Kurzbeschreibung
(Deutsch)
|
Die hohe Rekalzitranz von Rindergülle gegenüber dem anaeroben Abbau lässt derzeit keine ökonomische Umwandlung (ohne zusätzliche Vergütung) zu Biogas zu. Um dies zu ermöglichen, wurde in dem Era-Net Projekt ‘ManuMax’ eine optimierte, wärmeintegrierte Dampf-Vorbehandlungsmethode entwickelt. Mit dem Verfahren können im Labor die Biogas-Ausbeuten um 75% verbessert werden. In diesem Projekt soll basierend auf dem Laborverfahren eine kontinuierlich betriebene thermische Vorbehandlung aufgebaut und für ein Jahr unter realen Bedingungen betrieben und analysiert werden. Die Anlage wird ausschliesslich die Rindergülle des Schulbetriebs IAG in Grangeneuve (ca. 50 GVE) verwenden. Dazu wird neben einem grossen Standard-Biogas Fermenter (1'000 m3) in welchem alle Substrate des Betriebs vergoren werden, die Vorbehandlung mit einem kleineren 3.5 m3 Fermenter aufgebaut.
|
Kurzbeschreibung
(Englisch)
|
The high recalcitrance of cattle manure compared to anaerobic degradation does not currently allow economic conversion (without additional remuneration) to biogas. To make this possible, an optimized, heat-integrated steam pre-treatment method was developed in the Era-Net project 'ManuMax'. The process can improve biogas yields by 75% in the laboratory. In this project, based on the laboratory process, a continuously operated thermal pre-treatment system is to be set up and operated and analyzed for one year under real conditions. The plant will exclusively use cattle manure from the IAG school farm in Grangeneuve (approx. 50 LU). In addition to a large standard biogas fermenter (1,000 m3) in which all of the farm's substrates are fermented, a smaller 3.5 m3 fermenter will be used for pre-treatment.
|
Kurzbeschreibung
(Französisch)
|
La recalcitrance élevée du lisier bovin par rapport à la digestion anaérobie ne permet pas actuellement une transformation économique (sans rémunération supplémentaire) en biogaz. Pour rendre cela possible, une méthode de prétraitement à la vapeur optimisée et intégrée à la chaleur a été développée dans le projet Era-Net 'ManuMax'. Ce procédé permet d'améliorer les rendements de biogaz de 75% en laboratoire. Dans le cadre de ce projet, un prétraitement thermique en continu sera mis en place sur la base du procédé de laboratoire, puis exploité et analysé pendant un an dans des conditions réelles. L'installation utilisera exclusivement le lisier de bovins de l'exploitation scolaire IAG à Grangeneuve (env. 50 UGB). En plus d'un grand digesteur de biogaz standard (1'000 m3) dans lequel tous les substrats de l'exploitation seront fermentés, le prétraitement sera mis en place avec un plus petit digesteur de 3,5 m3.
|
Schlussbericht
(Deutsch)
|
Hofdünger wie z.B. Rindergülle ist das grösste noch zusätzlich nutzbare Biomassepotential der Schweiz und kann als Substrat für die Herstellung von Biogas verwendet werden. Allerdings können landwirtschaftliche Biogasanlagen, die nur Rindergülle vergären, unter den heutigen Rahmenbedingungen nicht ökonomisch betrieben werden, da die Biogasausbeute von Rindergülle zu tief ist und die Anlagen wegen dem hohen Wasseranteil des Substrats einen hohen Eigenenergieverbrauch aufweisen. In einem Vorgängerprojekt konnte demonstriert werden, dass eine Dampfexplosion-Vorbehandlung auf Labormassstab die Biogasausbeute aus Gülle um bis zu 50% erhöht. Bei dieser Methode wird Biomasse durch die Injektion von Dampf auf Temperaturen von 130 bis 215°C aufgeheizt, und nach einer definierten Zeitspanne explosionsartig in einen Auffangbehälter überführt, wobei die Faserstruktur aufgebrochen wird. In dem hier vorliegenden Projekt wurde basierend auf den im Vorgängerprojekt erworbenen Erkenntnissen eine wärmeintegrierte Dampfexplosion-Vorbehandlungsanlage auf Pilotmassstab entworfen, am IAG Grangeneuve gebaut und unter realen Bedingungen getestet, um den Effekt der Vorbehandlung auf die Biogasausbeute zu ermitteln und die Umsetzbarkeit abzuschätzen. In der Pilotvorbehandlungsanlage wurde Gülle in Güllefeststoffe und Dünngülle separiert und nur der Feststoff vorbehandelt, da das Vorgängerprojekt gezeigt hatte, dass nur die Biogasausbeute aus den Feststoffen durch die Vorbehandlung erhöht werden konnte. In der Pilotanlage werden die vorbehandelten Gülle-Feststoffe mit der Dünngülle rückvermischt, wodurch nahezu die gesamte für die Vorbehandlung aufgewendete Wärmeenergie zurückgewonnen wird und das Substrat damit auf die für die Biogasproduktion notwendige Temperatur von 40°C aufgeheizt wird. Im Vergleich zu einer konventionellen Biogasanlage ohne Vorbehandlung, in der das Substrat ebenfalls auf Fermentertemperatur aufgeheizt werden muss, wird für die Vorbehandlung also keine zusätzliche Wärmeenergie benötigt. Ein Verlust von verdaubaren organischen Substanzen kann während der Vorbehandlung durch den thermischen Zerfall von in Lösung gehenden Molekülen wie Xylose oder Aminosäuren geschehen, insbesondere wenn die Vorbehandlungsbedingungen sehr harsch sind. Um diesen ungewollten Effekt zu minimieren, wurde die Pilotanlage so gebaut, dass während der Vorbehandlung die durch die Dampfinjektion und -kondensation entstehende Flüssigphase, welche die gelösten Substanzen enthält, kontinuierlich aus dem heissen Reaktor abgezogen werden kann. Dieses Vorgehen wurde vorgängig mit der Dampfexplosion-Vorbehandlungsanlage auf Labormassstab getestet, wobei hier die gleichen Güllefeststoffe wie in der Pilotanlage verwendet wurden. Hierbei zeigte sich, dass nach der Vorbehandlung mit Flüssigkeitsabzug circa 5 Prozentpunkte mehr organische Substanz wiedergefunden werden konnte als bei der herkömmlichen Vorbehandlung. Dadurch konnte auch der Effekt der Vorbehandlung gesteigert werden, die Verbesserung der Methanausbeute des Feststoffes stieg von 44 auf 59%. Um genügend vorbehandelte Gülle als Substrat für den kontinuierlich betriebenen 3 m3 Pilotbiogasreaktor bereitzustellen, wurde über einen Zeitraum von 11 Wochen insgesamt 10’500 kg Gülle vorbehandelt. Bedauerlicherweise war die mittlere Methanproduktion mit der vorbehandelten Gülle um 13% geringer als mit der nicht vorbehandelten Gülle. Der auf Labormassstab erzielte positive Effekt auf die Methanproduktion konnte demnach auf Pilotmassstab bisher nicht erreicht werden. Die Gründe dafür konnten noch nicht abschliessend evaluiert werden. Ein ungenügender Effekt auf die Partikelgrösse, welche sich durch die Vorbehandlung verkleinern soll, konnte ausgeschlossen werden. Auch nach der Vorbehandlung auf Pilotmassstab sind 85% der Partikel in der vorbehandelten Gülle kleiner als 0.05 mm. Es ist möglich, dass während der Vorbehandlung des Feststoffes trotz Kondensatabzug Inhibitoren gebildet wurden und die Biogasproduktion aus der Dünngülle durch die eingemischten vorbehandelten Güllefeststoffe verringert wurde. Da die verwendete Rindergülle einen sehr tiefen Trockensubstanzanteil aufwies, trug der separierte Güllefeststoff nur einen geringen Teil (ca. 15 %) zur gesamten Biogasproduktion bei, so dass eine mögliche positive Auswirkung der Vorbehandlung auf die Verdaubarkeit der Feststoffe insgesamt nur einen kleinen Einfluss auf die Gesamtbiogasausbeute haben kann, während sich ein negativer Einfluss auf die Biogasproduktion aus der Dünngülle stark auswirkt. Nachfolgende Arbeiten werden darauf fokussieren, die Gründe für den negativen Einfluss der Dampfexplosion-Vorbehandlung auf Pilotmassstab zu verstehen sowie eine Nachoptimierung der Vorbehandlungsbedingungen und Versuche mit Substraten mit einem höheren Trockensubstanzanteil durchzuführen.
Zugehörige Dokumente
|
Schlussbericht
(Englisch)
|
Farmyard manure, such as cattle slurry, is the largest additional biomass potential in Switzerland and can be used as a substrate to produce biogas. However, agricultural biogas plants that only ferment cattle manure cannot be operated economically under current conditions, as the biogas yield of cattle manure is too low, and the plants have a high energy consumption due to the high water content of the substrate. In a previous project, it was demonstrated that steam explosion pre-treatment on a laboratory scale increases the biogas yield from liquid manure by up to 50%. In this method, biomass is heated to temperatures of 130 to 215°C by injecting steam and, after a defined period of time, transferred explosively into a collecting tank, breaking up the fiber structure. In this project, a heat-integrated steam explosion pre-treatment plant was designed on a pilot scale based on the knowledge gained in the previous project, built at the IAG Grangeneuve and tested under real conditions in order to determine the effect of pre-treatment on the biogas yield and to assess its feasibility. In the pilot pretreatment plant, liquid manure was separated into liquid manure solids and thin slurry and only the solids were pre-treated, as the previous project had shown that only the biogas yield from the solids could be increased by pretreatment. In the pilot plant, the pretreated liquid manure solids are re-mixed with the thin slurry, whereby almost all of the heat energy used for pretreatment is recovered and the substrate is heated to the temperature of 40°C required for biogas production. Compared to a conventional biogas plant without pre-treatment, in which the substrate must also be heated to fermenter temperature, no additional thermal energy is required for pretreatment. A loss of digestible organic substances can also occur during pretreatment due to the thermal decomposition of molecules that go into solution, such as xylose or amino acids, especially if the pretreatment conditions are very harsh. To minimize this undesirable effect, the pilot plant was constructed in such a way that the liquid phase containing the dissolved substances produced by steam injection and condensation can be continuously withdrawn from the hot reactor during pretreatment. This procedure was tested in advance with the steam explosion pre-treatment plant on a laboratory scale, using the same slurry solids as in the pilot plant. This showed that after pretreatment with liquid extraction, around 5 percentage points more organic matter could be recovered than with conventional pretreatment. This also increased the effect of the pretreatment, improving the methane yield of the solids from 44 to 59%. To provide sufficient pretreated liquid manure as a substrate for the continuously operated 3 m3 pilot biogas reactor, a total of 10,500 kg of liquid manure was pre-treated over a period of 11 weeks. Unfortunately, the average methane production with the pre-treated slurry was 13% lower than with the non-pretreated slurry. The positive effect on methane production achieved on a laboratory scale has therefore not yet been achieved on a pilot scale. The reasons for this have not yet been conclusively evaluated. An insufficient effect on the particle size, which is supposed to be reduced by the pretreatment, could be ruled out. Even after pretreatment to pilot scale, 85% of the particles in the pretreated slurry are smaller than 0.05 mm. It is possible that inhibitors were formed during the pretreatment of the solids despite condensate removal and that biogas production from the thin slurry was reduced by the mixing of the slurry solids. Since the cattle slurry used had a very low dry matter content, the separated slurry solids only contributed a small proportion (approx. 15 %) to the total biogas production, so that a possible positive effect of the pretreatment on the digestibility of the solids can only have a small influence on the total biogas yield, while a negative influence on the biogas production from the thin slurry has a strong effect. Subsequent work will focus on understanding the reasons for the negative influence of the steam explosion pretreatment on pilot scale as well as on a post-optimization of the pretreatment conditions and trials with substrates with a higher dry matter content.
|
Schlussbericht
(Französisch)
|
Les engrais de ferme, comme le lisier de bovins, représentent le plus grand potentiel de biomasse supplémentaire utilisable en Suisse et peuvent être utilisés comme substrat pour la production de biogaz. Cependant, les installations de biogaz agricole qui ne fermentent que le lisier de bovins ne peuvent pas être exploitées de manière économique dans les conditions actuelles, car le rendement en biogaz du lisier de bovins est trop faible et les installations consomment beaucoup d'énergie propre en raison de la forte teneur en eau du substrat. Dans un projet précédent, il a été démontré qu'un prétraitement par explosion de vapeur à l'échelle du laboratoire permettait d'augmenter jusqu'à 50% le rendement en biogaz du lisier. Dans cette méthode, la biomasse est chauffée à des températures de 130 à 215°C par injection de vapeur et, après un laps de temps défini, elle est transférée par explosion dans un récipient collecteur, ce qui provoque la rupture de la structure fibreuse. Dans le présent projet, une installation de prétraitement par explosion de vapeur intégrée à la chaleur a été conçue à l'échelle pilote sur la base des connaissances acquises dans le projet précédent, construite à l'IAG de Grangeneuve et testée dans des conditions réelles afin de déterminer l'effet du prétraitement sur le rendement en biogaz et d'évaluer la faisabilité. Dans l'installation pilote de prétraitement, le lisier a été séparé en solides de lisier et en lisier mince, et seuls les solides ont été prétraités, car le projet précédent avait montré que seul le rendement en biogaz des solides pouvait être augmenté par le prétraitement. Dans l'installation pilote, les solides de lisier prétraités sont remixer avec le lisier mince, ce qui permet de récupérer la quasi-totalité de l'énergie thermique dépensée pour le prétraitement et de chauffer ainsi le substrat à la température de 40°C nécessaire à la production de biogaz. Par rapport à une installation de biogaz conventionnelle sans prétraitement, dans laquelle le substrat doit également être chauffé à la température du digesteur, aucune énergie thermique supplémentaire n'est donc nécessaire pour le prétraitement. Une perte de substances organiques digestibles peut se produire pendant le prétraitement en raison de la décomposition thermique de molécules en solution comme la xylose ou les acides aminés, en particulier si les conditions de prétraitement sont très sévères. Pour minimiser cet effet indésirable, l'installation pilote a été construite de manière que, pendant le prétraitement, la phase liquide résultant de l'injection et de la condensation de la vapeur et contenant les substances dissoutes puisse être soutirée en continu du réacteur chaud. Cette procédure a été testée au préalable avec l'installation de prétraitement par explosion de vapeur à l'échelle du laboratoire, en utilisant les mêmes matières solides du lisier que dans l'installation pilote. Il s'est avéré qu'après le prétraitement avec extraction de liquide, il était possible de retrouver environ 5 points de pourcentage de matière organique en plus qu'avec le prétraitement traditionnel. De ce fait, l'effet du prétraitement a également pu être augmenté, l'amélioration du rendement en méthane des matières solides est passée de 44 à 59%. Afin de fournir suffisamment de lisier prétraité comme substrat pour le réacteur pilote de biogaz de 3 m3 fonctionnant en continu, un total de 10'500 kg de lisier a été prétraité sur une période de 11 semaines. Malheureusement, la production moyenne de méthane avec le lisier prétraité était inférieure de 13% à celle du lisier non prétraité. L'effet positif sur la production de méthane obtenu à l'échelle du laboratoire n'a donc pas pu être atteint à l'échelle pilote. Les raisons de ce phénomène n'ont pas encore pu être évaluées de manière définitive. Un effet insuffisant sur la taille des particules, qui doit être réduite par le prétraitement, a pu être exclu. Même après le prétraitement à l'échelle pilote, 85% des particules dans le lisier prétraité sont inférieures à 0,05 mm. Il est possible que des inhibiteurs aient été formés pendant le prétraitement des solides, malgré l'extraction des condensats, et que la production de biogaz à partir du lisier mince ait été réduite par les solides du lisier mélangés. Comme le lisier bovin utilisé présentait une très faible teneur en matière sèche, les solides de lisier séparés n'ont contribué que pour une faible part (environ 15 %) à la production totale de biogaz, de sorte qu'un éventuel effet positif du prétraitement sur la digestibilité des solides ne peut avoir qu'une faible influence globale sur le rendement total en biogaz, alors qu'une influence négative sur la production de biogaz à partir du lisier mince a un impact important. Les travaux suivants viseront à comprendre les raisons de l'influence négative du prétraitement par explosion de vapeur à l'échelle pilote, ainsi qu'à optimiser les conditions de prétraitement et à réaliser des essais avec des substrats présentant une teneur en matière sèche plus élevée.
|
