Producció d Energia en el Tractament i la valorització de fangs

Transcripción

1 Producció d Energia en el Tractament i la valorització de fangs Estat de situació i exploració de noves possibilitats Marc Moliner Maria Martin IV JORNADES TÈCNIQUES Gestió de sistemes de sanejament d aigües residuals Barcelona, 1 d Abril de 2009

2 Decantador Primari Reactor Biològic Potencial químic del fang Decantador Secundari Aigua Residual 1 3 Abocament / tractament terciari Espessiment Fangs Cogeneració torxa Emmagatzematge Biogas 6 Digestor Anaerobi Deshidratació de fangs Corrent Q (m 3 /d) (pes) E (KJ/d) 2,26x10 8 1,50x10 8 7,59x10 7 3,17x10 7 8,58x10 7 5,65x % Humitat 15% Imatges: germany.com Dades: Shizas J.I. and Bagley D. (2004) Experimental determination of energy content of unknown organics in municipal wastewater streams. Journal of Energy Engineering ASCE 130 (2), 45-53

3 Com aprofitar el contingut energètic del fang? PRETRACTAMENT BIOQUÍMIC TERMOQUÍMIC QUÍMIC Fermentació Digestió Incineració Gasificació Piròlisi Esterificació Biogàs TECNOLOGIA Calor Electricitat Combustibles Biogas Upgrading to vehicle fuel standards and grid injection. IEA Bionergy 2006

4 [BIOQUIMIC] DIGESTIÓ ANAERÒBIA Component PILES COMBUSTIBLE Biogàs CH % CO % N 2 0 1% SH 2 0 3% Siloxans mg/m 3 Biogas Upgrading to vehicle fuel standards and grid injection. IEA Bionergy 2006

5 Com aprofitar el contingut energètic del fang? PRETRACTAMENT BIOQUÍMIC TERMOQUÍMIC QUÍMIC Fermentació Digestió Incineració Gasificació Piròlisi Esterificació Etanol Biogàs TECNOLOGIA Calor Electricitat Combustibles H 2

6 Com aprofitar el contingut energètic del fang? BIOQUÍMIC TERMOQUÍMIC QUÍMIC Fermentació Digestió Incineració Gasificació Piròlisi Esterificació Etanol Biogàs Vapor Calor Electricitat Combustibles H 2

7 [TERMOQUIMIC] Incineració COINCINERACIÓ (FORN CLINQUER) Requereix operar sobre fase sòlida Incorporació de la matèria mineral al clínquer Permet aprofitament tèrmic No cal tractament addicional del gas INCINERACIÓ Operació sobre fase sòlida o semi sòlida Genera cendres posteriorment valoritzables Valorització elèctrica de baix rendiment Cal tractar els gasos de combustió

8 [TERMOQUIMIC] EDAR Hamburg s Köhlbrandhöft WWTP Incineració Utilisation of energy from digester gas and sludge incineration at Hamburg s Köhlbrandhöft WWTP R.D. Thierbach and H. Hanssen. Water Science & Technology Vol 46 No 4 5 pp , 2002

9 [TERMOQUIMIC] EDAR Hamburg s Köhlbrandhöft WWTP Incineració PCI (Kcal/Kg Matèria Fresca) Procés autotèrmic % Matèria Seca Utilisation of energy from digester gas and sludge incineration at Hamburg s Köhlbrandhöft WWTP R.D. Thierbach and H. Hanssen. Water Science & Technology Vol 46 No 4 5 pp , 2002

10 [TERMOQUIMIC] EDAR Hamburg s Köhlbrandhöft WWTP Incineració Utilisation of energy from digester gas and sludge incineration at Hamburg s Köhlbrandhöft WWTP R.D. Thierbach and H. Hanssen. Water Science & Technology Vol 46 No 4 5 pp , 2002

11 [TERMOQUIMIC] EDAR Hamburg s Köhlbrandhöft WWTP Incineració Utilisation of energy from digester gas and sludge incineration at Hamburg s Köhlbrandhöft WWTP R.D. Thierbach and H. Hanssen. Water Science & Technology Vol 46 No 4 5 pp , 2002

12 Com aprofitar el contingut energètic del fang? BIOQUÍMIC TERMOQUÍMIC QUÍMIC Fermentació Digestió Incineració Gasificació Piròlisi Esterificació Etanol Biogàs Vapor Calor Electricitat Combustibles H 2

13 Com aprofitar el contingut energètic del fang? TERMOQUÍMIC Incineració Gasificació Piròlisi m 3 O 2 1,7 m 3 Volum de gas a tractar Concentració O 2 procés > 17/2 C 6 H 10 O CO 2 +H 2 O 5CO + CO 2 + 5H 2 5CO + 5H 2 + C

14 Com aprofitar el contingut energètic del fang? TERMOQUÍMIC Incineració Gasificació Piròlisi m 3 O 2 1,7 m 3 Volum de gas a tractar Concentració O 2 procés

15 Com aprofitar el contingut energètic del fang? TERMOQUÍMIC Incineració Gasificació Piròlisi m 3 O 2 1,7 m 3 Volum de gas a tractar Concentració O 2 procés 4 6 MJ/Nm MJ/Nm MJ/Nm 3 (22 30 MJ/Nm 3 ) Poder calorífic del gas Maduresa tecnologia tractament fangs

16 Com aprofitar el contingut energètic del fang? ASSECATGE BIOQUÍMIC TERMOQUÍMIC QUÍMIC Fermentació Digestió Incineració Gasificació Piròlisi Esterificació Syngas Oli Carbó Biogàs Vapor Calor Electricitat Combustibles H 2

17 [TERMOQUIMIC]

18 [TERMOQUIMIC] Tobu sludge plant (Tokyo) Piròlisi (o Carbonització)

19 [TERMOQUIMIC] Tobu sludge plant (Tokyo) Piròlisi (o Carbonització)

20 [TERMOQUIMIC] The SlurryCarb Process 20 30% ST 100 t ºC Via humida 2 t CO 2 62 t 36 t 50% ST 98 t 18 t 15 MJ/Kg

21 [TERMOQUIMIC] The SlurryCarb Process Via humida

22 Costos sistemes aprofitament energètic State of the art Report: Energy and Resource Recovery from sludge 2008 STOWA WERF UK WATER IRL

23 Com aprofitar el contingut energètic del fang?

24 Com aprofitar el contingut energètic del fang? ASSECATGE BIOQUÍMIC TERMOQUÍMIC QUÍMIC Fermentació Digestió Incineració Gasificació Piròlisi Esterificació Syngas Oli Carbó Etanol Biogàs Vapor PO 4 3 Ads/cat Biodiesel Calor Electricitat Combustibles H 2

25 [QUIMIC] Biodiesel Activated sludge is the solid or semi solid produced during biological treatment of industrial and municipal wastewaters. It contains a variety of microorganisms, which utilize the organic and inorganic compounds in the water as a source of energy and nutrients. Water treatment facilities in the United States produced approximately 13 billions pounds (dry basis) of sludge annually. This sludge could be a feedstock for biodiesel production. The literature indicates that sewage sludge contains approximately 20% ether soluble grease and fats, which could be converted into fatty acid methyl esters. Other investigators have extracted sludge using toluene and obtained 18% oil yield. Additionally, the cell wall membrane of microorganisms, the main component of sewage sludge, is mostly composed of phospholipids, which can be converted to biodiesel via acid and based catalyzed transesterification. An alternative method was evaluated to convert sewage sludge into biodiesel. The sludge was converted to free fatty acid via acid hydrolysis. Then, the free fatty acids were extracted with hexane and converted to biodiesel via acid catalyzed transesterification. Gravimetric yields ranged from 1.5% to 15% and analytical yields from 1% to 14%. This paper will describe the potential quantities, quality, and economics of biodiesel generated from sewage sludge. Additionally, the paper will show the effect of several sludge pretreatment techniques and water treatment facility operating conditions on the quality and quantity of biodiesel. The quality of biodiesel was measured using ASTM D 6751 standard methods. 0,82 /L

26 Com aprofitar el contingut energètic del fang? ASSECATGE Cultius Acumuladors lípids BIOQUÍMIC TERMOQUÍMIC QUÍMIC Fermentació Digestió Incineració Gasificació Piròlisi Esterificació Syngas Oli Carbó Etanol Biogàs Vapor PO 4 3 Biodiesel Calor Electricitat Combustibles H 2

27 [PROGRAMA DE FANGS] Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d aigües residuals. Energia i sanejament GESTIÓ DE FANGS A CATALUNYA (SITUACIÓ ACTUAL) Destins a sortida d'edar 2008 (t/any) Producció: t MF/any Agricultura Compostatge Gris Assecatge Tèrmic Pedreres Estabilització Abocador Compostatge ACA Compostatge Extern Destins finals 2008 (t/any) Aplicació al sòl Abocador Pedreres Valorització energètica Altres 27/43

28 Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d aigües residuals. Energia i sanejament GESTIÓ DE FANGS A CATALUNYA Valorització energètica (Antecedents) 1997 Prova pilot utilització de llots secs a cimentera 2002 Estudi de la Gasificació i Vitrificació d'el Prat del Llobregat 2004 Projecte VELL: Estudi de valorització energètica de llots secs en plantes tèrmiques 2006 Conveni de proves d'utilització de llots secs en cimenteres 2007 Avant-projecte planta de gasificació de fangs Valorització energètica (Propostes) [PROGRAMA DE FANGS] Gasificació per plasma (Acciona/Solena) Vitrificació de fangs (UB) Conversió a Biodiesel (ASG International GmbH) Gasificació (Kalogeo) Gasificació (AGNI) Gasificació (Kopf) 28/43

29 Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d aigües residuals. Energia i sanejament GESTIÓ DE FANGS A CATALUNYA PROGRAMA DE FANGS [PROGRAMA DE FANGS] ACTUACIONS Gestionar el curt termini R+D+i Avaluació de noves vies de gestió 29/43

30 Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d aigües residuals. Energia i sanejament GESTIÓ DE FANGS A CATALUNYA PROGRAMA DE FANGS [PROGRAMA DE FANGS] ACTUACIONS Gestionar el curt termini La gestió del fang està sotmesa a diversitat de factors que la condicionen: legals, logístics, socials, ambientals, econòmics, energètics,... El Programa de fangs té per objectiu dotar al sistema de major capacitat per a fer front de forma satisfactòria als factors que condicionen la gestió 30/43

31 Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d aigües residuals. Energia i sanejament GESTIÓ DE FANGS A CATALUNYA FACTORS LEGALS (2008/98/CE) [PROGRAMA DE FANGS] Jerarquia de gestió de residus (Article 4): 1. Prevenció 2. Preparació per a la reutilització 3. Reciclatge 4. Altres valoritzacions (p.ex. Energètica, Annex 2) 5. Eliminació (p.ex. Incineració) Principi de proximitat en la gestió de residus (Article 16) 31/43

32 [PROGRAMA DE FANGS] Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d aigües residuals. Energia i sanejament GESTIÓ DE FANGS A CATALUNYA (SITUACIÓ ACTUAL) Distribució de la producció (sense Besòs ni El Prat) Connurbació de Barcelona: 68% 32/43

33 Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d aigües residuals. Energia i sanejament PROGRAMA DE FANGS (CRITERIS) Criteris de planificació ACA: Diversificar la gestió per a disposar d alternatives d en cas d evolució dels factors que la condicionen Aplicar els criteris de proximitat i autosuficiència en la gestió Aplicar la jerarquia de gestió de residus: 1. Reducció, 2. Valorització 3. Disposició Reducció de l impacte l de la gestió [PROGRAMA DE FANGS] 33/43

34 Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d aigües residuals. Energia i sanejament PROGRAMA DE FANGS (ACCIONS) Accions del Programa de Fangs: 1. Implantació de noves digestions anaeròbies en EDAR 2. Minimització del destí a abocador 3. Implantació de nous compostatges 4. Ampliació assecatges tèrmicst 5. Valorització energètica del fang sec 6. Continuïtat tat en l aplicacil aplicació a l agricultural de fang deshidratat 7. Continuïtat tat en la utilització de la capacitat de compostatge privada 8. Recerca en millora i noves vies de gestió [PROGRAMA DE FANGS] 34/43

35 Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d aigües residuals. Energia i sanejament RESUM INVERSIÓ PROGRAMA DE FANGS Actuacions del Programa de Fangs: Digestions anaeròbies 20 actuacions noves Inversió total: 29,69 M M (22,34 M M en el PSARU) Nova inversió: : 7,35 M M Compostatges 5 actuacions noves i 2 ampliacions Inversió total: 29,28 M M (20,55 M M en el PSARU) Nova inversió: : 8,73 M M Assecatges tèrmicst 4 ampliacions Nova inversió: : 20,00 M M Recerca: : 1,80 M M [PROGRAMA DE FANGS] Inversió Total: : 78,97 M M (42,89 M M PSARU) Nova inversió: : 37,89 M M (inclou dotació per Recerca) 35/43

36 [PROGRAMA DE FANGS] Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d aigües residuals. Energia i sanejament RESULTATS APLICACIÓ PROGRAMA DE FANGS Posttractament del del Fang Fang t MF/any t MF/any t MF t MF t MF t MF Capacitat Capacitat Excedent Excedent Assecatge Assecatge Tèrmic Tèrmic Compostatge Compostatge gris gris Compostatge Compostatge privat privat Compostatge Compostatge ACA ACA Sense Sense posttractament posttractament abocador abocador Sense Sense posttractament posttractament pedreres pedreres Sense Sense posttractament posttractament agricultura agricultura 36/43

37 Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d aigües residuals. Energia i sanejament RESULTATS APLICACIÓ PROGRAMA DE FANGS Posttractaments Fi Programa Assecatge Tèrmic Compostatge ACA Compostatge Extern Sense Posttractament 19% [PROGRAMA DE FANGS] 12% 52% 17% Fang Barcelona 33% del total (62% de l assecat) l Destins Fi Fi Programa Aplicació al al sòl sòl i i jardineria Dipòsit controlat Aplicació al al sòl sòl sense posttractament Valorització energètica 30,03% 32,47% 37,50% 37/43

38 Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d aigües residuals. Energia i sanejament RESULTATS APLICACIÓ PROGRAMA DE FANGS Destinacions Finals [PROGRAMA DE FANGS] t fang/any Fi de Programa Valorització energètica Dipòsit controlat Aplicació al sòl sense posttractament Aplicació al sòl i jardineria Reducció de la quantitat final Diversificació de destins 38/43

39 [PROGRAMA DE FANGS] Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d aigües residuals. Energia i sanejament ACTUACIONS D OPTIMITZACIÓ ENERGÈTICA Valorització energètica del biogàs s generat en digestió anaeròbia Aplicar els criteris de proximitat en la gestió Cogeneracions com a font de calor per assecar Reducció del consum energètic i emissions de CO 2 en assecatges tèrmicst Valorització energètica fang sec Optimització deshidratació mecànica 39/43

40 Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d aigües residuals. Energia i sanejament VALORITZACIÓ ENERGÈTICA FANG SEC EN CIMENTERES Diversificació de destins (capacitat disponible, 45%/1 planta) Aplicar els criteris de proximitat en la gestió Aplicar la jerarquia de gestió de residus: 1. Valorització energètica (recuperació de la calor d assecat) 2. Valorització material (fracció mineral) Reducció de l impacte l de la gestió (reducció emissions CO 2 ) Baixos costs d inversió i d explotacid explotació [PROGRAMA DE FANGS] 40/43

41 Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d aigües residuals. Energia i sanejament GESTIÓ DE FANGS A CATALUNYA PROGRAMA DE FANGS [PROGRAMA DE FANGS] ACTUACIONS Gestionar el curt termini R+D+i Avaluació de noves vies de gestió Necessitat de validació a escala industrial 41/43

42 Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d aigües residuals. Energia i sanejament GESTIÓ DE FANGS A CATALUNYA (CONSIDERACIONS) Valorització material/agrícola: estalvi energètic/econ tic/econòmic Contingut d aigua d en el fang limita l aprofitament l energètic tic l assecat previ del fang amb mitjans mecànics o calor procedent de fonts renovables [PROGRAMA DE FANGS] L increment de l exigl exigència en els criteris de gestió del fang (per motivacions legals i/o socials) Increment del consum energètic dels tractaments i dels costs associats a la gestió 42/43

43 Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d aigües residuals. Energia i sanejament GESTIÓ DE FANGS A CATALUNYA (CONSIDERACIONS) [PROGRAMA DE FANGS] A nivell estratègic valorar la possibilitat de disposar capacitat pròpia pia per a la valorització energètica del fang, sense assecatge tèrmic t previ amb els següents ents objectius: 1) Diversificar les vies de gestió 2) Independitzar-se de l evolucil evolució dels mercats energètics 3) Autonomia de gestió final 43/43

44 Producció d Energia en el Tractament i la valorització de fangs Estat de situació i exploració de noves possibilitats Marc Moliner Maria Martin IV JORNADES TÈCNIQUES Gestió de sistemes de sanejament d aigües residuals Barcelona, 1 d Abril de 2009