Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

Most of the biogas produced in small scale biogas plants in Sweden today is used for combined heat
and power production. With the price of electricity being relatively low, the small biogas plants are
hardly profitable. Since the electricity in Sweden is largely renewable the environmental motivation
for farmers to build their own small scale biogas plants is low. If the biogas could be used as vehicle
fuel instead this might change. Vehicle fuel is still mostly fossil which means that production of small
scale vehicle fuel would benefit both the environment and the producers. The problem however is
that upgrading small flows of biogas is too expensive with todays established technologies.

Because of this, RISE and SLU are researching alternative methods of upgrading with the purpose of
making them cheaper for small scale biogas plants. The one featured in this paper is called ash filter.
This method involves filling a container, the ash filter, with moist ash, sealing it up and letting biogas
pass through the ash bed. The CO2 in the biogas will carbonize with the Ca2+ in the ash and remain
fixated while the CH4 enriched gas will pass through. Any H2S in the biogas will also be fixated in the
ash forming sulfites. Ash filters have been used in the laboratory multiple times and the aim of this
project was to use the method for the first time on a demonstration scale at the biogas plant in
Sötåsen. The biogas produced at this plant contained an average of 56 % CH4, 43 % CO2 and 700 –
1000 ppm H2S at the time of the trial.

The trial was a success with the dry upgraded gas reaching concentrations of 99.1 % CH4, <0.1 % CO2
and <2 ppm H2S. When sampled immediately after the filter the gas had a moisture content of 1.5 %.
The ash had a capacity of fixating 99 g CO2/kg dry ash. About 52 % of the fixation happened before
the breakthrough of CO2 occurred, after which the upgraded gas increased its CO2 content slowly
during the rest of the trial. All of the H2S in the biogas was fixated by the filter. After the trial was
ended the ash was examined and proved to be easy to handle and suitable for storage outside.

Since almost half of the upgrading capacity remained after the breakthrough, multiple filters should
be used in series to ensure a steady stream of completely upgraded gas. The upgraded biogas
reached the specifications for vehicle fuel except for the moisture content. This would have to be
removed before the gas could be compressed and odorized in future trials. Different types of ashes
could be tested with other gas flows as well to obtain even more experience of the upgrading
method.

Biogas producerad på småskaliga gårdsanläggningar är i dagens läge svår att göra lönsam.
Uppgraderad till fordonsgas skulle den kunna få ekonomiska såväl miljömässiga fördelar över den
kraftvärme som framförallt produceras av biogas i dagsläget. Problemet är att kostnaden för
uppgradering av de små biogasflöden som gårdsanläggningarna producerar är för hög. RISE och SLU
utvecklar därför alternativa uppgraderingsmetoder för små biogasanläggningar och en av dessa
metoder innefattar att uppgradera biogas med askfilter. Tekniken går ut på att låta biogas passera en
fuktig askbädd i vilken CO2 fixeras genom karbonatisering med Ca2+. Dessutom reagerar H2S i
biogasen med metaller i askan och fixeras som sulfider. Detta resulterar i att en uppgraderad gas som
är renad på CO2 och H2S kan erhålls av filtret. Denna gas kan sedan torkas, odöriseras och
komprimeras för att användas som fordonsgas. När askbädden är mättad med CO2 byts askan ut, och
den använda askan har då stabiliserats vilket är intressant ur lagringsperspektiv samt återföring av
trädbränsleaska. Tanken är att askfiltertekniken under rätt förutsättningar ska vara tillräckligt billig
för att göra fordonsgasproduktion lönsam för små anläggningar. Flera framgångsrika försök har
tidigare genomförts i laboratorie- och pilotskala för olika asksammansättningar. Detta projektarbete
behandlade det första försöket genomfört i demonstrationsskala. Aska samlades inför försöket in
från Moälvens värmeverk i Töreboda och askfiltret placerades vid biogasanläggningen på Sötåsens
naturbruksgymnasium. Askan fuktades, blandades med en traktormonterad cementblandare på
Sötåsen och fördes därefter över till filtret vid första försöksdagen där uppgraderingen genomfördes
under ca två dygn.

Sötåsens biogasanläggning producerade vid försöket en biogas med ca 56 % CH4, 43 % CO2 och 700 –
1000 ppm H2S med ett gasflöde som varierade mellan 0 – 8 m3/h. Gasen uppgraderades till ca 99,1 %
CH4, <0,1 % CO2, <2 ppm H2S för torr gas. Omedelbart efter askfiltret höll den uppgraderade gasen en
fukthalt av ca 1,5 % H2O. Drygt hälften av karbonatiseringen skedde innan genombrott inträffade,
alltså den tidpunkt vid vilken > 1 % CO2 passerar askbädden. Efter genombrottet klingade
uppgraderingskapaciteten av tills all aska blivit karbonatiserad. Kapaciteten hos den blandning av
flyg- och bottenaska från förbränning av trädbränslen som användes vid detta specifika försök visade
sig vara 99 g CO2/kg torr aska. Under försöket fixerades all ingående H2S av askfiltret. Den använda
askan var finkornig och lätt att gräva i och lagrades efter försökets avslut på hög utomhus. Efter fyra
månaders lagring var den fortfarande lätthanterlig. Sammanfattningsvis fungerade askfiltret väl i
detta första demonstrationsförsök.

Eftersom en betydande del av askans karbonatiseringskapacitet återstod efter genombrottet bör
flera askfilter användas i serie för att en askbädd ska kunna utnyttjas fullständigt utan att den
erhållna uppgraderade gasen minskar i kvalitet. I ett sådant scenario bör det färskaste filtret placeras
sist i kedjan och det äldsta först. Detta kräver även en väl planerad logistik som fungerar både vad
gäller uppsamling, transport och laddning av ny aska samt hantering av de mättade askfiltren.

Då karbonatiseringsprocessen är exoterm och askan fuktig fick den varma uppgraderade gasen en
ökad fukthalt. Eftersom fordonsgas måste vara torr innan den komprimeras behöver torkning av den
uppgraderade gasen genomföras. Möjliga metoder för detta i framtida försök är att använda
kylslingor och adsorptionsfilter efter askfiltret. Gasen behöver även odöriseras enligt kraven för
fordonsgas. För fortsatta försök kan torkning och odörisering därför ingå för att möjliggöra
komprimering och tankning av ett gasdrivet fordon i syfte att demonstrera hela processen från
biogas till fordonsgas. I framtida försök kan även askor från olika trädbränslen användas såväl som
olika biogasflöden och fukthalter. Detta i syfte att erhålla kunskaper och erfarenheter av metoden i
full skala.