Process- och energimodellering av ett system med ter

Av: Bengt Andersson

Termisk hydrolys av slam (THP) före anaerob rötning (AD) förbättrar rötningen, avvattningsbarheten och inaktiveringen av patogener och minskar slammets viskositet. En lägre viskositet medför att en högre slamhalt kan upprätthållas i rötningsprocessen med kortare erforderlig uppehållstid. Hydrolysprocessen måste värmas till 150 ^o C, vilket sker med kraftvärme (CHP) med intern energi från rötgas. Värmeenergin måste ha en högre temperatur än 180 ^o C (HT), vilket gör gasmotorer med en hög elverkningsgrad men med lägre kylvattentemperatur mindre lämpade. Därför används gasturbiner med lägre elverkningsgrad för att klara uppvärmningen för produktion av ånga. På grund av förekommande variationer behöver ibland en del av gasen brännas i en gaspanna utan elproduktion. 

En statisk energibalans skapar en förståelse för processen men räcker inte för att ge en riktig bild av de dynamiska förhållandena, som påverkar processen vid variationer i flöden, gas och processparametrar. För att beskriva resultatet på ett nöjaktigt sätt erfordras en dynamisk modell, som tar hänsyn till både energi- och processdynamik samtidigt.  

Genomförande

Studien genomfördes vid avloppsreningsverket Blue Plains i USA, som är uppbyggt med förbehandling med kemisk fällning, en högbelastad biologisk rening och ett steg för nitrifikation/denitrifikation med externt kol. Primär- och sekundärslammet avvattnades före den termiska hydrolysen, som bestod av fyra parallella linjer med en pulper där slammet homogeniserades och förvärmdes, en reaktor för hydrolys vid 165 ^o C, en flashtank för tryckutjämning och disintegrering av slammet samt en kylare för att minska temperaturen till samma temperatur som i rötkammarna. Upphettning av reaktorn skedde med ånga genererad i en ånggenerator med värme från gasturbiner med samtidig produktion av elenergi. Vid behov kunde rötgasen brännas direkt i en gaspanna utan elproduktion. 

Modellen för rötning och THP baserades på IWA modell ADM1 med en fyrstegsprocess med disintegrering, hydrolys, fermentation och metanbildning. Genom förbehandling med THP erhölls en sterilisering av biomassan och en snabbare hydrolys, som normalt är den hastighetsbestämmande processen vid rötning. 

Energimodellen, utvecklad i simuleringsplattformen SUMO och kopplad till processmodellen, beskrev energiflödena av värme, el och kemisk bunden energi inom och mellan processerna med beaktande av förluster av olika slag. Modellering gjordes av gasturbiner och gaspanna samt av gasmotorer med en högre elverkningsgrad men med lägre kylvattentemperatur. Dynamiska data skapades av hjälpdata baserade på årsmedelvärde med överlappning av dygns- och timvariationer.  

Resultat

Processmodellen visade en god överensstämmelse med mätdata och kunde förklara effekten av hydrolys före rötningen. Framför allt ökade hydrolyshastigheten på grund av en ändring i förhållandet mellan nedbrytbar och total biomassa och på en högre möjlig slamhalt i rötkammaren till följd av den lägre viskositeten. 

Energimodellen kunde förklara den genomsnittliga energibalansen. Energin i rötgasen omvandlades i gasturbinerna till el (30 %) och HT-värme (70 %).  Systemet hade ett överskott av energi på årsbasis och värmeenergin från gasturbinerna behövdes inte fullt ut för genereringen av ånga. Energin från kylningen av slammet före rötningen utnyttjades inte heller. Frigjord energi från flashtanken återcirkulerades för förvärmning av slammet i pulpern till cirka 92 ^o C. 

Vid dynamiska förhållanden konstaterades att tre linjer var tillräckligt för att behandla slammet under den större delen av tiden och den relativa belastningen i förhållande till kapaciteten för varje linje bestämde överskottet av ånga. Korttidsbehovet kunde emellertid överstiga gasturbinernas produktionskapacitet och det blev nödvändigt att utnyttja gaspannan med en minskad elproduktion som följd. Behovet av ånga var inte ideellt fördelat i tiden och några batcher fungerade inte tillfredsställande. Simuleringar för ett år visade att omkring 7 % av gasen användes i gaspannan istället för i gasturbinerna. 

Den totala skillnaden i elenergi jämfört med genomsnittsförhållandena uppgick till 30 %, vilket berodde på gasutbytet och på en minskad verkningsgrad vid lägre belastning. Utbytet av elenergi uppgick till 29 %, vilket överensstämde med modelleringsresultatet. En minskning av användningen av gaspannan kunde uppnås antingen genom en minskning av ångmängden genom recirkulation eller genom en matchning av produktion och behov av ånga på ett bättre sätt. Alternativt kunde utjämningsvolymer skapas för gas, slam eller ånga.

Ett första optimeringsförsök gjordes genom att undersöka effekten av att utnyttja värmen från kylningen av slammet före rötningen för förvärmning av slammet i pulpern. En återföring av denna energi medförde att utrymmet för recirkulation av ånga minskade. Detta medförde emellertid en minskad slammängd i reaktorn med ett mindre uppvärmningsbehov och det konstanta ångbehovet per linje minskade från 90 till 70 t/d. Från ett dynamiskt perspektiv skulle behovet av värme från gaspannan då understiga 1 % med en ökad elproduktionen av nästan 10 MWh/d. 

I ett andra optimeringsförsök undersöktes effekten av ett utbyte av gasturbinerna mot gasmotorer med samtidigt utnyttjande av värmen från kylningen före rötningen. Produktionen av el minskade dock med nästan 5 MWh/d på grund av att mer gas behövde brännas i gaspannan för erforderlig ångproduktion.

Slutsatser

En kombinerad process- och energimodellering av termisk hydrolys före rötning visade att

Källa: P. Aichinger, C. DeBarbadillo, A. Al-Omari, B. Well. ’Hot topic’ – combined energy and process modelling in thermal hydrolysis systems. Water Science & Technology 79.1 (2019), pp 84 – 92.

Hela artikeln från Water Science & Technology finns att köpa här.