Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Die substantielle Erhöhung der Biomassenutzung im Rahmen der Energiestrategie 2050 bedingt die Erschliessung zusätzlicher Biomassepotenziale sowie eine signifikante Erhöhung des Wirkungsgrades der Umwandlung von Biomasse in Endenergie. Beides kann mit der hydrothermalen Vergasung nasser Biomasse erreicht werden. Damit können speziell auch nicht vergärbare Abfälle zu Biomethan mit einem Wirkungsgrad von 60-70% verarbeitet werden. Als Nebenprodukt fällt ein konzentrierter Strom mit den Nährsalzen an. Dadurch wird unter anderem eine effiziente Rückgewinnung von Phosphor ermöglicht.
Das patentierte Verfahren wurde am PSI detailliert untersucht und im SCCER BIOSWEET optimiert. Für den letzten Schritt vor einer Kommerzialisierung durch TreaTech sàrl, eine Spin-off-Firma der EPFL, soll mit diesem Gesuch der Bau und der Testbetrieb einer Pilotanlage am PSI ermöglicht werden.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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The substantial increase in biomass utilization within the framework of the Energy Strategy 2050 requires the development of additional biomass potentials as well as a significant increase in the efficiency of the conversion of biomass into final energy. Both can be achieved with hydrothermal gasification of wet biomass. In particular, non-fermentable waste can be converted into biomethane with an efficiency of 60-70%. The by-product is a concentrated stream containing the nutrient salts. Among other things, this enables efficient recovery of phosphorus. The patented process has been studied in detail at PSI and optimized in the SCCER BIOSWEET. For the final step before commercialization by TreaTech sàrl, a spin-off company of EPFL, this application is intended to enable the construction and test operation of a pilot plant at PSI.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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L'augmentation substantielle de l'utilisation de la biomasse dans le cadre de la stratégie énergétique 2050 nécessite l'exploitation de potentiels de biomasse supplémentaires ainsi qu'une augmentation significative du degré d'efficacité de la transformation de la biomasse en énergie finale. La gazéification hydrothermale de la biomasse humide permet d'atteindre ces deux objectifs. Elle permet notamment de transformer des déchets non fermentescibles en biométhane avec un rendement de 60 à 70%. Le sous-produit est un courant concentré contenant les sels nutritifs. Cela permet notamment de récupérer efficacement le phosphore. Le procédé breveté a été étudié en détail au PSI et optimisé dans le SCCER BIOSWEET. Pour la dernière étape avant la commercialisation par TreaTech sàrl, une entreprise spin-off de l'EPFL, cette demande doit permettre la construction et l'exploitation test d'une installation pilote au PSI.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Zusammen mit den Industriepartnern TreaTech, KASAG, ExerGo und Afry wurde am PSI eine Pilotanlage (TRL 6) für die katalytische hydrothermale Vergasung (cHTG) von nassen Abfallströmen zu Methan konzipiert, gebaut und erfolgreich betrieben. Mit dieser Technologie kann eine breite Palette von nassen Abfallströmen mit hoher Effizienz unter Rückgewinnung aller Nährstoffe verarbeitet werden. Der Schwerpunkt lag dabei auf der P-Rückgewinnung durch das von TreaTech entwickelte Verfahren. Die Pilotanlage mit der Bezeichnung HydroPilot wurde mit Lösungen aus Glycerin, kommunalem Klärschlamm, Industrieabwasser und Lebensmittelabfällen getestet. Alle vier Abfallströme konnten verarbeitet werden und erzeugten einen methanreichen Gasstrom. Das Rohgas enthielt bis zu 70 Vol.-% Methan, der Rest bestand aus CO2 und H2. Der Stickstoff im Einsatzmaterial wurde vollständig als Ammonium im Prozesswasser zurückgewonnen, während bis zu 87 % der anderen Mineralien und Nährstoffe im Salzstrom extrahiert wurden. Eine gewisse Anreicherung von Mineralien im Salzabscheider war unvermeidlich und muss weiter optimiert werden, um einen längerfristigen Betrieb zu ermöglichen. Die Herstellung des Vergasungskatalysators wurde erfolgreich hochskaliert und 100 kg davon hergestellt. Seine Aktivität entsprach der unter Laborbedingungen ermittelten Aktivität oder übertraf sie sogar. Während des gesamten Projekts wurden keine Anzeichen einer Desaktivierung festgestellt. Zum Schutz des Katalysators vor den im Einsatzmaterial enthaltenen Schwefelverbindungen wurde ein handelsübliches Absorbermaterial auf der Basis von Zinkoxid dem katalytischen Reaktor vorgeschaltet. Ein statisches und ein dynamisches Wärmeübertragungsmodell wurden entwickelt, um das weitere Scale-up zu unterstützen. Wirtschaftliche Berechnungen und eine Ökobilanz des Verfahrens zur Behandlung von Klärschlamm mit P-Rückgewinnung zeigten Bereiche für weitere Verbesserungen auf, insbesondere die Verringerung der Menge und die Verbesserung des Recyclings des Schwefelabsorbermaterials. Es wurde ein Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphor aus dem aus cHTG gewonnenen Salzstrom entwickelt. Der Phosphor wurde erfolgreich durch Säureauslaugung zurückgewonnen und als kristalliner Struvit mit einer Gesamtrückgewinnungsrate von 70-80% ausgefällt, wobei die MinRec-Vorschriften eingehalten wurden. Schließlich wurden die Kapital- und Betriebskosten für das P-Rückgewinnungsverfahren für zwei Phosphorverwertungsszenarien in Form von Phosphorsäure und Struvit geschätzt. Die Verwertung und der Verkauf des Phosphors als Phosphorsäure bei der Integration des cHTG- und PRückgewinnungsverfahrens in einem Zementwerk führt zu einem rentablen Szenario, bei dem alle Betriebskosten gedeckt wären.
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Schlussbericht
(Englisch)
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A pilot plant (TRL 6) for the catalytic hydrothermal gasification (cHTG) of wet waste streams to methanewas designed, built and successfully operated at PSI, together with the industrial partners TreaTech,KASAG, ExerGo, and Afry. WIth this technology, a wide range of wet waste streams can be processed with a high efficiency, recovering all the nutrients. A focus was set on P-recovery by TreaTech’sproprietary process. The pilot plant, called HydroPilot, was tested using solutions of glycerol, municipal sewage sludge, an industrial waste water, and food waste. All four waste streams could be processed and produced a methane-rich gas stream. The raw gas contained up to 70 vol% of methane, the remainder being CO2 and H2. Nitrogen in the feed was fully recovered as ammonium in the process water, while up to 87% of the other minerals and nutrients were extracted in the brine stream. Some accumulation of minerals in the salt separator was inevitable and must be further optimized to enable longer term operation. The production of the gasification catalyst was successfully scaled up and 100 kg produced industrially. Its activity was similar to or even exceed the one determined under lab-scale conditions. No signs of deactivation were found during the whole project. To protect the catalyst from sulfur compounds present in the feed, a commercial absorber material based on zinc oxide was placed upstream of the catalytic reactor. A static and a dynamic heat transfer model were developed to aid further scale-up. Economic calculations and an LCA of the process for the treatment of sewage sludge with P-recovery highlighted areas for further improvement, in particular reducing the amount and improving the recycling of the sulfur absorber material. A process was developed to recover phosphorus from the brine stream extracted from cHTG. Phosphorus was successfully recovered through acid leaching and precipitated as crystalline Struvite with an overall recovery rate of 70-80% while complying with MinRec regulations. Finally, the capital and operating expenses for the P-recovery process have been estimated for two phosphorus valorisation scenarios in the form of phosphoric acid and struvite. Valorising and selling the phosphorus as phosphoric acid when integrating the cHTG and P-recovery processes within a cement manufacturing plant, results in a profitable scenario where all the operating expenses would be covered.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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Une installation pilote (TRL 6) pour la gazéification hydrothermale catalytique (cHTG) de flux de déchets humides en méthane a été conçue, construite et exploitée avec succès au PSI, en collaboration avec les partenaires industriels TreaTech, KASAG, ExerGo et Afry. Cette technologie permet de traiter un large éventail de flux de déchets humides avec une grande efficacité, en récupérant tous les nutriments. L'accent a été mis sur la récupération du phosphore par le procédé exclusif de TreaTech. L'installation pilote, appelée HydroPilot, a été testée avec des solutions de glycérol, de boues d'épuration municipales, d'eaux usées industrielles et de déchets alimentaires. Les quatre flux de déchets ont pu être traités et ont produit un flux de gaz riche en méthane. Le gaz brut contenait jusqu'à 70 % de méthane, le reste étant constitué de CO2 et de H2. L'azote contenu dans l'alimentation a été entièrement récupéré sous forme d'ammonium dans l'eau de traitement, tandis que jusqu'à 87 % des autres minéraux et nutriments ont été extraits dans le flux de saumure. Une certaine accumulation de minéraux dans le séparateur de sel était inévitable et doit être optimisée pour permettre un fonctionnement à long terme. La production du catalyseur de gazéification a été mise à l'échelle avec succès et 100 kg ont été produits industriellement. Son activité était similaire, voire supérieure, à celle déterminée dans des conditions de laboratoire. Aucun signe de désactivation n'a été constaté pendant toute la durée du projet. Pour protéger le catalyseur des composés sulfurés présents dans l'alimentation, un matériau absorbant commercial à base d'oxyde de zinc a été placé en amont du réacteur catalytique. Un modèle statique et un modèle dynamique de transfert de chaleur ont été développés pour faciliter la mise à l'échelle ultérieure. Des calculs économiques et une ACV du procédé de traitement des boues d'épuration avec récupération du P ont mis en évidence des domaines susceptibles d'être améliorés, en particulier la réduction de la quantité et l'amélioration du recyclage du matériau absorbeur de soufre. Un procédé a été mis au point pour récupérer le phosphore du flux de saumure extrait du cHTG. Le phosphore a été récupéré avec succès par lixiviation acide et précipité sous forme de struvite cristalline, avec un taux de récupération global de 70 à 80 %, tout en respectant les réglementations MinRec. Enfin, les dépenses d'investissement et d'exploitation pour le processus de récupération du phosphore ont été estimées pour deux scénarios de valorisation du phosphore sous forme d'acide phosphorique et de struvite. La valorisation et la vente du phosphore sous forme d'acide phosphorique lors de l'intégration des processus de cHTG et de récupération du P au sein d'une cimenterie aboutissent à un scénario rentable dans lequel toutes les dépenses d'exploitation seraient couvertes.
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