Problemy technologiczne, eksploatacyjne i sterowanie pracą biogazowni rolniczej mgr inż. Miłosz Krzymiński, biotechnolog
Definicja biogazu Biogaz jest gazem powstającym w wyniku przemian biochemicznych materii organicznej w warunkach beztlenowych w trakcie kontrolowanego procesu fermentacji metanowej (metanogenezy). Fermentacja metanowa jest procesem występującym powszechnie w przyrodzie np. na dnie mórz, w żwaczach przeżuwaczy, torfowiskach. W wyniku tego beztlenowego procesu i działalności mikroorganizmów powstaje palna mieszanina gazów biogaz. 3
Właściwości biogazu w zależności od składu procentowego biogazu, możemy otrzymać z 1m 3 około 2,1 kwh energii elektrycznej (przy zakładanej sprawności układu 33%) oraz 5,4 kwh ciepła (przy zakładanej sprawności układu 85%), wartość opałowa 1m 3 biogazu jest porównywalna z 0,93 m 3 gazu ziemnego, 1 dm 3 oleju napędowego lub 1,75 kg węgla kamiennego, biogaz spala się jasnoniebieskim płomieniem i jest około 20 razy lżejszy od powietrza. SKŁADNIK ZAWARTOŚĆ metan (CH 4 ) 50-75% dwutlenek węgla (CO 2 ) 25-45% siarkowodór (H 2 S) 20-20 000 ppm wodór (H 2 ) < 1 % tlenek węgla (CO) 0-2,1 % azot (N 2 ) <2 % tlen (O 2 ) <2 % inne śladowe ilości 4
Fermentacja metanowa 5
Warunki prowadzenia procesu fermentacji metanowej a) Temperatura: Fermentacja mezofilna 35-45 o C / 15-30 dni Fermentacja termofilna 55 o - 60 o C/ 12-14 dni Fermentacja psychrofilna 10-25 o C b) ph : 6,8 7,4 c) Woda: fermentacja mokra zawartość wody w substracie 85-92% świeżej masy (ś.m.) d) Składniki pokarmowe e) Obciążenie komory fermentacyjnej f) Mieszanie g) Rozdrobnienie substratu 6
Budowa mikrobiogazowni rolniczych 1. zbiornik przygotowawczy na substraty ciekłe/zasobnik na substraty stałe, 2. zespół pomp, orurowania i podajników dozujących substraty, 3. komora/komory fermentacyjne wyposażone w systemy grzewcze, mieszające oraz odpowiedniej wielkości zbiornik magazynowy na ciecz przefermentowaną, 4. system monitorowania i sterowania procesem fermentacji metanowej w biogazowni, 5. komora fermentacyjna przykryta szczelną membraną tworzącą zbiornik biogazu oraz system do jego osuszania i odsiarczania, 6. pochodnia awaryjna na biogaz, bezpieczniki cieczowe nadciśnieniowe, 7. instalacja elektryczna i układ kogeneracyjny, 8. przyłącze do sieci elektroenergetycznej i ewentualnie cieplnej. 7
Budowa mikrobiogazowni rolniczych 8
Schemat instalacji kontenerowej mikrobiogazowni rolniczej pracującej w systemie dwustopniowej fermentacji mokrej 9
Schemat mikrobiogazowni o mocy elektrycznej 50 kw 10
Aby uniknąć problemów związanych z destabilizacją procesu fermentacji metanowej należy regularnie kontrolować warunki w fermentorze Brak właściwej kontroli obciążenia fermentora i parametrów takich jak, np.: ph, temperatura, stężenie i profil lotnych kwasów tłuszczowych i zasadowość, współczynnik FOS/TAC, oraz strumienia i składu powstającego biogazu mogą być przyczyną destabilizacji fermentacji, Destabilizacja fermentacji metanowej może mieć miejsce w trakcie uruchamiania, wzrostu obciążania, ale również w trakcie bieżącej eksploatacji biogazowni na skutek np. zmian w jakości substratu, błędów w dozowaniu lub problemów technicznych z dozowaniem wsadu, awarią mieszadeł lub ogrzewania czy też poprzez dozowanie schłodzonego substratu w okresie zimowym, i in. 11
Awarie wywołujące destabilizację pracy biogazowni Awaria systemu ogrzewania bioreaktora lub czujników temperatury: mogą doprowadzić do obniżenia temperatury fermentującej biomasy w komorze fermentacyjnej. Konsekwencją tego jest spadek ilości otrzymanego biogazu, w wyniku zmniejszenia aktywności bakterii metanogennych - wrażliwych na wahania temperatury. 12
Awarie wywołujące destabilizację pracy biogazowni Awaria systemu mieszania zawartości fermentora: powoduje ograniczony kontakt bakterii do świeżego substratu co skutkuje hamowaniem procesu, płynne substancje organiczne, w miarę upływu czasu mogą tworzyć złogi i sedymentować na warstwy o różnej gęstości, co jest niepożądanym zjawiskiem w komorze fermentacyjnej, brak równomiernego rozprowadzenia substratu po całej objętości fermentora, brak zapewnienia homogenności fermentującej biomasy nie tylko pod względem struktury ale także temperatury. 13
Awarie wywołujące destabilizację pracy biogazowni Awaria systemu mieszania zawartości fermentora: może doprowadzić do powstania kożucha w górnej części fermentora, który uniemożliwia swobodne uwalnianie biogazu z fermentującej biomasy. 14
Awarie wywołujące destabilizację pracy biogazowni Do poważnej awarii mieszadła może dojść w każdej chwili: W wyniku nadmiernych drgań filaru na którym zawieszone jest mieszadło, może dojść do uszkodzenia materiału z którego wykonana jest obejma nakierowująca mieszadło. Drgania mieszadła mogą mieć różne podłoże: mieszadło haczy o powstały kożuch, wokół mieszadła owinęły się sznurki/folie obecne w substratach. 15
Awarie wywołujące destabilizację pracy biogazowni W konsekwencji mieszadło może zacząć kręcić się wokół własnej osi doprowadzając do zerwania kabla zasilającego oraz liny utrzymującej mieszadło na odpowiedniej wysokości. W opisywanym przypadku konieczne było otwarcie włazu serwisowego w fermentorze i wyłowienie uszkodzonego mieszadła. Tego typu awarie wpływają niekorzystnie na bilans finansowy biogazowni nie tylko ze względu na koszty związane z naprawą mieszadła, ale także ze względu na utratę dużej ilości biogazu i przestoje w karmieniu fermentora. 16
Awarie wywołujące destabilizację pracy biogazowni 17
Awarie wywołujące destabilizację pracy biogazowni Zbyt dynamiczne mieszanie wiąże się z powstawaniem piany i rozbiciem kolonii bakteryjnych. 18
Odpowiednie przygotowanie materiału wsadowego przyczynia się do lepszego wykorzystania substratów i ogranicza występowanie awarii i przestojów Rozdrabniacz nożowy zapewnia odpowiednie przygotowanie/rozdrobnienie dużych i grubych substratów odpadowych. Jednak w czasie dużych mrozów może dojść do zamarznięcia/unieruchomienia zabrudzonych noży a w przypadku metalowych ciał obcych w substracie lub kamieni, może dojść do zatrzymania urządzenia lub awarii. 19
Rozdrobnienie materiału wsadowego - macerator 20
Rozdrobnienie materiału wsadowego pompa rotacyjna Pompa rotacyjna cechuje się wysoką wydajnością tłoczenia substratów o konsystencji półpłynnej. Zanieczyszczenie materiału wsadowego/pompowanego piaskiem lub np. drobnym szkłem powoduje szybkie zużywanie się rotorów wykonanych z tworzyw sztucznych. 21
Przygotowanie substratów do wykorzystania w biogazowni Usuwanie z substratów ciał obcych, które poprzez swoją obecność mogą doprowadzić do uszkodzenia podzespołów instalacji lub nie ulegają biodegradacji (szkło, tworzywa sztuczne, metale), Rozdrabnianie pozwala na zwiększenie powierzchni substratu i skrócenie czasu retencji, Wykorzystywanie kruszarek bębnowych stosowane do rozdrabniania substratów zarówno twardych jak i miękkich. 22
Awarie wywołujące destabilizację pracy biogazowni W czasie niskich temperatur duże ryzyko zamarzania biomasy i łańcuchów rozdrabniających w przerwach pomiędzy cyklami karmienia, Stosunkowo szybkie zużywanie się łańcuchów, Konieczne częste kontrole łańcuchów rozdrabniających przy wykorzystywaniu w procesie twardych substratów odpadowych. 23
Awarie wywołujące destabilizację pracy biogazowni Nieprawidłowy dobór substratów do systemu podawania biomasy w biogazowni może przyczynić się do częstych, niepożądanych przerw w podawaniu materiału wsadowego do fermentorów. Źle dobrane substraty powodują zapychanie się ciągu podawania biomasy. 24
Awarie wywołujące destabilizację pracy biogazowni nieprawidłowy dobór substratów do systemu podawania biomasy, zabrudzenie czujników poziomu cieczy w fermentorach powodują zahamowanie wprowadzania biomasy 25
Awarie wywołujące destabilizację pracy biogazowni Długa awaria systemu podawania biomasy może przyczynić się do zepsucia substratu załadowanego do zasobnika. W takim przypadku nie należy wprowadzać go do fermentora ponieważ może spowodować zahamowanie procesu fermentacji. 26
Awarie wywołujące destabilizację pracy biogazowni Konieczna duża precyzja podczas załadunku biomasy do zasobnika, Przypadkowe uderzenie w zasobnik może przyczynić się do rozkalibrowania systemu naważania. 27
Precyzyjne sterowanie biogazownią Optymalną wydajność biogazowni osiągamy przez wprowadzanie do fermentora ściśle określonej i zaplanowanej dawki substratów/dobę. W ten sposób zabezpiecza się proces fermentacji metanowej przed przeciążeniem ładunkiem substratów. 28
Precyzyjne sterowanie biogazownią poprzez określenie współczynnika FOS/TAC. Można uchronić instalację biogazową przed przeciążeniem lub niedociążeniem procesu fermentacji, który wynika z nieodpowiedniego dozowania substratów Zakres parametru FOS/TAC i niezbędne czynności. 29
Precyzyjne sterowanie biogazownią Titarator do wykonywania analizy FOS/TAC: - analiza przebiega automatycznie, - możliwość przebadania kilku próbek w ciągu minuty, - oszczędność czasu. Stanowisko laboratoryjne, w pełni wyposażone do ręcznego wykonywania analizy FOS/TAC. 30
Precyzyjne sterowanie biogazownią W każdym przypadku wyniki otrzymujemy natychmiastowo po analizie, nie trzeba czekać na wyniki z laboratorium zewnętrznego (czas potrzebny na pobór próbki, zapakowanie, wysyłka, analiza, przekazanie wyników nawet do 5 dni roboczych). Możliwa jest natychmiastowa reakcja personelu i podjęcie działań korygujących w przypadku stwierdzenia zagrożenia w postaci zakwaszenia instalacji biogazowej. 31
FOS/TAC Precyzyjne sterowanie biogazownią 4,5 4 Analiza FOS/TAC w fermentorach FOS/TAC F1 FOS/TAC F2 FOS/TAC Końcowa komora 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 32
Precyzyjne sterowanie biogazownią 33
Precyzyjne sterowanie biogazownią 34
Precyzyjne sterowanie biogazownią analiza biogazu Monitoring biogazowni musi opierać się także na analizie biogazu. Nie można oceniać procesu fermentacji tylko i wyłącznie po zawartości metanu w biogazie. W przypadku awarii/rozkalibrowania analizatora biogazu brak kontroli procesu. 35
Inhibitory procesu fermentacji metanowej Na przebieg procesu fermentacji metanowej może mieć wpływ wiele niekorzystnych czynników, powodujących zakłócenia w prawidłowym przebiegu procesu fermentacji. Są to inhibitory, czyli niekorzystnie substancje chemiczne lub czynniki fizyczne wpływające na mikroorganizmy, w tym przypadku spowalniające lub całkowicie hamujące ich procesy przemiany materii. 36
Inhibitory procesu fermentacji metanowej Inhibitory powstałe w trakcie procesu fermentacji: -siarkowodór, -amoniak. Inhibitory, których źródłem są wprowadzone do komory fermentacyjnej substraty: -sole mineralne, -tlen, -metale ciężkie, -toksyczne związki organiczne. 37
Awaria systemu wprowadzania powietrza do fermentora w celu usuwania siarkowodoru, może wpłynąć na wzrost stężenia siarkowodoru w biogazie wysokie stężenie H 2 S hamuje proces fermentacji metanowej, wysokie stężenie H 2 S w biogazie może wywoływać korozję rurociągów, armatury i zbiorników metalowych. 38
Obniżenie zawartości siarkowodoru w biogazie Dozowanie określonej ilości chlorku żelaza do komory fermentacyjnej skutecznie obniża nawet wysokie zawartości siarkowodoru w biogazie. ZALETY: - niskie koszty zakupu, - łatwe dozowanie. 39
Dziękuje za uwagę!
Źródła SLAJD 3 http://agroenergetyka.pl/articles/4/4_n_2.jpg Slajd 4 http://www.biogazownie.fwie.pl/index.php?option=com_k2&view=item&id=115:ile-energii-zawiera-1m3-biogazu?; Szmulewicz, 2010; Tab. 1. Skład biogazu Curkowski i in., 2009 Slajd 5 Schemat wykorzystania fermentacji metanowej w biogazowi rolniczej (www.biopowersa.pl); http://naukawpolsce.pap.pl/data/thumbs/_plugins/information/390743/mtaynhg3njg,11778431_11778426.jpg Slajd 8 Schemat kontenerowej mikrobiogazowni rolniczej (Myczko i in., 2011);. Mikrobiogazownia kontenerowa (www.agrikomp.pl) Slajd 9 Schemat instalacji kontenerowej mikrobiogazowni rolniczej pracującej w systemie dwustopniowej fermentacji mokrej (Myczko, 2012) Slajd 10 Schemat małej biogazowni rolniczej o mocy elektrycznej 50 kw (www.agrikomp.pl) Slajd 17 mieszadło łopatowe http://bauer.home.pl/bauer/zagospo-gnojowicy/mieszadla-ele-msxh Slajd 18 Schemat standardowej komory fermentacyjnej stosowanej w biogazowniach rolniczych (Głodek i in., 2007); http://www.azspg.pl/biogazownie_rolnicze/biogazownia.php Slajd 19 rozdrabniacz http://www.vogelsang.info/pl/produkty/rozdrabnianie/ Slajd 20 macerator http://www.vogelsang.info/pl/produkty/rozdrabnianie/macerator-rotacut/seria-rcq/przeglad/ Slajd 21 pompa rotacyjna http://www.vogelsang.info/pl/produkty/pompy-rotacyjne/seria-r/r116/przeglad/ Slajd 24 http://www.havelberger.com/produkte/annahmedosierer_h100/ Slajd 22 http://www.bgs-energy.cz/wordpress/wp-content/uploads/2013/05/bgs-biogas-bioconter-1.png Slajd 26 https://www.google.pl/search?q=sple%c5%9bnia%c5%82e+odpady&source=lnms&tbm=isch&sa=x&ved=0ahukewir6t6vuoplahvibswkhunrdtuq_auibygb&biw=15 25&bih=734&dpr=0.9#imgrc=4llgS3XKzls4gM%3A; https://www.google.pl/search?q=sple%c5%9bnia%c5%82e+odpady&source=lnms&tbm=isch&sa=x&ved=0ahukewir6t6vuoplahvibswkhunrdtuq_auibygb&biw=15 25&bih=734&dpr=0.9#imgrc=Q1GILuTywnTs-M%3A Slajd 27 http://biogazplant.pl/gallery/biogaz1mw Slajd 29 Precyzyjne sterowanie stacjami fermentowania osadu z LKT/OWN (Lossie U., Pütz P., 2008) Slajd 30 www.hach.com/asset-get.download.jsa?id=23448818109; http://www.bio-industry.pl/pl/zestaw-fostac 41