvis der ikke tages hensyn til disse variationer, kan større målenøjagtighed aldrig opnås. Og det betyder, at modelunøjagtigheden for de 3 mest anvendte måleprincipper vil være ± 23 28% af metan massestrømmens middelværdi. Varmekapacitetsprincippet: Vægt % CH 4 (±23%) Varmefylde Differenstryksprincippet: Vægt % CH 4. Vægtfylde (±27%) Vortex princippet: Vægt % CH 4. Vægtfylde (±28%) OPBYGNING AF MÅLEREN Massestrømsmåler GP-MF består af et målerør og et styreskab. I målerøret er monteret et varmeelement og en række temperaturfølere. Umiddelbart efter målerøret foretages der kontinuerlig måling af gassens metanindhold. Figur 3. Massestrømsmåler GP-MF incl. styreskab og metanvolumenprocentmåler på Holbæk Renseanlæg. beregnes massestrømmen af metan, kuldioxid og vanddamp. Computeren, der er monteret i styreskabet, foretager løbende disse beregninger, således at de enkelte massestrømme kontinuerligt kan aflæses i displayet. Varmeelementet tilføres effekten E, og herved opvarmes gasstrømmen fra T1 til T2. På baggrund af den tilførte effekt, de registrerede temperaturer og det i gassen målte metanindhold Figur 2. Teknisk diagram metan massestrømsmåler. Verifikation På Holbæk Renseanlæg er måleren installeret medio 2008 og den er implementeret i renseanlæggets SRO anlæg. Kunden er efter eget udsagn særdeles tilfreds med produktet, der bruges aktivt i driften. Målenøjagtigheden for Geopal GP-MF er verificeret ved test på dette anlæg. Gassen, der passerer gennem måleren, brændes efterfølgende af i en gaskedel. På kedlen er der monteret energimålere, som registrerer hvor meget varme, der produceres. Informationer om registreret massestrøm af metan og produceret varmemængde opsamles i SRO anlægget og benyttes til beregning af virkningsgraden i kedlen. Til verifikation af målerens nøjagtighed er der i samarbejde med kedelleverandøren foretaget en række målinger af kedelvirkningsgraden. De beregnede og målte værdier er herefter sammenlignet, og der er fundet god overensstemmelse mellem disse værdier. Geopal / Massestrøm måler / januar 2009
Cost benefit Procesteknisk er det vigtigt løbende at kende den præcise produktion af metan for derved at kunne optimere processen i rådnetanken. Erfaringen viser, at der ved løbende optimering af rådnetankprocesserne kan opnås en forøgelse af tørstofomsætningen, hvilket giver følgende gevinster: - Besparelse i forbindelse med bortskaffelse af slam. - Øget metanproduktion Desuden giver måleren følgende fordele: Mulighed for reduktion af driftstiden på omrørere Minimering af kondensproblemer i gasramper Korrekt måling af metankoncentration Udlæsning af metankoncentration i tør gas I følgende eksempel antages det, at det ved hjælp af GP-MS er muligt at optimere rådnetanksdriften på et 80.000 PE anlæg, så der kan opnås 10 % større omsætning i rådnetanken. Minimering af kondensproblemer i gasramper Det er en stor fordel, at gassen, der forlader måleren, som følge af opvarmningen er bragt langt væk fra dugpunktet. Når gasrøret på stykket efter måleren er isoleret tilstrækkeligt, undgås herved kondensproblemer i f.eks. gasramper. Korrekt måling af metankoncentration En korrekt måling af biogassens metankoncentration er et vigtigt redskab i forbindelse med drift af rådnetanke. En overbelastning eller forgiftning vil meget hurtigt vise sig i form af et fald i metankoncentrationen. Når man hele tiden kender metankoncentrationen, er det således muligt at reagere hurtigt og derved f.eks. undgå at rådnetanken løber sur. De på markedet eksisterende målere til bestemmelse af metankoncentration er meget følsomme overfor vanddamp i gassen. En af de største leverandører oplyser, at deres måler kun kan bruges i området 5 95 % relativ fugtighed (RH). Geopal / Massestrøm måler / januar 2009 Reduktion af slammængde En 10 % forøgelse af omsætningen vil betyde, at den daglige slamproduktion reduceres med ca. 250 kg TS/d. Hvis slammet afvandes til 25% TS betyder det, at mængden af afvandet slam reduceres med ca. 360 t /år. Øget gasproduktion Hvis metan produktionen forøges med ca. 100 kg/d, så svarer det til en årlig energimængde på ca. 500.000 kwh. Hvis gassen benyttes til elproduktion i en moderne gasmotor, så kan der produceres ca. 160.000 kwh el/år. Til sammenligning har GP-MF massestrømsmåleren et elforbrug på 0,2 kw, svarende til et forbrug på ca. 1.800 kwh/år. Reduktion i omrøring På Holbæk Renseanlæg viste der sig en uventet gevinst, da det pludseligt var muligt at bestemme metan massestrømmen nøjagtigt. Det viste sig nemlig, at en reduktion af driftstiden på omrørerne i rådnetanken ikke havde nogen negativ effekt på metanproduktionen. Det har betydet, at driftstiden på omrørerne nu er reduceret med 80%. Ved passage gennem massestrømsmåler GP-MF sker der en opvarmning af gassen, og herved bringes fugtigheden ned omkring 55 % RH. Efter GP-MF er det således muligt at foretage en nøjagtig måling af metankoncentrationen, og det er baggrunden for, at koncentrationsmåleren er anbragt efter massestrømsmåleren. Udlæsning af metan volumen % som tør gas Den metankoncentration, der bestemmes af koncentrationsmåleren, udlæses i volumen % af den faktiske gasblanding, dvs. i en blanding af metan, kuldoxid og vanddamp. Da vanddampindholdet varierer med temperaturen, betyder det, at det er nødvendigt at rense måleresultatet for vanddamp, når man ønsker at beregne forholdet mellem metan og kuldioxid. I GP-MF bliver signalet fra koncentrationsmåleren omregnet til volumen % af tør gas, således at metan/kuldioxid forholdet umiddelbart kan bestemmes. Desuden kan resultaterne fra massestrømsmåleren umiddelbart sammenlignes med resultater af analyser foretaget på laboratorium.
Tekniske specifikationer Massestrømsmåler GP-MF 50 2-50 kg metan/time Forsyningsspænding 1x230V Frekvens 50/60 Hz Max effekt 650 Watt Max forsikring 13 A Outputsignaler: Signal for volumenprocent 4-20mA 0-100 volumenprocent metan Signal for den aktuelle massestrøm 4-20 ma (2 ma ved fejl) 0-100 % af måleområdet 0-50 kg metan/time Signal for opsummeret mængde Relækontakt 0,5 kg pr. tilstandsskift Inputsignaler: Metan vol % måler 4-20 ma 0-100 volumenprocent metan Forsyning metanmåler 24 V AC/DC Installationstemperatur, styreskab 0 ºC til + 50 ºC Relativ fugtighed omgivelse max 95 %, ikke kondenserende Beskyttelse IP 54 Flow metan 2-50 kg/time Varmestav 600 W Rør DN/PN 80/10 Tryktab over måler v. 50 kg metan/time 12 hpa Respektafstand v. montering 0 Absolut nøjagtighed Bedre end ± 3 % Langtidsstabilitet ±3 % Gentagelsesnøjagtighed ±1 % Medieberørte dele AISI 316L Samleboks Malet aluminium Udvendig kappe Malet PE-HD Installationstemperatur, målerør: -25 ºC til + 50 ºC Opbevaringstemperatur: -25 ºC til + 60 ºC Gastemperatur (indgang): 5 ºC til + 65 ºC Beskyttelse: IP 55 Shut off temp. for varmestav: 90 ºC GODKENDELSER ATEX 94/9/EF EN 50 014, EN50 018, EN50 019 Certificat nr.: Epsilon 07 ATEX 2397 II 2G EExd e ia IIC T5 EMC 89/336/EØF, Emission EN 50 081-1, EN50 081-2 EN 50 082-2, EN50 082-1 Immunitet ATEX 94/9/EF EN 50 014, EN50 018, EN50 019 A12060 R EGISTERED FIRM 03 ATEX Q133996 DBI reg. Nr. 233.301 ISO9001:2000 Geopal System A/S / Skelstedet 10 B / DK-2950 Vedbæk / Phone +45 4567 0600 / Fax +45 4566 1205 / www.geopal.dk EA9109AD