Groenafval, straatveegsel en dierlijke mest zijn biologische reststoffen met een hoog energetisch potentieel, maar hoe kan dit potentieel worden benut? Welke reststoffen zijn in het Duits-Nederlandse grensgebied beschikbaar en in welke omvang? Hoe kunnen deze reststoffen energiebesparend worden voorbehandeld voor gebruik in pyrolyse? Deze vragen waren het onderwerp van het onderzoek van werkpakket 1 onder leiding van de Fachhochschule Münster.
De projectleiders van Werkpakket 1 waren:
Dr. Elmar Brügging (FH Münster) en
Tobias Weide M. Sc. (FH Münster)
Onderzoeksdoelen en werkwijze (zie figuur 1):
1. Opzetten reststofdatabase in het Duits-Nederlandse grensgebied
2. Opzetten voorbehandelingsconfiguraties voor pyrolyse-experimenten
3. Voorbehandelen en leveren geschikte reststofstromen
4. Vastleggen voorbehandelingsenergie en -kosten
Figuur 1: Procedure voor het aanleggen van databanken en de voorbehandeling van biogene reststoffen
Figuur 2 toont de kringloop van biogene reststoffen tot pyrolyse. In het hier beschreven werkpakket zijn de registratie en karakterisering van de reststoffen en de voorbehandeling ervan onderzocht en weergegeven.
Figuur 2: Kringloopschema van pyrolyse en onderzocht werkgebied
In het Duits-Nederlandse grensgebied heeft een inventarisatie van de biogene reststofstromen plaatsgevonden. Het gebied is weergegeven in figuur 3 en omvat de Kreis Steinfurt, de Kreis Borken en de provincie Overijssel.
Figuur 3: Onderzoeksgebied van substraat in het Duits-Nederlandse grensgebied
© EuroGeographics m.b.t. bestuurlijke grenzen
Biogene reststofstromen zijn bijproducten, reststoffen of afvalstoffen die in verschillende economische- en productiesectoren naast de eigenlijke producten ontstaan, en gerecycled of verwijderd moeten worden. Daarbij zijn onderstaande economische sectoren te onderscheiden:
– reststoffen uit de bosbouw, hout- en papierindustrie
– reststoffen uit de landbouw
– reststoffen uit biotoop- en landschapsbeheer
– reststoffen uit de industrie en afvalbeheer
Tijdens de selectie is er op gelet om substraten met een laag mineraalgehalte te kiezen. In het kader van de substraatverzameling zijn 30 biogene reststoffen (inclusief procesdeelstromen) verzameld. Voor een economische ordening zijn de substraatkosten/-opbrengsten, de beschikbaarheid en de locatie doorslaggevend. Bovendien zijn de substraten energetisch en materieel gekarakteriseerd om hun geschiktheid voor het pyrolyseproces te bepalen. De te beoordelen parameters waren hierbij: droge reststof (DR), organische droge reststof (oDR), verbrandingswaarde (Hs) en korrelgrootteverdeling. Op basis van deze beslissingscriteria zijn de onderstaande acht substraten geselecteerd en voorbehandeld voor pyrolyse testen.
Figuur 4: Geïnventariseerde substraten groenafval, straatveegsel en zaagsel (onbehandeld en behandeld)
In samenwereking met projectpartner Lohmann GmbH, een afvalverwerkingsbedrijf, zijn de substraten groenafval, straatveegsel en zaagsel uit veetransporten geselecteerd als te onderzoeken substraten. Daarnaast zijn ook bioafval, digestaat uit bioafval en compost van de Entsorgungs GmbH Steinfurt (EGST) onderzocht. Ook zijn landbouwsubstraten zoals varkensmest (vaste fase) en digestaat van maïssilage onderzocht. De projectpartners Alba Städte- und Industriereinigung Baving GmbH en Hogeschool Saxion stelden ook substraten ter beschikking.
Tabel 1: Parameter-overzicht van de substraten voor pyrolyse experimenten (DR = droge reststoffen, oDR = organische droge reststoffen, Hs = calorische waarde)
Omdat de substraten in de eerste plaats bedoeld waren voor het snelle pyrolyseproces, moesten de substraten aan specifieke grenswaarden voldoen: een droge reststof van DR>94 % en een korrelgrootte van diameter<5 mm waren vereist. Wanneer deze grenswaarden niet werden bereikt, was een voorbehandeling (scheiding van vaste en vloeibare stoffen, drogen, versniperen) nodig. Voor het versnipperen en vermalen zijn een zogenoemde ‘prallreactor’, een soort versnipperaar op praktijkschaal (500 kg/h) en een snijmolen op semi praktijkschaal (30 kg/h) gebruikt. Het drogen is uitgevoerd met behulp van droogkasten (op laboratoriumniveau) en een digestaatdroger (op industrieel niveau). Voor de scheiding van vaste en vloeibare stoffen werd een fijnfilterinstallatie op praktijkschaal (1 m³/h) gebruikt. Voor de voorbehandeling zijn drie verschillende configuraties gecombineerd:
1. drogen (indien de reststoffen reeds de vereiste korrelgrootte hadden)
2. scheiden en drogen (indien de reststoffen bijzonder vloeibaar waren)
3. drogen en vermalen (indien beide voorbehandelingsstappen nodig waren).
Het digestaat van maïssilage hoefde niet te worden voorbehandeld, omdat het substraat al in de biogasinstallatie was gedroogd en vermalen. De substraatkosten waren echter ook hoger en bedroegen 35 €/t. De substraten zaagsel uit veetransporten en compost moesten gedroogd worden, de korreldiameter was al binnen de gestelde grenzen. De substraten groenafval, digestaat van bioafval, straatveegsel en bioafval moesten zowel gedroogd als vermalen worden. De substraatspecifieke kosten en voorbehandelingsenergie waren vooral afhankelijk van de drooginspanning, omdat dit de meest energie-intensieve processtap was. Daarom werd bijvoorbeeld de varkensmest gescheiden en vervolgens gedroogd. De fijnfilterscheiding was bijzonder geschikt voor substraten met een hoog watergehalte. Door het water te scheiden, kon energie bespaard worden bij het drogen.
De genoemde substraten werden uiteindelijk gepyrolyseerd in een snelle pyrolyse installatie op laboratoriumschaal (0,3 kg/u). De resultaten van deze reeks testen toonden aan dat de substraten varkensmest (vaste fase), digestaat van maïs en digestaat van bioafval geschikt waren voor pyrolyse. Daarom werden er meer testen uitgevoerd met deze substraten in een pyrolyse-installatie op semipraktijkschaal (3 kg/h). Om deze testseries economisch te kunnen beoordelen, werden energie- en kostenramingen uitgevoerd voor de voorbehandeling van deze substraten en de bijbehorende voorbehandelingsconfiguraties. Om er voor te zorgen dat het testverloop van de pyrolyse probleemloos verliep, werden de genoemde substraten extra fijngemaakt. De resultaten zijn weergegeven zijn weergegeven in onderstaande figuur.
Figuur 1: Substraatspecifieke voorbehandelingsenergieën en -kosten van de 3 meest veelbelovende substraten: varkensmest (vaste fase), digestaat van bioafval en digestaat van maïsdigestaat.
Wat betreft de voorbehandelingsenergie, bleek dat de energie om te drogen veruit het grootste deel van de energie uitmaakt. Na afscheiding had de vaste varkensmest een watergehalte van 80 %. De scheiding vergde een capaciteit van 1,2 kWh/t en was energie-intensief. Het drogen kostte uiteindelijk aanzienlijk meer energie (2.182 kWh/t). Het verfijnen van het substraat met behulp van de botsreactor verbruikte 11,0 kWh/t. Met kostenpecifieke resultaten van 10 €/t leidde dit tot voorbehandelingskosten (bedrijfskosten, zonder aanschafkosten) van 23,06 €/t.
Het digestaat van bioafval was niet geschikt om te scheiden. De benodigde energie om te drogen bedroeg 821 kWh/t. Een verkleining van de grootte verbruikt op zijn beurt 11,5 kWh/t. Met een substraatspecifieke opbrengst van 10 €/t werden uiteindelijk voorbehandelingskosten van 2,73 €/t gerealiseerd.
De voorbehandeling van het reeds gedroogde digestaat van maïssilage werd met de verfijning tot 12,9 kWh/t beperkt. Met vergelijkbare hoge substraatkosten van 35 €/t, lagen de substraatspecifieke kosten uiteindelijk op 35,99 €/t.
Een wijdverbreid substraat dat t.b.v. pyrolyse wordt gebruikt is hout, dat hier ter vergelijking wordt gepresenteerd met een prijs van 135 €/t. Zo kunnen substraatkosten duidelijk worden bespaard door het gebruik van biogene reststromen. De mate waarin het gebruik van reststoffen van invloed is op de kwaliteit van de pyrolyseproducten is in het verdere verloop van het project vastgesteld.
Conclusie
Samengevat zijn in de beschreven werkzaamheden totaal 30 biogene residuen vastgelegd en gekarakteriseerd. Elk substraat dat in deze reststofdatabase is vastgelegd, is beschreven in de vorm van een profiel, zie figuur 6. Het grote aantal voor pyrolyse geschikte reststoffen vertegenwoordigt het grote potentieel voor gespecialiseerde toepassing in het grensgebied. Er zijn afvalstromen met een totaal volume van 3 miljoen t/jaar geregistreerd. Uiteindelijk zijn acht substraten geselecteerd voor een reeks experimenten en met succes gepyrolyseerd. Verder zijn op grotere schaal experimenten uitgevoerd met drie van de voorbehandelde substraten en zijn de kosten van de drie voorbehandelingsconfiguraties bepaald. Daarbij is onder andere gebleken dat de energie om te drogen het grootste deel van deze kosten voor haar rekening neemt. Het doel van verder onderzoek is dan ook om deze kosten te verlagen. Een oplossing is de overtollige warmte-energie van het pyrolyseproces te gebruiken om te drogen.
Figuur 6: Profiel uit de reststofdatabase. Substraat: zaagsel/strooisel van veetransport.