Co to jest Biogaz rolniczy ?

Biogaz rolniczy oznacza paliwo gazowe otrzymywane w procesie fermentacji metanowej surowców rolniczych, produktów ubocznych rolnictwa, płynnych lub stałych odchodów zwierzęcych, produktów ubocznych lub pozostałości z przetwórstwa produktów pochodzenia rolniczego lub biomasy leśnej, z wyłączeniem gazu pozyskanego z surowców pochodzących z oczyszczalni ścieków oraz składowisk odpadów.

Co to jest Biogazownia ?

Biogazownia to instalacja służąca do celowej produkcji biogazu z biomasy roślinnej, odchodów zwierzęcych, organicznych odpadów (np. z przemysłu spożywczego), odpadów poubojowych lub biologicznego osadu ze ścieków.

Typowa instalacja składa się zazwyczaj z:
  • układu podawania biomasy
  • komory fermentacyjnej
  • zbiornika magazynowego dla przefermentowanego substratu
  • zbiornika biogazu
  • agregatu kogeneracyjnego

Poniżej przedstawiamy koncepcję dla budowy planowanej biogazowni.

Koncepcja Biogazowni

Poniższy układ technologiczny i metodologia prowadzenia procesu fermentacji beztlenowej odnoszą się do biogazowni o mocy elektrycznej ok. 1,2 MW, w której substratami są kiszonki z całych roślin kukurydzy, traw, żyta oraz ziarna zbóż (żyta).
Zakłada się, że wielkość cząstek substratów nie przekracza 5cm oraz że jest on wolny od piasku, żwiru itp.


Koncepcja biogazowni została przygotowana dla następującej ilości substratu.

Substrat Ilość
Kiszonka z kukurydzy 14 500 ton/rok
Kiszonka z żyta 4 500 ton/rok
Ziarno żyta 1 200 t/rok
RAZEM: 20 200 t/rok


Sposób przygotowania i podawania substratu

Kiszonki roślinne – kukurydza, trawy oraz żyto (rozdrobnione całe rośliny) są zakiszane w silosach lub rękawach. Taki sposób przechowywania biomasy roślinnej umożliwia zapewnienie jednorodnego substratu w ciągu całego roku. Rośliny są sukcesywnie dostarczane w fazie zbioru na teren w pobliżu biogazowni pojazdami przystosowanymi do przewożenia tego typu produktów, a następnie składowane i zakiszanie (przygotowanie kiszonki analogiczne jak w przypadku paszy dla zwierząt, choć zalecane jest większe rozdrobnienie biomasy).


Podajnik substratów

Kiszonka jest transportowana do podajnika substratów przy użyciu ciągnika z ładowarką.
Pojemność zbiornika zasypowego podajnika jest dobrana tak, aby wystarczała na 12 godzin.
Operator ok. dwa razy dziennie wypełnia zbiornik substratami (kiszonkami i zbożem w odpowiednich proporcjach) - łącznie ok. 55,3 ton. Ze zbiornika zasypowego porcje substratu są dostarczane do cieczowej jednostki podającej. Wraz z cieczą wszystkie substraty są podawane do komory fermentacyjnej. Jedna jednostka podająca może podawać substrat do komory fermentacyjnej w odstępach 1 – 2 godzinnych.


Komora Fermentacyjna

Przewidziana jest jedna komora fermentacyjna, wykonana ze stali pokrytej szkłem o łącznej pojemności netto ok. 4500m³. Dozowanie wsadu do komory fermentacyjnej przez podajnik jest automatyczne, prowadzone zgodnie z przyjętym hydraulicznym czasem przetrzymania oraz w odniesieniu do wartości ładunku organicznego substratów. Poziom wypełnienia komory fermentacyjnej jest monitorowany w sposób ciągły.
Mieszanie zawartości komory fermentacyjnej jest prowadzone za pomocą mieszadła pionowego. Pracą mieszadła steruje falownik, umożliwia on również operatorowi kontrolę i regulację pracy w zależności od warunków i wymagań procesu fermentacji. Zastosowane mieszadło jest najlepsze dla biologicznego systemu, ponieważ pozwala na powolne, ale ciągłe mieszanie. Dla optymalnej pracy bakterii zalecane jest stałe dostarczanie substancji pokarmowych, a następnie dokładne rozprowadzanie pożywienia wewnątrz komór fermentacyjnych. To zapewnia stabilność i niezawodność biologicznego systemu. Oprócz tego tylko systematyczne mieszanie gwarantuje stałą temperaturę w całej objętości zbiorników. Ponadto mieszadło pionowe doskonale zapobiega powstawaniu warstwy tzw. kożucha, utworzonego przez cząstki substratu o dużej tendencji do unoszenia się na powierzchni, takiego jak np. kiszonki z roślin.
Ogrzewanie komory odbywa się za pomocą zewnętrznego wymiennika ciepła. Pompy znajdujące się w pompowni pompują część fermentującej biomasy przez wymiennik i ogrzaną wprowadzają z powrotem do komór fermentacyjnych. Ściany i dach zbiornika są ocieplone i izolowane dla redukcji strat ciepła.
Dla ochrony ścian komory fermentacyjnej od wewnątrz przed działaniem kwasów górna część (mająca kontakt z biogazem i skroplinami) jest wykonana z blach o podwyższonej grubości warstwy szkła lub z blachy kwasoodpornej. Z uwagi na fakt, że odsiarczanie następuje za pomocą wtłaczania powietrza do przestrzeni z biogazem w komorze fermentacyjnej na ścianach i dachu może wykraplać się kwas siarkowy w niewielkich ilościach. Proces fermentacji i wytwarzania biogazu zachodzi w komorze fermentacyjnej.
Ponad 90% biogazu produkowana jest w tym zbiorniku. Zaplanowano proces technologiczny jednostopniowy. Zapach materiału organicznego pochodzącego z substratu wejściowego (kiszonki oraz odchodów) jest niwelowany za pomocą mikroorganizmów, w środowisku beztlenowym (bez dostępu powietrza), dlatego nawóz pofermentacyjny nie wydziela prawie żadnego zapachu.
Przewidziany jest hydrauliczny czas retencji wewnątrz komory fermentacyjnej na ok. 81 dni, natomiast wartości organicznego ładunku zanieczyszczeń będą oscylowały w granicach 4,0 kg SMO/(m³ x d). Produkcja biogazu prawie w całości zachodzi w komorach fermentacyjnych.
Ze względu na fakt, że przewidziano jedną pierwotną komorę fermentacyjną oraz wtórną komorę fermentacyjną, rozkład materii organicznej zachodzi prawie całkowicie. Prawdopodobieństwo pozostawienia nierozłożonych substancji organicznych jest zredukowane do śladowych, nieznaczących ilości. Po rozprowadzeniu nawozu na pola uprawne następuje redukcja możliwie największej ilości emisji metanu. Nie tylko unika się emisji odorów, ale przede wszystkim brak emisji metanu – groźnego gazu zwiększającego efekt cieplarniany. Poziom wypełnienia w komorach fermentacyjnych jest stały. Podczas dostarczania świeżych substratów do komór fermentacyjnych następuje automatycznie przepływ przefermentowanej biomasy do wtórnej komory fermentacyjnej.


Wtórna Komora Fermentacyjna

Wtórna komora fermentacyjna stanowi żelbetowy zbiornik o pojemności netto ok. 2919m³. Z uwagi na fakt, że prawie cała produkcja biogazu jest prowadzona w pierwotnej komorze fermentacyjnej, wtórna komora może pełnić funkcję zbiornika magazynowego przefermentowanego substratu. Zbiornik ten jest wyposażony w dwumembranowy zbiornik biogazu i centralną kolumnę. Od kolumny do ścian zbiornika jest zamontowana konstrukcja z drewnianych belek lub innego materiału. W przypadku, gdy zbiornik biogazu jest opróżniony ta konstrukcja zabezpiecza wewnętrzną membranę przed zatopieniem w cieczy pofermentacyjnej. Wtórna komora fermentacyjna jest wyposażona w zatapialne mieszadła, załączane okresowo dla homogenizacji magazynowanej cieczy. Wtórna komora fermentacyjna również jest wyposażona w warstwę ocieplenia. Dwumembranowy zbiornik magazynowy biogazu o pojemności ok. 1 390 m³ pełni zarazem funkcję dachu. Pojemność zbiornika biogazu wystarczy na zgromadzenie gazu wytworzonego w ciągu około 2,7 godzin. Poziom gazu jest mierzony w sposób ciągły, a pomiary te służą do automatycznego sterowania mocą modułu kogeneracyjnego – sygnał jest doprowadzony do szafy sterowniczej i w zależności od ilości biogazu moduł pracuje pełną lub obniżoną mocą.
Pierwotna komora fermentacyjna oraz wtórna komora fermentacyjna są wyposażone w nadciśnieniowy zawór próżniowy, który powinien zadziałać w przypadku awarii. Takie rozwiązanie jest zalecane przez niemieckie normy dot.bezpieczeństwa rolniczych biogazowni (na razie brak szczegółowych zaleceń w tym zakresie w polskim prawie).


Separator

Przefermentowany substrat może być rozdzielany na frakcję stałą i ciekłą. Rozdział frakcji dokonywany jest zwykle za pomocą prasy ślimakowej, separatora lub wirówki, umieszczonej w przeznaczonym na ten cel budynku lub kontenerze. Woda procesowa jest odprowadzana do zbiorników magazynowych, umożliwiających zmagazynowanie tego nawozu poza okresami, kiedy można użyźniać nim gleby.
Płyta magazynowa Stała frakcja przefermentowanego substratu powinna być składowana poza okresami aplikowania nawozów. Do składowania można wykorzystać płyty analogiczne jak obornikowe, umożliwiające przechowanie ok. 820 ton nawozu dla okresu czterech miesięcy. Zbiorniki magazynowe wody procesowej Woda procesowa, powstała po separacji części stałych i cieczy również powinna być zmagazynowana między okresami rozlewania jej jako płynnego nawozu na polach. Aby zapewnić wystarczającą pojemność dla okresu około czterech miesięcy konieczne będą zbiorniki lub laguny o pojemności netto ok. 3 800,6 m3.


Instalacja gazowa

Cała objętość produkowanego biogazu jest tłoczona za pomocą sprężarki ze zbiornika magazynowego nad wtórną komorą fermentacyjną do modułu kogeneracyjnego. Na trasie rurociągu gazowego znajduje się zbiornik kondensatu wykraplanego z biogazu. Takie rozwiązanie oraz urządzenia do odsiarczania biogazu są bardzo ważnymi elementami całego systemu, bowiem przyczyniają się do znaczącego wydłużenia czasu eksploatacji modułu kogeneracyjnego. Wykroplony kondensat jest automatycznie odpompowywany do wtórnej komory fermentacyjnej. W czasie nadprodukcji biogazu, związanej np. z konserwacją modułu kogeneracyjnego, nadmiar biogazu spalany jest w pochodni. Maksymalny przepływ gazu wynosi 500 m3/godzinę. Pochodnia spala biogaz całkowicie pokrywającym ją płomieniem i włącza się automatycznie reagując na poziom biogazu w zbiorniku magazynowym. Biogaz spala się w temperaturze ok. 800 – 850°C.
Zastosowanie tego urządzenia pozwala uniknąć emisji metanu do atmosfery.


Moduł kogeneracyjny

Moduł kogeneracyjny to urządzenie, które spalając biogaz produkuje energię elektryczną i ciepło (jednocześnie). Niezawodna praca tego urządzenia jest podstawą przychodów, jakie generuje biogazownia, stąd zalecane jest stosowanie urządzeń najwyższej jakości oraz wykonywanie okresowych przeglądów nie tylko w okresie gwarancji, ale przez cały czas pracy biogazowni. Moc elektryczna modułu kogeneracyjnego to 1200kW, zaś moc cieplna 1255kW. Sprawność elektryczna modułu wynosi do 42,1%. Ciepło odbierane z modułu kogeneracyjnego ma parametry wody grzewczej 90/70, jednak część ciepła (około 50%) może być odbierana w temperaturze 150°C lub wyższej.
Standardowo każdy moduł kogeneracyjny jest zabudowany w kontenerze lub w budynku wyposażonym w dmuchawę do zwiększania ciśnienia gazu, detektory przeciwpożarowe wewnątrz kontenera lub budynku, szafę sterującą oraz zewnętrzną chłodnicę wentylatorową. Moduł kogeneracyjny posiada ponadto oprogramowanie umożliwiające zdalną kontrolę parametrów pracy urządzenia, zarówno przez operatora, właściciela biogazowni jak i autoryzowany serwis. Emisja gazów spalinowych i skład spalin są zgodne z europejskimi standardami oraz z polskimi regulacjami i wymaganiami środowiskowymi. Poziom emitowanego hałasu odpowiada stosownym normom. Ponadto istnieje możliwość zastosowania dodatkowego wyciszenia pracy modułu kogeneracyjnego. Cały zakres projektu związany z bezpieczeństwem tej instalacji jest opracowany zgodnie z niemieckimi regulacjami bezpieczeństwa dla biogazowni rolniczych oraz polskimi przepisami dotyczącymi BHP i ochrony przeciwpożarowej.
Biogazownia zużywa na swoje utrzymanie ok. 7-8% wytworzonej energii elektrycznej. Reszta energii elektrycznej może być sprzedawana do Zakładu Energetycznego lub wykorzystana do innych celów. 15 – 20% wytworzonego ciepła służy do utrzymania stałej temperatury w komorze fermentacyjnej poprzez wewnętrzny rurociąg ciepłowniczy i wymiennik ciepła. Nadwyżka ciepła może być wykorzystana do różnych procesów technologicznych poza biogazownią, ogrzewania lub produkcji chłodu. Jeśli nie jest możliwe wykorzystanie całego ciepła jego nadmiar jest usuwany za pomocą chłodnicy.


Odsiarczanie biogazu

Zawartość siarkowodoru w biogazie (H2S) jest uzależniona od substratów wsadowych. Jego obecność jest odpowiedzialna za korozję w silniku gazowym. W opisywanej koncepcji biogazowni biogaz jest odsiarczany za pomocą prostej metody mikrobiologicznej. Określona objętość powietrza jest tłoczona do komory fermentacyjnej. Mikroorganizmy wykorzystują tlen w reakcjach metabolicznych i wydzielają czystą siarkę. Jest ona wytrącana jako cienka żółta warstwa w górnej części zbiornika nad przefermentowanym substratem. W tej postaci siarka jest zupełnie nieszkodliwa. Ta metoda odsiarczania jest wystarczająca dla redukcji H2S pomiędzy 1.000 a 2.000 ppm ze skutecznością 80-90%. Jest to uzależnione od dostawcy agregatu kogeneracyjnego. W Niemczech 99% biogazowni jest wyposażonych w ten prosty i efektywny system odsiarczania. Czasem konieczne jest zastosowanie innych metod desulfuryzacji z powodu wyższych zawartości siarki.


Kontrola, pomiary, sterowanie

Praca urządzeń biogazowni oraz przebieg procesu fermentacji podlega ciągłej kontroli. Biogazownie są wyposażone w różnorodne urządzenia pomiarowe. Na przykład w komorze fermentacyjnej są zastosowane urządzenia służące do pomiaru temperatury i poziomu fermentującego substratu. Wszystkie zamknięte zbiorniki są wyposażone we wskaźniki poziomu cieczy. Kompresory i pompy są kontrolowane przez urządzenia pomiarowe ciśnienia. Istotne punkty węzłowe instalacji wyposażone są w kontrolę zamknięcia / otwarcia zaworów. Produkowany biogaz jest na bieżąco poddawany analizie składu oraz kontrolowana jest jego ilość. Stan wypełnienia zbiornika biogazu jest monitorowany.

Wiele lat doświadczeń i szereg wykonanych instalacji skłania do wyciągnięcia następujących wniosków:
  • Instalowanie tak wielu mierników jak to możliwe nie zwiększa bezpieczeństwa i niezawodności instalacji. Znacznie lepszym i pewniejszym rozwiązaniem jest zastosowanie kilku bardzo wytrzymałych urządzeń dobranych ściśle do wymagań konkretnej instalacji. W tym wypadku często mniej znaczy lepiej. Wszystkie bardzo zaawansowane ale i wrażliwe urządzenia zawodzą w specyficznym środowisku, jakim jest fermentująca biomasa. Tylko urządzenia rzeczywiście bardzo odporne na warunki zewnętrzne mogą działać bezawaryjnie i przez długi czas dostarczać wiarygodnych wyników pomiarów.
  • Jeśli badane są jakieś parametry, urządzenia pomiarowe muszą być wysokiej jakości. Wiarygodność ich wskazań ma kluczowe znaczenie dla interpretacji wyników. Typowym przykładem zastosowania układu kontrolnego jest regulacja temperatury wewnątrz komór fermentacyjnych – pierwotnych i wtórnej. W tych zbiornikach stosuje się automatyczny pomiar temperatury w celu ochrony flory bakteryjnej przed dużymi wahaniami temperatury. W przypadku, gdy temperatura jest za niska automatycznie zaczyna działać pompa i pompuje fermentującą ciecz poprzez wymiennik ciepła. Gdy temperatura osiągnie właściwy poziom, wskaźnik przekazuje informację do układu sterowania i pompa jest automatycznie wyłączana.
    Wiele lat doświadczeń wskazuje, że bardzo ważne jest, aby mieć prosty, ale niezawodny system pomiarowy. Urządzenia stosowane w naszych projektach wielokrotnie potwierdziły swoją jakość w innych biogazowniach. Wszystkie istotne parametry pracy biogazowni są mierzone. Wyniki pomiarów są przesyłane do szafy sterowniczej. Nadzoruje ona działanie wszystkich urządzeń biogazowni, dzięki temu wiele kluczowych operacji jest dokonywanych automatycznie.
    Praca szafy sterującej działaniem układu technologicznego biogazowni jest prowadzona w trybie ciągłym. Jednym z istotnych wskazań jest kontrola poziomu wypełniania biogazem zbiornika magazynowego. Urządzenia sterujące optymalizują pracę modułów kogeneracyjnych tak, aby biogaz był wykorzystany a produkcja energii ciągła i stabilna.
    W przypadku komunikatów o błędach system automatycznie powiadamia Operatora poprzez telefon komórkowy. Ułatwia to nadzór nad biogazownią. Warto w tym miejscu podkreślić, że dzięki zastosowaniu odpowiednich urządzeń kontrolno – pomiarowych oraz systemu monitoringu i powiadamiania nie ma potrzeby ciągłej obecności operatora na biogazowni. Praca ludzi ogranicza się do codziennego obchodu zabudowań biogazowni, kontroli parametrów pracy urządzeń oraz zapełnienia zasobnika podajnika substratu.

Copyright 2012 | CHP Energia Sp. z o.o. | Polityka prywatności
Stronę wykonał
Piotr Trzciński