Przegląd najbardziej znanych technologii wytwarzania biogazu

02 marca 2020

W ogólnym spojrzeniu proces technologiczny produkcji biogazu jest dość prosty. Biomasa, ze zbiornika substratu, przekazywana jest poprzez zbiornik mieszalnikowy do fermentora, a tam, w procesie fermentacji beztlenowej powstaje biogaz. Jest on następnie oczyszczany m.in.
z siarkowodoru i spalany w jednostkach kogeneracyjnych (silnik i generator prądu), w wyniku czego generowana jest energia elektryczna oraz cieplna.

Substraty wykorzystywane do produkcji biogazu magazynowane są w zasobnikach wstępnych a ilości poszczególnych surowców kierowanych do komór fermentacyjnych dobierane są w taki sposób, by zoptymalizować proces produkcji, przy zapewnieniu wysokiej efektywności elektrociepłowni biogazowej.

Substraty stałe wprowadzane są do modułu dozująco-mieszającego, w którym są rozdrabniane i ujednolicane.

W kolejnym etapie przenośnik ślimakowy przenosi surowiec do urządzenia dozująco-mieszającego w celu wymieszania z wodą.

Następnie rozrobiony substrat przetłaczany jest do fermentatorów, czyli zbiorników przykrytych dachem dwumembranowym, w którym,
z wykorzystaniem bakterii kwasogennych, octanogennych i metanogennych powstaje biogaz.

Aby uniemożliwić tworzenie kożucha na powierzchni, utrudniającego prawidłowy przebieg procesu, w komorze fermentacyjnej, w regularnym cyklu, obraca się odpowiedniej konstrukcji mieszadło.

Proces produkcji biogazu jest procesem pracochłonnym, dla przebiegu którego niezbędne jest utrzymanie stałej temperatury, stałego odczynu pH a także ciągłości procesu i zablokowanie dostępu tlenu.

Przy prawidłowym przebiegu procesu fermentacji powstaje głównie metan (ok. 60%) oraz dwutlenek węgla. Gdy komora fermentacyjna nie jest w pełni szczelna lub, oprócz podstawowego procesu, zachodzi również proces fermentacji niekontrolowanej (dzikie wysypiska śmieci)

w biogazie pojawia się dodatkowy składnik - azot oraz tlen z powietrza. W przypadku zakwaszenia osadu fermentacyjnego dodatkowo powstaje wodór i siarkowodór.


 
Składnik Udział w biogazie [%]
Metan 50-75

Dwutlenek węgla

24-45
Siarkowodór 20-20 000 ppm
Azot <2
Tlen <2
Tlenek węgla 0-2,1
Wodór <1
Pozostałe ilości śladowe

 

Tabela 1 - Typowe składniki biogazu

 

Całkowity czas trwania procesu zależy od warunków w jakich przebiega. W temperaturze poniżej 25°C proces praktycznie jest zbyt mało efektywny, bo wymaga około 70-80 dni. Dla temperatury 35-40°C niezbędne minimum to 20-30 dni, natomiast w warunkach termofilnych, czyli przy temperaturze powyżej 40°C, proces zachodzi w czasie 15-20 dni. Oczywiste jest jednak to, że w ostatnim przypadku wymaga to dostarczenia energii cieplnej z zewnątrz.

 

Tak w skrócie przebiega najczęściej stosowany proces technologiczny. Powszechność i prostota tej technologii nie oznacza niestety, że jest ona pozbawiona wad.

Istotnym utrudnieniem jest chociażby brak możliwości precyzyjnego zadania czasu retencji substratu w fermentorze.

Oznacza to, że część substratów usuwana jest z fermentatora przedwcześnie, przed zakończeniem pełnego procesu, co wpływa negatywnie na wydajność instalacji. Oprócz tego, że w procesie powstaje mniej biogazu, niż powinno, z określonej ilości substratu, to dodatkowo
w komorze fermentacyjnej mogą gromadzić się patogeny i inne niepożądane zanieczyszczenia.

Innym utrudnieniem jest, jak wspomniano wcześniej, konieczność stosowania mieszadeł, które wpływają na zużycie energii.

Innym poważnym utrudnieniem tej najbardziej powszechnej technologii jest konieczność utrzymania odpowiedniej temperatury dla prawidłowej aktywności bakterii, co w naszych warunkach jest istotnym problemem.

 

Inną, ciekawą technologią wytwarzania biogazu jest opatentowana technologia ODTP (ang. Organic Double Power Technology).

Polega ona na odpowiednim przygotowaniu substratów, czyli podgrzaniu do ponad 133°C, a następnie schłodzeniu do 35-40 °C, co w efekcie daje możliwość otrzymania ponad 95% biogazu z surowca. W tym przypadku cały proces fermentacji wymaga jedynie 10 dni, co
w porównaniu do najbardziej powszechnej technologii, opisanej wcześniej, jest olbrzymim usprawnieniem.

 

Kolejną technologią, która znajduje coraz więcej zwolenników, a przez to warta jest dokładniejszego opisania, jest amerykańska technologia DVO (opatentowana przez Stephena Dvoraka w 1999 r.), technologia z instalacją PODZIEMNĄ.

System DVO to dwustopniowy proces fermentacji bioodpadów, zachodzący w jednym reaktorze biogazowym, w którym powstają:

- biogaz, który można wykorzystać do wytwarzania energii elektrycznej i ciepła

- stałe odpady organiczne - wysokiej jakości nawozy poprawiające żyzność gleby

- płynne odpady organiczne - nie wydzielają zapachu i mogą być stosowane jako nawóz do uprawy roślin, a także do nawadniania gruntów rolnych

W tej technologii komora fermentacyjna pracuje z surowcami o wilgotności do 90%. Ciągłe mieszanie i utrzymywanie temperatury 38 °C zapewnia najlepszy stopień fermentacji, umożliwiając bakteriom przetwarzanie większej ilości surowców i wytwarzanie większej ilości biogazu, zwiększając w ten sposób wydajność roślin. Mieszanie surowca odbywa się za pomocą wytworzonego biogazu. Biogaz jest podawany pod ciśnieniem do warstwy biomasy w komorze fermentacyjnej. Pod wpływem pęcherzyków biogazu poruszających się w górę powstaje spiralny ruch materiału w komorze fermentacyjnej, który wspiera go w stanie zawieszonym, co zapobiega osadzaniu się
i rozwarstwieniu surowca. Ta technologia nie wymaga mieszania biomasy w komorze fermentacyjnej z mieszalnikami mechanicznymi, co znacznie zmniejsza zużycie energii i oszczędza energię elektryczną.

Odpady są codziennie dostarczane do biogazowni i ładowane do zbiornika odbiorczego. Po przygotowaniu przez rozcieńczenie, mieszanie, kruszenie (w razie potrzeby) ścieki trafiają do pierwszego zbiornika komory fermentacyjnej, który nazywa się - kwaśnym. W tej komorze masę homogenizuje się i ogrzewa do temperatury 38 °C. Pojemność komory określona jest 1,5 dniowym zapasem. Komora kwasowa pracuje w ciągłym przepływie typu Plug-Flow a następnym etap procesu przebiega w komorze metanogenezy.

W zbiorniku fermentacyjnym DVO zastosowano połączenie dwóch najpopularniejszych technologii: mieszalnikowej i przepływowej, w oparciu o które stworzono doskonalszą, dwu-etapową technologię  - Two-Stage Mixed Plug Flow, czego efektem jest wyeliminowanie 97% odorów i aż 98% bakterii.

Olbrzymią zaletą tej technologii jest również to, że uzyskany w ten sposób poferment nie musi być poddawany dalszej fermentacji, co znacznie zmniejsza koszty inwestycji.

 

W komorze kwasowej zachodzi proces hydrolizy, bakterie tlenowe przebudowują wysokocząsteczkowe substancje organiczne (białko, węglowodany, tłuszcze, celulozę) w związki niskocząsteczkowe, takie jak cukier, aminokwasy, kwasy tłuszczowe i woda.

W komorze metanogenezy zachodzi faza utleniania, pH obniża się, a bakterie tworzące kwas biorą udział w procesie rozszczepiania. Poszczególne cząsteczki wnikają do komórek bakteryjnych, gdzie dalej się rozkładają. W tym procesie bakterie beztlenowe częściowo uczestniczą w procesie, zużywają resztki tlenu, a tym samym tworzą warunki beztlenowe niezbędne dla bakterii metanowych. Następnie następuje proces rozkładu - bakteria kwasotwórcza z kwasów organicznych tworzy produkty wyjściowe do tworzenia metanu (kwas octowy, kwas mrówkowy).

Rozkład materii organicznej na oddzielne składniki i konwersja do metanu może zachodzić tylko w wilgotnym środowisku, ponieważ bakterie mogą przetwarzać substancje tylko w postaci rozpuszczonej.

 

Komora fermentacyjna jest w pełni uszczelnionym zbiornikiem z żelbetonu kwasoodpornego o kształcie prostokątnym. Do pokrycia reaktora stosuje się puste panele sufitowe, górną część konstrukcji izoluje się termicznie poprzez natrysk pianki poliuretanowej.

Pod ciągłym podawaniem biomasy do komory fermentacyjnej zachodzi w niej naturalny ruch od wlotu do wylotu (przemieszczenie hydrauliczne). Dlatego w samej komorze nie ma żadnych ruchomych części, co czyni cały system bardzo niezawodnym.

Podgrzane wstępnie podłoże jest stale mieszane. W komorze fermentacyjnej mieszanie odbywa się za pomocą ekstrahowanego biogazu. Biogaz jest podawany pod ciśnieniem do warstwy biomasy w komorze fermentacyjnej. Pod działaniem pęcherzyków biogazu poruszających się w górę powstaje spiralny ruch surowców w komorze fermentacyjnej, podtrzymując go w stanie zawieszonym, co zapobiega osadzaniu się i rozpadowi substratu. W komorze fermentacyjnej utrzymywana jest temperatura 38,3 ° C (proces trawienia mezofilnego) a średni czas,
w którym podłoże hydrauliczne znajduje się w komorze fermentacyjnej to około 20 dni. Na wyjściu procesu otrzymujemy dwa produkty: biogaz oraz bionawozy (podłoże stałe i płynne).

 

Ciśnienie biogazu wynosi 0,02 bara. Aby zapobiec wzrostowi ciśnienia, komora fermentacyjna jest wyposażona w zawór bezpieczeństwa, który aktywuje się, gdy ciśnienie wzrasta, i uwalnia biogaz do atmosfery poprzez spalanie go przez pochodnię.

Biogazownia jest wyposażona w awaryjne urządzenia pochodni na wypadek, gdyby silnik / silniki (kogeneratory) nie pracowały, ale biogaz trzeba zużyć. Układ gazowy obejmuje dmuchawę (sprężarkę), pochłaniacz pary i odsiarczacz.

 

Od komory fermentacyjnej, przez rurociąg, przebiega ciągłe dostarczanie biogazu do kogeneratorów. Ogrzewanie surowca w komorze odbiorczej (studzience) i utrzymywanie temperatury w komorze fermentacyjnej realizowane są za pomocą rurowego systemu recyrkulacji gorącej wody. Wymagana temperatura wody, dla wsparcia procesu fermentacji, jest określana przez system czujników, który steruje jednostkami mieszającymi systemu grzewczego, więc tylko wymagana temperatura chłodziwa jest doprowadzana rurociągiem do niezbędnej strefy fermentacyjnej.

Sfermentowana masa z komory fermentacyjnej wchodzi do zbiornika, który jest wyposażony w komorę fermentacyjną, a następnie jest podawana do separatorów prasy ślimakowej za pomocą pomp. Jeśli konieczne jest ponowne wykorzystanie wody do celów technologicznych, wówczas biogazownię wyposaża się w urządzenia do dodatkowego czyszczenia cieczy. Wszystkie procesy technologiczne są kontrolowane przez system automatyki. Do zarządzania wystarczy tylko jedna osoba, przez 2 godziny dziennie. W biogazowni tego typu nie jest potrzebne centrum sterowania a całe sterowanie odbywa się za pomocą prostego panelu kontrolującego podstawowe parametry. Kontrola komory fermentacyjnej jest w pełni zautomatyzowana.

 

Ostatnią, z wartych opisania, technologii produkcji biogazu jest w pełni polska, opatentowana technologia, której głównymi cechami są:

- wydzielenie procesu hydrolizy z procesu fermentacji, poprzez zastosowanie odrębnych zbiorników do przeprowadzenia procesy hydrolizy,

- zmniejszone zapotrzebowanie na substrat przy jednoczesnym zwiększeniu zawartości biometanu w uzyskiwanym biogazie,

- duża dowolność w doborze rodzajów stosowanych substratów oraz ich ilości,

- biomasa mieszana jest hydraulicznie pompami znajdującymi się na zewnątrz fermentora.

 

 

W/w technologia, zgodnie z treścią opisu patentu 197595, polega na anaerobowym przetwarzaniu biomasy do biogazu w rozdzielonych procesach hydrolizy i fermentacji metanowej biomasy przez bakterie metanowe mezofilne, termofilne i psychrofilne, znajdujące się
w zawracanych odciekach.

Proces charakteryzuje się tym, że rozdrobniony surowiec roślinny miesza się z wodą w stosunku zapewniającym zawartość suchej masy
w wodzie 20% do 60%, korzystnie 30%, i w podobnym stosunku miesza się z wodą rozdrobniony organiczny surowiec odpadowy zawierający wstępnie poniżej 60% wody a te mieszaniny, a także organiczny surowiec odpadowy o zawartości 4% do 20% suchej masy w wodzie, poddaje się łącznie albo pojedynczo lub w określonych zestawach, hydrolizie w temperaturze około 20°C przez okres 12-36 godzin, po czym przez shydrolizowaną biomasę przepuszcza się dwutlenek węgla do całkowitego zaniku w biomasie tlenu i azotu.

Następnie po ewentualnym uzupełnieniu wody do zawartości suchej masy 4%-60%, korzystnie 20%, biomasę poddaje się fermentacji metanowej, przez bakterie metanowe mezofilne, korzystnie w temperaturze 35°C przez okres 48-240 godzin, po czym powstały biogaz
w procesie anaerobowego przetwarzania biomasy do biogazu - zwany dalej pierwszą porcją - odprowadza się do zbiornika biogazu surowego, zaś pozostałą biomasę ewentualnie uzupełnia się wodą do zawartości suchej masy 4%-60%, korzystnie 20%, i poddaje się fermentacji metanowej przez bakterie metanowe termofilne, korzystnie w temperaturze 55°C przez okres 48-240 godzin, przy zachowaniu
w obu procesach fermentacji metanowej stosunku węgla do azotu w biomasie większym od 100:3, najlepiej 10:1, przy pH 6-8 wodnej mieszaniny biomasy - zwłaszcza przy pH = 7 i jej potencjale redoks mniejszym od 250 mV.

Następnie powstały biogaz, w procesie anaerobowego przetwarzania biomasy do biogazu przez bakterie metanowe termofilne, zwany dalej drugą porcją, łączy się z porcją pierwszą w zbiorniku biogazu surowego a pozostałą biomasę, po oddzieleniu z niej około 50% wody i zawróceniu tej wody do procesu fermentacji metanowej, następnej porcji biomasy, kompostuje się, z jednoczesnym przebiegiem procesu anaeorobowego przetwarzania biomasy, do biogazu, przez bakterie metanowe psychrofilne, korzystnie w temperaturze 23°C przez okres 190-300 godzin.

Uzyskany w taki sposób kompost przeznacza się do wykorzystania w uprawach rolniczych jako naturalny nawóz a wytworzony biogaz, stanowiący trzecią porcję, łączy się z poprzednimi porcjami biogazu i usuwa się z nich związki siarki, następnie 20%-80% odsiarczonego biogazu rozdziela się na metan i dwutlenek węgla, który w ilości 5%-50% gromadzi się w zbiorniku pod zwiększonym ciśnieniem i zawraca się do ponownego procesu usuwania tlenu i azotu, ze zhydrolizowanej biomasy a pozostałą część dwutlenku węgla gromadzi się w butlach do gazu pod zwiększonym ciśnieniem, skrapla się albo wydala do atmosfery.

 

Rozdzielenie funkcji hydrolizera, fermentora mezofilnego, fermentora termofilnego i kompostownika pozwala na zawracanie odcieków z biomasy po przeprowadzonym procesie przetwarzania biomasy odpowiednio do tych urządzeń z odpowiednimi kulturami bakteryjnymi, co ułatwia sterowanie procesami anaerobowego przetwarzania biomasy do biogazu i przyśpiesza te procesy. Natomiast do fermentora termofilnego, o najwyższej temperaturze pracy 55°C, w układzie trafia tylko część biomasy wprowadzonej do hydrolizera na początku procesu - co obniża zużycie ciepła w układzie, przy maksymalnej produkcji biogazu z jednostki suchej masy biomasy, w porównaniu do obecnych układów utylizacji odpadów. Uzyskany biogaz z roślin nie zawiera związków siarki lub zawiera ich niewielką ilość. Rozdzielenie metanu od dwutlenku węgla w saturatorze pozwala na właściwe zagospodarowanie tych gazów.

Część CO2 służy do usuwania zużytego powierza z hydrolizera a zwłaszcza tlenu, który jest trujący dla bakterii metanowych, natomiast pozostała ilość CO2, po sprężeniu lub wykropleniu, posiada wartość handlową.

Produkcja metanu gazowego i/lub skroplonego i jednocześnie energii elektrycznej i cieplnej pozwala na regulację ilości wytwarzanego paliwa, energii elektrycznej i cieplnej zależnie od potrzeb. Mieszanie oczyszczonego ze związków siarki biogazu z metanem zapewnia uzyskanie standardowego paliwa gazowego o stałej wysokiej liczbie metanowej i stałej wysokiej wartości opałowej, co ma korzystny wpływ na pracę silnika cieplnego, jego żywotność i sprawność. Rozdzielenie strumienia ciepła odpadowego, pozyskiwanego w układzie chłodzenia agregatu prądotwórczego lub turbiny gazowej, na ciepło ogrzewania hydrolizera i fermentorów, ciepło do centralnego ogrzewania i ciepło do termoregeneratora niskotemperaturowego ogniwa termoregeneracyjnego - ciepło do procesu rozkładu termicznego elektrolitu - pozwala na optymalne wykorzystanie ciepła zależnie od pory roku.

Natomiast samo włączenie ogniwa termoregeneracyjnego do obiegu cieplnego agregatu prądotwórczego, lub w innym wykonaniu wynalazku do obiegu cieplnego turbiny gazowej, pozwala na uzyskanie wysokiej sprawności elektrycznej takiego układu, przekraczającej 60%.

 

O nas

  1. pl
  2. en

Copyright 2017 | Created with WebWave

Twój e-mail
Treść wiadomości
WYŚLIJ WIADOMOŚĆ
WYŚLIJ WIADOMOŚĆ
Formularz został wysłany - dziękujemy.
Proszę wypełnić wszystkie wymagane pola!

20-417 Lublin

Władysława Kunickiego 45

tel. 81 748 48 73

       81 747 67 11

biopolinex@biopolinex.pl

ADRES

MENU

Biopolinex Sp. z o. o. jest firmą której  działania są związane z energooszczędnością, racjonalnym wykorzystaniem energii zgodnie z zasadami zrównoważonego rozwoju oraz inwestycjami w odnawialne źródła energii

O FIRMIE

FORMULARZ KONTAKTOWY

Twój e-mail:
Temat wiadomości:
Treść wiadomości:
WYŚLIJ WIADOMOŚĆ
WYŚLIJ WIADOMOŚĆ
Formularz został wysłany - dziękujemy.
Proszę wypełnić wszystkie wymagane pola!

Firma Biopolinex zarejestrowana jest w Krajowym Rejestrze Sądowym pod numerem 0000345851;

REGON: 060566982; NIP: 9462595328; kapitał zakładowy: 100 000,00 PLN opłacony w całości.