A full-scale study on efficiency and emissions of an agricultural biogas plant

Nägele, Hans-Joachim

Doctoral Thesis

2013

A full-scale study on efficiency and emissions of an agricultural biogas plant

Nägele, Hans-Joachim

Diss_H_J_Naegele.pdf (22.61 MB)

Abstract (English)

In this study we focused on process engineering for the conversion of biomass, and utilization of the gas obtained by fermentation. Several topics regarding efficiency and emissions have been addressed by conducting intensive and long-term measurements. In detail, our objectives were (1) to conduct long-term measurements of the electric energy consumption of the biogas plant and its individual components and examination of energy-saving potentials; (2) to develop a method to measure mixing quality in the digester and to examine the mixing quality by measuring nutrient distribution in the digester with different agitator setups; (3) measure the influence of maintenance strategies on efficiency and emissions at long-term operation in practical application; (4) examine the efficiency of an external biological desulfurization plant under practical conditions to enhance biogas fuel quality. The results of electric energy measurement over a period of two years showed that a percentage of 8.5% (in 2010) and 8.7% (in 2011) of the produced electric energy was required to operate the biogas plant. The consumer unit agitators with 4.3% (in 2010) and 4.0% (in 2011) and the CHP unit with 2.5% (in 2010 and 2011) accounted for the highest electrical power demand, in relation to the electric energy produced by the CHP unit. Calculations show that the agitators consumed 51% (in 2010) and 46% (in 2011) of the total electric energy demand. The results stress the need for further research in the fields of substrate homogenization in biogas plants in order to reduce the demand for electric energy. Based on the results of electric energy consumption, follow-up studies have been conducted on nutrient distribution, which depends on agitator type and agitator regime. The investigation showed that significant differences in local concentrations of organic acids, which are not correlated to DM content, are found in dependence on agitator type and agitation regime. Measurements on electric energy consumption of the different agitator types verified that, depending on the agitator type, the saving potential rises up to 70%. The results for emissions and efficiency of the CHP unit confirm the fact that after readjustment of the air-fuel ratio (Lambda value), the emission values for NOx decline while CO increases. However, the emission-optimized operation mode leads to lower engine efficiency. The permanent measurements proved their legitimacy showing various emission deviations from the limiting values prior and post maintenance. In addition, the results show that by monitoring the lubricating oil quality, the oil change intervals can be maximized, while ensuring that engine performance is not endangered. This allows the operator to reduce maintenance expenditures while minimizing wear. To increase engine efficiency, the reduction of the lambda value combined with exhaust gas scrubbing and exhaust gas power generation is a promising approach. However, that would presuppose a permanent and almost total removal of H2S from the biogas. The fourth part of the study examined the technical and economic feasibility of a Fixed Bed Trickling Bioreactor (FBTB) for external biological desulfurization of biogas. In contrast to well-established biological methods to oxidize H2S, the FBTB allows removal of these from the biogas process, thus ensuring a constant low H2S concentration in the biogas. The FBTB showed H2S removal efficiencies (RE) of 98% at temperatures between 30-40°C. A major decline in RE in a range of 21-45% was observed when temperature in the FBTB dropped to a range of 5-25°C. The results revealed that different pH values of the percolation fluid and air ratios have little effect on RE. The practical use of the investigated FBTB system is an interesting technological alternative as disadvantages of internal biological desulfurization methods are being avoided. Due to high expenditures for operation resources and maintenance for FBTB operation during the research, a technical optimization is necessary to ensure economical operation. The results presented in this thesis show that the scientific instrument ?research biogas plant? is the ideal supplement to methods such as laboratory scale research and measuring programs. Research at full scale offers an entirely new opportunity to determine the interaction of process technique and process biology and to conduct long-term studies of gas utilization. Compared to measuring programs at commercial biogas plants, the research biogas plant has the advantage of being significantly better equipped with measurement technologies and that economic success is not the overall goal.

Abstract (German)

Der Fokus dieser Untersuchungen lag auf der verfahrenstechnischen Konversion der Biomasse und der Nutzung der durch Fermentation gebildeten biogenen Gase. Die Teilziele der Untersuchung gliederten sich wie folgt: (1) Durchführung von Langzeitmessungen zur elektrischen Hilfsenergieaufnahme der Biogasanlage und seiner einzelnen Verbrauchskomponenten sowie die Identifizierung von Einsparmöglichkeiten; (2) Entwicklung einer Messmethode zur Bestimmung der Durchmischungsqualität im Fermenter unter Einfluss verschiedener Rührwerke durch die Erfassung der Nährstoffverteilung; (3) Messung des Einflusses der Wartungsintervalle auf Effizienz und Emissionen des Blockheizkraftwerkes im praktischen Langzeitbetrieb; (4) Untersuchungen zum Wirkungsgrad einer externen biologischen Entschwefelungsanlage im Praxisbetrieb zur Steigerung der Brennstoffqualität des Biogases. Die Ergebnisse einer zweijährigen Untersuchungsreihe zur elektrischen Hilfsenergieaufnahme zeigen, dass 8,5% (2010), bzw. 8,7% (2011) der vom BHKW produzierten elektrischen Energie zum Betrieb der Biogasanlage aufgewendet werden mussten. Den höchsten Verbrauch wiesen dabei die Rührwerke mit 4,3% (2010), bzw. 4,0% (2011) und das Blockheizkraftwerk mit 2,5% (2010 und 2011) bezogen auf die produzierte elektrische Energie auf. Somit lag der Energiebedarf der Rührwerke bei 51% (2010), bzw. 46% (2011) der gesamten zur Biogaserzeugung und Nutzung benötigten elektrischen Energie. Diese Ergebnisse verdeutlichen die Notwendigkeit der Forschung im Bereich der Substrathomogenisierung in Fermentern an Biogasanlagen zur Reduktion des Eigenstrombedarfs. Auf der Basis der Untersuchungen zum Eigenenergiebedarf wurden Studien zur Nährstoffverteilung in Abhängigkeit des Rührregimes und der Rührwerksart im Fermenter durchgeführt. Im Rahmen dieser Untersuchungen konnte eine signifikant unterschiedliche und von der Trockenmasse unabhängige Verteilung von organischen Säuren in Abhängigkeit von Rührwerkstyp und ?kombination nachgewiesen werden. Durch Messungen des elektrischen Hilfsenergieaufwandes konnte in Abhängigkeit des Rührwerkstyps ein Einsparpotenzial von bis zu 70% ermittelt werden. Die Ergebnisse zu Emissionen und Effizienz des Blockheizkraftwerkes bestätigten, dass durch eine Korrektur des Luft-Kraftstoff Verhältnisses (Lambda-Wert) die NOx Emissionen reduziert werden, während die CO Emissionen zunehmen. Der emissionsoptimierte Betrieb führte jedoch zu einem geringeren elektrischen Wirkungsgrad. Die Bedeutung der dauerhaften Emissionsüberwachung wird durch zahlreiche Überschreitungen der Emissionsgrenzwerte auch zwischen den Wartungen bestätigt. Durch die Überwachung der Schmierölqualität können die Abstände zwischen den Ölwechselintervallen verlängert werden, ohne dabei die Leistung des Motors zu beeinträchtigen, was sich in geringeren Wartungskosten und Verschleiß niederschlägt. Um den Wirkungsgrad des Motors zu erhöhen, ist eine Reduzierung des Lambdawertes in Kombination mit einer Abgasaufbereitung und einer Abgasnachverstromung ein vielversprechender Ansatz. Eine nahezu vollständige Entfernung des Schwefelwasserstoffs aus dem Biogas ist hierzu jedoch zwingend notwendig. Im vierten Teil dieser Arbeit wurde die technische und ökonomische Eignung eines Fixed-Bed-Trickling-Bioreactors (FBTB) zur externen biologischen Entfernung des Schwefelwasserstoffs aus Biogas untersucht. Im Gegensatz zur etablierten biologischen Schwefelwasserstoffoxidation innerhalb des Fermenters bietet der FBTB die Möglichkeit, den Schwefel aus dem Biogasprozess auszuschleusen, so dass dauerhaft niedrige H2S-Konzentrationen im Biogas erreicht werden können. Im Rahmen der Untersuchungen konnten Entschwefelungsleistungen des FBTB von bis zu 98% bei Temperaturen zwischen 30-40°C erreicht werden. Ein spürbarer Rückgang der Entschwefelungsleistung auf 21-45% wurde bei einem Abfall der Temperatur im Reaktor auf 5-25°C beobachtet. Ein Einfluss des pH-Wertes der Perkolationsflüssigkeit und des Sauerstoffüberschusses konnte nicht nachgewiesen werden. Die Verwendung des untersuchten externen biologischen Entschwefelungsverfahrens ist damit technisch eine interessante Alternative, da die Probleme interner Verfahren umgangen werden. Die Untersuchungen zur vorliegenden Arbeit zeigten, dass das wissenschaftliche Instrument ?Forschungsbiogasanlage? eine ideale Ergänzung zu Laboruntersuchungen und Messprogrammen darstellt. Insbesondere zur Determination von Interaktionen zwischen Verfahrenstechnik und Prozessbiologie, sowie zu Langzeituntersuchungen zur Gasnutzung eröffnet der Full-scale-Maßstab der Forschungsbiogasanlage vollkommen neue Möglichkeiten. Im Vergleich zu Messprogrammen an kommerziellen Biogasanlagen wirken sich dabei die wesentlich bessere messtechnische Ausstattung sowie die geringeren wirtschaftlichen Zielsetzungen des Anlagenbetriebes vorteilhaft aus.