Heat energy usage optimization in fertilizer producing biogas plants

Abstract

Biogas is formed from the organic content of biomass by a set of microbiological processes. It is composed primarily from methane and carbon-dioxide. Cleaned and upgraded biogas can be used to replace non-renewable energy sources, for example natural gas or transport fuels. Digestate is the non-gassed matter from the biomass. Digestate contains valuable substances, for example nutrients. The most sustainable utilization method of digestate is as fertilizer. Biogas and fertilizer production contain multiple thermal processes. The thermal processes increase heat demand, but also the production rate and value of the products.

This thesis observes the heat flows and heat demand of the fertilizer producing biogas plant project draft. Additionally, multiple different heat supply technologies are introduced. The heat flows and demand are calculated based on the project draft values. From the received results the waste heat flows are observed, and possibilities for heat usage optimization are considered. Based on the heat demand, the most suitable heat supply technology is considered. Additionally, the minimal requirements for residual heat flow from other industries were identified.

It was observed that the project draft contained one remarkable waste heat flow. Other observation was the possible need for reactor cooling, as the energy balance of the reactor could go positive with warm outside temperatures. The design of the process has high impact to the heat demand, and multiple heat supply technologies exist. The process design and heat supply technology selection should be tailored initially based on the target location.

Biokaasu muodostuu biomassan orgaanisesta aineksesta mikrobiologisten prosessien seurauksena. Se koostuu pääosin metaanista ja hiilidioksidista. Puhdistettua ja jalostettua biokaasua voidaan käyttää korvaamaan uusiutumattomia energialähteitä, esimerkiksi maakaasun korvikkeena tai liikennepolttoaineena. Mädätysjäännös tarkoittaa kaasuuntumatonta ainesta biokaasun tuotannossa, joka sisältää arvokkaita aineita kuten esimerkiksi ravinteita. Ympäristöllisesti kestävin vaihtoehto on tuottaa mädätysjäännöksestä lannoitteita. Biokaasu- ja lannoitetuotanto sisältää termisiä prosesseja, jotka kasvattavat laitoksen lämmöntarvetta, mutta myös tuotantoastetta sekä lopputuotteiden arvoa.

Tämä työ tarkastelee lannoitteita tuottavan biokaasulaitoksen lämpövirtoja ja lämmön tarvetta. Lisäksi työ esittelee laitokselle soveltuvia lämmöntuotantomenetelmiä. Lämpövirrat sekä lämmön tarve ovat laskettu projektiluonnoksen pohjalta. Saatujen tuloksien pohjalta tarkastellaan prosessin sisältämiä hukkalämpövirtoja, sekä arvioidaan mahdollisuuksia lämmön käytön optimoinnista. Saadulle lämmöntarpeelle arvioidaan paras lämmöntuotantomenetelmä. Lisäksi työssä määritetään vähimmäisvaatimukset hyödynnettävälle muun teollisuuden hukkalämpövirralle.

Työn aikana projektiluonnoksesta havaittiin yksi merkittävä hukkalämpövirta. Lisäksi havaittiin mahdollinen reaktorien jäähdytystarve, sillä reaktoreiden lämpötase saattaa olla positiivinen ulkolämpötilojen lämmetessä. Laitoksen teknisillä valinnoilla on suuri vaikutus lämpötaseeseen, ja sopiviksi lämmontuotantomenetelmiksi on useita vaihtoehtoja. Optimaalisimmat tekniset valinnat ja käytettävä lämmöntuotantomenetelmä ovat tapauskohtaisia.