Problemy technologiczne, eksploatacyjne i sterowanie pracą

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 1m3
około 2,1 kWh energii elektrycznej (przy zakładanej sprawności układu
33%) oraz 5,4 kWh ciepła (przy zakładanej sprawności układu 85%),
wartość opałowa 1m3 biogazu jest porównywalna z 0,93 m3 gazu
ziemnego, 1 dm3 oleju napędowego lub 1,75 kg węgla kamiennego,
biogaz spala się jasnoniebieskim płomieniem i jest około 20 razy lżejszy
od powietrza.
SKŁADNIK
ZAWARTOŚĆ
metan (CH4)
50-75%
dwutlenek węgla (CO2)
25-45%
siarkowodór (H2S)
20-20 000 ppm
wodór (H2)
<1%
tlenek węgla (CO)
0-2,1 %
azot (N2)
<2 %
tlen (O2)
<2 %
inne
śladowe ilości
4
Fermentacja metanowa
5
Warunki prowadzenia procesu
fermentacji metanowej
a) Temperatura:
•
•
•
Fermentacja mezofilna 35-45oC / 15-30 dni
Fermentacja termofilna 55o - 60oC/ 12-14 dni
Fermentacja psychrofilna 10-25oC
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.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
zbiornik przygotowawczy na substraty ciekłe/zasobnik na substraty stałe,
zespół pomp, orurowania i podajników dozujących substraty,
komora/komory fermentacyjne wyposażone w systemy grzewcze,
mieszające oraz odpowiedniej wielkości zbiornik magazynowy na ciecz
przefermentowaną,
system monitorowania i sterowania procesem fermentacji metanowej w
biogazowni,
komora fermentacyjna przykryta szczelną membraną tworzącą zbiornik
biogazu oraz system do jego osuszania i odsiarczania,
pochodnia awaryjna na biogaz, bezpieczniki cieczowe nadciśnieniowe,
instalacja elektryczna i układ kogeneracyjny,
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
Precyzyjne sterowanie biogazownią
4,5
Analiza FOS/TAC w fermentorach
FOS/TAC F1
FOS/TAC F2
FOS/TAC Końcowa komora
4
FOS/TAC
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 H2S hamuje proces
fermentacji metanowej,
• wysokie stężenie H2S 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