生物质转化方案

Axel Schulz Biogasaufarbeitung 1 BIO-CHEMICAL CONVERSION Alcoholic Fermen- tation Com- posting Anaerob. Fermen- tation Realisation of political targets: Biomass Conversion Options 政治目标的实现：生物质转化 生物质能量源 产能作物 副产品&剩余垃圾 有机废物 收割/收集/供应 预处理 运输 存储 热化学转化 物理化学 生物化学转化 碳化 气化 高温分解 压缩/提纯 酯化反应 酒精发酵 厌氧发酵 堆肥 液体燃料 气体燃料固体燃料 燃烧 电 热 Axel Schulz Biogasaufarbeitung 2 Utilisation chain of a biogas plant Is upgradation an alternative ? 生物气工厂的利用链 输送是否可以作为可选项？ 燃料 天然气输电网 Upgrading Natural gas grid Electricity and Heat productionHeat Elec- tricity Fuel 电 电 和热 Waste / Production of Substrates Biogas- production Storage Transport Residue transport Storage Fertilization 运输 生物气生产 残余物运输 储存 堆肥 废物 / 物质的生产 存储 电和热的生产 Electricity and heat production Heat Elec- tricity 电 热 压缩 Axel Schulz Biogasaufarbeitung 3 Biogas ist auf verschiedene Weise nutzbar. Aufbereitung als Alternative � Effizienz durch höhere Wärmenutzung 预处理 生物气的使用不一。 可选方法之一�高效率热的利用 Biogaserzeugung Gasaufbereitung BHKW Strom Wärme Kraftstoff Gastransport Biogas Gasverwertung Gasnetz Reinigung Wie erfolgt die Nutzung von Biogas ? 如何更好的使用生物气 生物气生产 生物气预处理 生物气运输 生物气使用 生物气 清洁 生物气网 燃料 电 热 中央供暖站 Axel Schulz Biogasaufarbeitung 4 Pathways for biogas treatment 生物气处理途径 Source: P. Weiland; FAL Braunschweig, 2001 weak cleaning Boiler Heat biogas conditioning Fuel Cell reformation Heat Power pressure storage compression Fuel / NG Grid Heat Power CHP BIOGAS 生物气 软清洗 生物气基本条件 转化 压缩 煮沸 加热 热 电 热 电 燃料 电池 电和热 压缩储存 燃料/输电网 Axel Schulz Biogasaufarbeitung 5 Zusammensetzung Biogas 气体组成 -SpurenSiloxane 硅氧烷 < 2 %-Propan 丙烷 < 3 %-Ethan 乙烷 -SpurenAmmoniak 氨水 -bis 4000 ppm Schwefel- wasserstoffH2S -SpurenWasserstoff H2 -< 2 %Sauerstoff O2 1 %< 3 %Stickstoff N2 1 %25-40 %Kohlendioxid CO2 93-98 %50-70 %Methan CH4 Erdgas天然气Biogas生物气Substanz 物质 Biogas weist einen geringeren Energiegehalt Und verschiedene Begleitstoffe auf. 生物气显现出能量不足 并且含有不同的 其他混合物 Axel Schulz Biogasaufarbeitung 6 Substance物质Biogas生物气WWTP gas 污水处理厂气体Natural gas 天然气 Methane CH4 50-70 % 60-70 % 93-98 % C.DioxideCO2 25-40 % 30-40 % 1 % Nitrogen 氮 < 3 % 4 % 1 % Oxygen O2 < 2 % 1 % - Hydrogen H2 Traces 微量 Traces微量 - H2S Up to 4000 ppm Up to 1000 ppm - Ammonia氨 Traces Traces - Ethane乙烷 - - < 3 % Propane 丙烷 - - < 2 % Siloxane 硅氧烷Traces < 6mg/m³ - Axel Schulz Biogasaufarbeitung 7 Restrictions for feed in 供应的限制 Uhrzeit St黱dl. Menge in TSD kWh 1994 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 1 2 3 4 5 6 0 2 4 6 8 10 -12 C 0 C +10 Co o o Axel Schulz Biogasaufarbeitung 8 Biogasaufbereitungsanlagen in Europa 欧洲生物气预处理工厂 Deutschland: 德国 ��������������������� Schweden: 瑞典 ����������������������������������� Schweiz: 瑞士 ���������� Österreich: 奥地利 ��� Frankreich: 法国 ��� Niederlande: 尼德兰���� Norwegen: 挪威 � Island: 爱尔兰 � Spanien: 西班牙 �� Axel Schulz Biogasaufarbeitung 9 Stand der Biogasaufbereitung 生物气预处理现状 � Biogasaufbereitung ist Stand der Technik 生物气预处理是技术的立足点 � Verschiedene Aufbereitungstechnologien sind am Markt verfügbar: 现存在不同种类的预处理技术： � nasse Absorption (Druckwasserwäsche = DWW) und Druckwechseladsorption (Pressure Swing Adsorption = PSA) 湿法吸收（压力水水洗法DWW）变压吸收法（PSA） � chemische Absorption (Aminwäsche, z.B. MEA, DEA), Membranverfahren, kryogene Trennung 化学吸收法（胺洗法，例如 MEA, DEA ）膜处理法，冷凝分离法 � Im europäischen Ausland bestehen sehr gute langjährige Erfahrungen: Einsatz als Fahrzeugtreibstoff + Erdgassubstitut 长年以来在欧洲一直是很好的技术经验：作为运输燃料和天然气替代品使用 � Die Vorgaben der DVGW-Richtlinien sind zu berücksichtigen (Gasqualität, Druck, Volumenstrom, Qualitätsgewährleistung) DVGW法规中的指导方针是要注意确保气体质量，压力，体积流和质量保证 � Einspeiseprojekte in D: Betrieb durch Gasversorger/ Kooperation (Anlagegröße zw. 1-20 MWel; Durchschnitt: 1,5-3 MWel.) 在德国输送工程：由燃气公司运行/合作（工厂大小在1-20 MWel，平均1,5-3 MWel） � Der rechtliche Rahmen wurde durch neue Regulierungen deutlich verbessert (EEG, GasNZV) und bietet starke Anreize für einen weiteren Ausbau 法律框架是通过不断更新，制定清晰的法规而实现的（新能源法，气体入网法）以及为日后提供 强有力拆除计划 Axel Schulz Biogasaufarbeitung 10 Gas quality demand 气体质量要求 • Quality demand: DVGW-directives are basis 质量要求：DVGW 是基础的指令 • Regularly: feed in at the same quality as existing in the grid 通常：输入和现有一样质量的气体 • Exception: feed in at lower quality depending on natural gas flow 除此以外：根据天然气质量可输入较低质量的气体 • Main parameters: Heating value, relative density, wobbe index, methane number 主要参数：热值， 相对密度， 沃布指数， 甲烷量 • Gas components: oxygen, sulphur compounds, hydrocarbons, vaporized water, siloxane 气体组成： 氧气，含硫化合物， 碳氢化合物， 水蒸气， 硅氧烷 • Odorisation 有味气体的产生 • Pressure adaption 适合的压力 • Methane losses during upgradation 在输送过程中的甲烷损耗 • Generally: demands can be fulfilled by available technologies 一般：可根据现有技术实现所需要求 Axel Schulz Biogasaufarbeitung 11 Aufbereitungstechnologien 预处理技术预处理技术预处理技术预处理技术 Axel Schulz Biogasaufarbeitung 12 密封 Fermenter VerdichtungBiologischer W鋝cher H2S-Entfernung Konditionierung Reingas P S A 1 P S A 2 P S A 3 P S A 4 Abgas Kondensat VakuumpumpeLuft Schwefel Ab- wasser Z n OBioreaktor Schwefel- trenner A K 发酵罐 生物反应器 H2S去除塔 空气 真空泵 冷凝 净气体 废水 硫 调整 废气 Axel Schulz Biogasaufarbeitung 13 Axel Schulz Biogasaufarbeitung 14 净气体 干燥 吸收 除硫 生物过滤 发酵罐 鼓风机 含CO2的气体 Axel Schulz Biogasaufarbeitung 15 Axel Schulz Biogasaufarbeitung 16 Example – Könnern 举例-Könnern Energy crops gas 1000 Nm³/h 能源作物气体 1000 Nm³/h Raw gas (500 Nm³/h biomethane) 原料气体（500 Nm³/h 生物甲烷气体） Water scrubber 水洗 Operation since 2007 自2007年开始运行 Feed in into natural gas (russian quality) with LPG mix at 16 bar pressure 进气为16 bar压力条件下 LPG混合的天然气（俄罗斯 质量） Axel Schulz Biogasaufarbeitung 17 Example - Könnern 举例举例举例举例- Könnern Energy crops gas 能源作物气体 1000 Nm³/h Raw gas (500 Nm³/h biomethane) 原料气体 （ 500 Nm³/h 生物甲烷气体） Water scrubber 水洗 Operation since 2007 自2007年开始运行 Feed in into natural gas (russian quality) with LPG mix at 16 bar pressure 进气为16 bar压力条件下 LPG混合的天然气（俄罗斯 质量） Axel Schulz Biogasaufarbeitung 18 • chemische Absorption (Aminwäsche) 化学吸收（胺处理） – Waschkolonne im Gegenstromprinzip 逆向洗涤装置 – Waschlösung (Wasser und MEA/ DEA etc.) 洗涤液（水和MEA/ DEA 等） – CO2 u.a. löst sich in der Waschlösung, CH4 in Gasphase CO2和其他物质溶解在洗涤液中，CH4存在于气相中 – drucklos, hohe Methanreinheit, geringer Methanverlust 低压，高纯度甲烷，甲烷损耗少 – jedoch hoher Wärmebedarf für Regeneration Waschlösung 然而，洗涤液再生需要较高的热量 Axel Schulz Biogasaufarbeitung 19 Axel Schulz Biogasaufarbeitung 20 Weitere Aufbereitungstechniken 其他预处理技术 chemische Absorption (z.B. Aminwäsche / Selexolwäsche) • Waschkolonne im Gegenstromprinzip • Waschlösung (Wasser und MEA/ DEA etc.) • CO2 u.a. löst sich in der Waschlösung, CH4 in Gasphase • drucklos, hohe Methanreinheit, geringer Methanverlust • jedoch hoher Wärmebedarf für Regeneration Waschlösung Membranverfahren 膜工艺 • Trennung: unterschiedlich schnelle Diffusion verschieden großer Gasmoleküle durch die Membran 分离：不同大小的分子透过膜的速率不同 • kleines Methanmolekül schneller als CO2 oder H2S 小分子甲烷比CO2和H2S的透过速率快 • Art der Membran, Strömungsgeschwindigkeit, Anzahl Trennstufen … 膜类型，流速和分离层数目 Axel Schulz Biogasaufarbeitung 21 Weitere Aufbereitungstechniken 其他处理技术 chemische Absorption (z.B. Aminwäsche / Selexolwäsche) • Waschkolonne im Gegenstromprinzip • Waschlösung (Wasser und MEA/ DEA etc.) • CO2 u.a. löst sich in der Waschlösung, CH4 in Gasphase • drucklos, hohe Methanreinheit, geringer Methanverlust • jedoch hoher Wärmebedarf für Regeneration Waschlösung Membranverfahren • Trennung: unterschiedlich schnelle Diffusion verschieden großer Gasmoleküle durch die Membran • kleines Methanmolekül schneller als CO2 oder H2S • Art der Membran, Strömungsgeschwindigkeit, Anzahl Trennstufen … Kryogene Trennung 低温分离 • bei tiefen Temperaturen: unterschiedlicher Aggregatzustand bzw. Kondensationstemp. der Biogaskomponenten 在低温下，不同凝聚态特别是生物气组成凝聚的温度 • CO2 in fester Form (Trockeneis), CH4 in Gasphase CO2以固态形式存在（干冰），CH4是气态 Axel Schulz Biogasaufarbeitung 22 Entwicklungsanforderungen an Biogasaufbereitungstechnologien 生物气预处理技术的发展要求 • Reduzierter Methanschlupf 降低甲烷损耗 • Reduzierter Energiebedarf für die Aufbereitung 降低甲烷预处理能源损耗 • Hohe Produktreinheit bei Reduzierung der Aufbereitungsschritte 减少预处理步骤的同时提高产物纯度 • Flexibilität im Lastgang / Lastwechsel müssen toleriert werden 气体输入/气体波动转化必须具有灵活的承受能力 • Reduzierte Aufbereitungskosten 降低预处理费用 • Ökonomisch realisierbare Anlagen im Leistungsbereich < 250 m³ Rohgas pro Stunde 生产效率在每小时250 m3原料生物气以内的经济可行性生产 Axel Schulz Biogasaufarbeitung 23 Production costs of Biomethane 生物甲烷气产生费用 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 50 Nm³/h 90% Excrements 10% energy crops 250 Nm³/h 90% Excrements 10% energy crops 500 Nm³/h 90% Excrements 10% energy crops 50 Nm³/h 10% Excrements 90% energy crops 250 Nm³/h 10% Excrements 90% energy crops 500 Nm³/h 10% Excrements 90% energy crops P r o d u c t i o n c o s t s o f u p g r a d e d g a s i n c t / k W h Substrates Biogas production Upgrading Feed in and gas transport底物基质 生物气产生 浓缩 进料和天然气运输 Axel Schulz Biogasaufarbeitung 24 • Spezielle Frage im Zusammenhang mit der Gasaufbereitung 气体预处理中的特殊问题气体预处理中的特殊问题气体预处理中的特殊问题气体预处理中的特殊问题 Axel Schulz Biogasaufarbeitung 25 Ist die Biogaseinspeisung eine ökologisch vertretbare Alternative? 生物气输送从生态角度来讲可选吗？ �Auf allen Nutzungspfaden ist die Biogaseinspeisung ökologisch vorteilhaft gegenüber den fossilen Optionen. 从各种使用角度来考虑从各种使用角度来考虑从各种使用角度来考虑从各种使用角度来考虑，，，，生物气输送比使用化石燃料对环境更有利生物气输送比使用化石燃料对环境更有利生物气输送比使用化石燃料对环境更有利生物气输送比使用化石燃料对环境更有利 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% Wärme: Biogas aus Nawaro vs. Erdgas Strom: Biogas aus Nawaro (KWK, 80 % Wärmenutzung) vs. Deutscher Strommix Treibstoff: Biogas aus Nawaro vs. Erdgas R e d u k t i o n v o n T r e i b h a u s g a s e m i s s i o n e n d u r c h S u b s t i t u t i o n f o s s i l e r E n e r g i e t r ä g e r m i t B i o g a s a u s n a c h w a c h s e n d e n R o h s t o f f e n ( p r o d u k t i o n v o n 2 5 0 m ³ / h R o h g a s ) Axel Schulz Biogasaufarbeitung 26 Ist Biogasaufbereitung und -einspeisung energetisch sinnvoll? - Welche Effizienz ist dezentral möglich? 从能源角度讲生物气预处理和输送是否具意义？外界哪些是可能的？ �Üblicherweise lassen sich dezentral 40 (30) – 65 % der Energie im Biogas nutzen. 一般情况40 (30) – 65 % 的能源用作生物气（处理和输送） 100,0 90,0 10,0 32,4 32,4 3,6 8,1 23,5 32,4 9,7 3,6 8,1 46,2 32,4 3,6 8,1 55,9 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 E n e r g i e a n t e i l i n % Biogas Biogas ex Biogasanlage Energie ex BHKW Energie bei 30 % Abwärmenutzung Energie ohne Wärmenutzung Verlust Eigenbedarf Wärme Eigenbedarf Strom Nutzbar Wärme Nutzbar Strom Axel Schulz Biogasaufarbeitung 27 Ist Biogasaufbereitung und -einspeisung energetisch sinnvoll? - Welche Effizienz ist zentral möglich? 从能源角度讲生物气预处理和输送是否具意义？外界哪些是可能的？ �Zentral ist davon auszugehen, dass Nutzungsgrade zwischen 55 und über 65 % in üblichen Gasnetz-Druckbereichen erreicht werden. 重点在于重点在于重点在于重点在于：：：：在通常输气网压力条件下在通常输气网压力条件下在通常输气网压力条件下在通常输气网压力条件下，，，，利用率达到利用率达到利用率达到利用率达到55-65%。。。。 100,0 95,0 5,0 82,0 4,9 8,1 5,0 30,4 36,1 5,7 8,1 19,6 31,7 32,0 4,7 12,6 19,0 30,4 25,3 5,7 8,1 30,5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 E n e r g i e a n t e i l i n % Biogas ex Biogasanlage ex Gasaufbereitung 100 % Abwärmenutzung, 1 % Methanverlust, 0,25 kWh/m³ Energiebedarf 100 % Abwärmenutzung, 0,1 % Methanverlust, 0,6 kWh/m³ Energiebedarf 70 % Abwärmenutzung Verlust Eigenbedarf Wärme Eigenbedarf Strom Nutzbar Wärme Nutzbar Strom Axel Schulz Biogasaufarbeitung 28 Ist Biogasaufbereitung und -einspeisung energetisch sinnvoll? 生物气预处理和输送从能源角度讲是否有意义？ - Optionen im Vergleich –选项比较 �Wenn dezentral nur ein geringer Wärmebedarf besteht sind gut geplan- te Projekte mit Aufbereitung und Einspeisung oft energetisch vorteilhaft. 如果外部只消耗少部分热量时如果外部只消耗少部分热量时如果外部只消耗少部分热量时如果外部只消耗少部分热量时，，，，从能源角度讲从能源角度讲从能源角度讲从能源角度讲，，，，设计好具有预处理和生物气输送的工程是很有益的设计好具有预处理和生物气输送的工程是很有益的设计好具有预处理和生物气输送的工程是很有益的设计好具有预处理和生物气输送的工程是很有益的。。。。 32,4 32,4 3,6 8,1 23,5 32,4 9,7 3,6 8,1 46,2 32,4 23,3 3,6 8,1 32,6 30,4 36,1 5,7 8,1 19,6 30,4 25,3 5,7 8,1 30,5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 E n e r g i e a n t e i l i n % Dezentral Max Dezentral 30 % Überschusswärmenutzung Dezentral 72% Überschusswärmenutzung Einspeisung Max Energiesparend Einspeisung 70% Abwärmenutzung Verlust Eigenbedarf Wärme Eigenbedarf Strom Nutzbar Wärme Nutzbar Strom Axel Schulz Biogasaufarbeitung 29 Aufbereitungskosten der Aminwäsche in Abhängigkeit vom Wärmeeinkaufspreis 胺洗涤处理费用，取决于供热价格 1,94 2,03 2,13 2,22 2,31 1,46 1,55 1,65 1,74 1,83 1,31 1,40 1,50 1,59 1,68 1,18 1,28 1,37 1,47 1,56 1,84 1,36 1,21 1,09 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00 2,20 2,40 0 1 2 3 4 5 6 Wärmeverkaufspreis ct/kWhth G e s a m t k o s t e n B i o g a s a u f b e r e i t u n g A m i n w ä s c h e c t / k W h 0,5 MWel 1 MWel 1,5 MWel 2 MWel 供热价格 生 物 气 预 处 理 费 用 Axel Schulz Biogasaufarbeitung 30 Aufbereitungskosten Vergleich Aminwäsche und DWW 胺洗涤和压力水水洗法的处理价格比较 0,00 ct/kWh 0,50 ct/kWh 1,00 ct/kWh 1,50 ct/kWh 2,00 ct/kWh 2,50 ct/kWh 0 Nm³/h Rohgas 200 Nm³/h Rohgas 400 Nm³/h Rohgas 600 Nm³/h Rohgas 800 Nm³/h Rohgas 1000 Nm³/h Rohgas 1200 Nm³/h Rohgas Amin OHNE Wärmegutschrift Amin MIT Wärmegutschrift DWW 冷胺洗 热胺洗 DWW Axel Schulz Biogasaufarbeitung 31 Gewinn ohne Erlöse aus Gasverkauf 无气体出售而获得的利润收入 Anlagen- konzept Kosten Biogas- anlage (BGA) Kosten BHKW Kosten Biomethan Kosten Gesamt BGA+BHKW+ Biomethan (gemittelt) Strom- u. W鋜meerl鰏e BHKW (gemittelt) Gewinn (ohne Erl鰏e aus Gasverkauf) [€ct爇WhHi] [€ct爇WhHi] [€ct爇WhHi] [€ct爇WhHi] [€ct爇WhHi] [€ct爇WhHi] Amin 250 2,29 6,23 4,57 -1,66 DWW 250 2,43 6,27 4,40 -1,87 Amin 500 1,80 6,26 3,21 -3,05 DWW 500 1,69 6,20 3,21 -2,99 Amin 750 1,63 6,26 1,51 -4,75 DWW 750 1,47 6,14 1,51 -4,63 Amin 1000 1,50 6,22 0,00 -6,22 DWW 1000 1,36 6,08 0,00 -6,08 Verfahren 4,72 1 1,25 2 1,27 3 1,28 4 0,00 Axel Schulz Biogasaufarbeitung 32 Gewinn mit Erlöse aus Gasverkauf 气体出售获得的利润收入 Anlagen- konzept Aufberei- tungs- verfahren Kosten BGA+BHKW+ Biomethan (gemittelt) Strom- u. W鋜me- erl鰏e BHKW (gemittelt) Erl鰏e aus Gasverkauf (gemittelt) Gewinn (mit Erl鰏e aus Gasverkauf) Erl鰏e aus Gasverkauf (gemittelt) Gewinn (mit Erl鰏e aus Gasverkauf) Erl鰏e aus Gasverkauf (gemittelt) Gewinn (mit Erl鰏e aus Gasverkauf) [€ct爇WhHi] [€ct爇WhHi] [€ct爇WhHi] [€ct爇WhHi] [€ct爇WhHi] [€ct爇WhHi] [€ct爇WhHi] [€ct爇WhHi] Amin 250 6,23 4,57 1,25 -0,41 1,50 -0,16 1,75 0,09 DWW 250 6,27 4,40 1,25 -0,62 1,50 -0,37 1,75 -0,12 Amin 500 6,26 3,21 2,50 -0,55 3,00 -0,05 3,50 0,45 DWW 500 6,20 3,21 2,50 -0,49 3,00 0,01 3,50 0,51 Amin 750 6,26 1,51 3,75 -1,00 4,50 -0,25 5,25 0,50 DWW 750 6,14 1,51 3,75 -0,88 4,50 -0,13 5,25 0,62 Amin 1000 6,22 0,00 5,00 -1,22 6,00 -0,22 7,00 0,78 DWW 1000 6,08 0,00 5,00 -1,08 6,00 -0,08 7,00 0,92 2 3 4 Gasverkaufserl鰏鰏鰏鰏e 5 €ct/kWh 6 €ct/kWh 7 €ct/kWh 1