Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

The biogas plant Kungsängens gård, owned by Uppsala Vatten och Avfall AB, produces biogas and biomanure from organic household waste, food processing waste and
slaughterhouse waste. In year 2012, 4.4 million Nm3 of biogas were produced from 25 200 tons of waste. Before digestion all substrate is sanitized by one hour’s pasteurization at 70°C in order to kill pathogens. Another method, integrated thermophilic sanitation (ITS), is of
interest in order to decrease the energy demand. The method implies that the substrate is sanitized during ten hours in the digestion chamber, where the temperature is 52°C.

The purpose of this thesis was to compare pasteurization with integrated thermophilic sanitation from an energy point of view. The pasteurization´s impact on biogas production and energy yield was examined through experiments with two laboratory digesters, of which one was fed with pasteurized substrate and the other with non-pasteurized substrate.

For the present pasteurization system, electricity and heat demand was surveyed. For the integrated thermophilic sanitation, a process design was developed and dimensioned and the electricity and heat demand was calculated. Thereafter, the energy yield and energy demand for the two sanitation systems were compared.

The result showed that pasteurization had no effect on biogas production. The energy yield was on average 4.79 kWh/kg VS from non-pasteurized substrate and 4.74 kWh/kg VS from pasteurized substrate. There was no statistically significant difference between the reactors.

The energy audit showed that pasteurization required 0.48 kWh/kg VS, which is 85 % of the total energy consumption at the facility. The digester warming demanded 0.077 kWh/kg VS
for RK1 and 0.031 kWh/kg VS for RK2. The electricity consumption was 0.041 kWh/kg VS.

The process of ITS was designed with a heat exchange from bio manure to substrate, followed by heating to 52°C by steam addition. The heat requirement was 0.24 kWh/kg VS
and the electricity demand was 0.034 kWh/kg VS. The warming of the digesters was the same as in the present pasteurization system.

The comparison between the existing pasteurization and the ITS showed that switching systems would save 0.243 kWh/kg VS or 46 % of the present energy consumption. This
corresponds to annual savings of 1.22 GWh.

A sensitivity analysis showed that the results were sensitive to assumptions regarding the heat exchanger in the case of ITS. 10 % energy losses resulted in smaller savings, 34 % or 0.91 GWh per year.

There are increased risks of process disruptions if ITS is combined with an increased organic loading rate. 4.2 % reduction of the total biogas production erases the energy savings which means that it is important that process stability is ensured.

Uppsala Vatten och Avfall AB:s biogasanläggning Kungsängens gård producerar biogas och biogödsel från organiskt hushållsavfall, livsmedelsavfall och slakteriavfall. År 2012
producerades 4,4 miljoner Nm3 biogas från 25 200 ton avfall. Före rötning pastöriseras allt substrat vid 70°C i en timme för att avdöda patogener. För att minska energiförbrukningen är en annan hygieniseringsmetod, integrerad termofil hygienisering, intressant. Det innebär
att substratet hygieniseras under tio timmar direkt i rötkammaren, där temperaturen är 52°C.

Syftet med detta examensarbete var att ur ett energiperspektiv jämföra den nuvarande pastöriseringen med integrerad termofil hygienisering. Pastöriseringens påverkan på biogasproduktionen undersöktes genom försök med två rötkammare i labbskala, där den ena matades med pastöriserat substrat och den andra med icke pastöriserat substrat. El- och värmebehov kartlades för den nuvarande pastöriseringen. En möjlig processutformning vid
integrerad termofil hygienisering togs fram och dimensionerades och el- och värmebehov beräknades. Därefter jämfördes energiutbytet och energibehovet för de två
hygieniseringssystemen.

Resultaten visade att pastöriseringen inte påverkade biogasproduktionen. Energiutbytet var i genomsnitt 4,79 kWh/kg VS för reaktorn med icke pastöriserat substrat och 4,74 kWh/kg VS för reaktorn med pastöriserat substrat. Det fanns således ingen statistiskt säkerställd skillnad
mellan reaktorerna.

Energikartläggningen av den befintliga pastöriseringen visade att själva pastöriseringen krävde 0,48 kWh/kg VS, vilket är 85 % av hela anläggningens värmeförbrukning.
Varmhållningen av rötkamrarna krävde 0,077 kWh/kg VS för RK1 och 0,031 kWh/kg VS för RK2. Elförbrukningen var 0,041 kWh/kg VS.

Processen för integrerad termofil hygienisering utformades med en värmeväxling av substratet mot rötrestlagret och spetsvärmning till 52°C genom ångtillsats i de befintliga
pastöriseringstankarna. Värmebehovet beräknades till 0,24 kWh/kg VS och elbehovet till 0,034 kWh/kg VS. Varmhållningsbehovet var samma som i det befintliga systemet.

Jämförelsen mellan den befintliga pastöriseringen och integrerad termofil hygienisering visade att 0,243 kWh/kg VS eller 46 % av dagens värmeförbrukning i hygieniseringsdelen skulle sparas genom ett systembyte. Det motsvarar på årsbasis 1,22 GWh.

En känslighetsanalys visade att resultatet var känsligt för antaganden kring värmeväxlaren i fallet med integrerad termofil hygienisering. Förluster på 10 % gav en mindre
värmebesparing, 34 % eller 0,91 GWh/år.

Det finns dock risk för störningar om integrerad termofil hygienisering kombineras med en ökad organisk belastning. 4,2 % minskning av den totala biogasproduktionen utraderar
energibesparingen vilket innebär att det är mycket viktigt att processtabiliteten säkerställs.