Biogazownie – Technologia:
Technologia produkcji biogazu oparta jest na procesie beztlenowej (anaerobowej) fermentacji z biomasy charakteryzującej się stosunkową wysoką zawartością suchej masy (wysoka wilgotność). Nie jest to regułą, gdyż postępujący rozwój technik i urządzeń pozwala przystosować biomasę zawierającą nawet spore ilości ligniny i celulozy (np. słomę) do efektywnego przetworzenia do postaci gazowej.
Temperatura procesu fermentacji ustalona jest stosownie do bakterii (mikroorganizmów) rozkładających masę organiczną zawartą w biomasie do postaci gazowej i jest to proces fermentacji mezofilnej/mezofilowej (temp. ok. 38-42°C) lub termofilnej/termofilowej (temp ok 50-54°C).
Technologia fermentacji jest dobrze rozpoznaną i od lat z sukcesem stosowaną na świecie metodą wytwarzania biogazu. Podstawową zaletą tej technologii jest efektywne wykorzystanie biomasy na cele energetyczne (zgazowanie). W procesie beztlenowego rozkładu masy organicznej zawartej w biomasie wytwarza się biogaz – odnawialne źródło energii – oraz płynna bezwonna masa pofermentacyjna. Masa pofermentacyjna posiada właściwości nawozowe mając podwyższoną koncentracją składników mineralnych, dzięki czemu znajduje zastosowanie do nawożenia pól uprawnych. Proces fermentacji odbywa się w hermetycznych zbiornikach nie powodując emisji gazów i substancji ciekłych do otoczenia. Schemat procesu fermentacji przedstawiono na Rys. 1.
Opis technologii dla biogazowni
Rys. 1. Schemat obiegu masy i energii w procesie wytwarzania biogazu z wykorzystaniem fermentacji metanowej.
Najbardziej rozpowszechnionym procesem fermentacji jest fermentacja „mokra”, która ideowo przedstawiono na Rys. 1. W takiej koncepcji procesu mokrej fermentacji, biomasa sypka i/lub płynna trafiająca do zbiornika fermentacyjnego zawiera dostatecznie dużą ilość wody (sama w sobie lub stosownie uzupełnioną poprzez rozcieńczenie) dla jej mieszania i „pompowalności” (przetransportowania za pomocą pomp w infrastrukturze wielu zbiorników procesu fermentacji i magazynowania masy pofermentacyjnej).
Innym mniej rozpowszechnionym sposobem wytwarzania biogazu jest tzw. „sucha” fermentacja, w której biomasa składowana jest w szeregu niezależnych procesowo komorach typu „garażowego” bez mieszania i przepompowywania. Ten rodzaj fermentacji stosuje się głównie do substratów o wysokiej zawartości suchej masy bez możliwości rozcieńczenia (np. traw, słomy, pomiotu ptasiego na ściółce).
Biomasa nakrapiana jest specjalnym perkolatem będącym w obiegu procesu. Po odpowiednim czasie przetrzymania biomasy w komorze (retencji) biomasa jest wyprowadzana zwykle za pomocą ładowarki z zachowaniem podłoża z kulturą bakterii i wprowadzona świeża masa. Ciągłość w produkcji biogazu dobierana jest poprzez liczbę komór oraz cykl ich załadunku i rozładunku. Na Rys. 2 przedstawiono mokrą i suchą fermentację.
Rys. 2. Sucha i mokra fermentacja – widok ogólny.
Proces fermentacji metanowej składa się z szeregu procesów biochemicznych zachodzących bez dostępu tlenu. Biomasa rozkłada się do mniej złożonych substancji. Emitowany w procesie rozkładu biomasy biogaz jest zbierany w szczelnym zbiorniku i transportowany rurociągiem w zależności od dalszego wykorzystania energetycznego do (Rys. 3):
- silnika gazowego będącego zwykle elementem układu kogeneracyjnego lub turbiny gazowej przetwarzającego go na energię elektryczną (i ciepło w przypadku tym pierwszym);
- do sieci dystrybucyjnej gazowej po spełnieniu parametrów jakościowych – tylko biogaz rolniczy w rozumieniu przepisów ustawy o odnawialnych źródłach energii (i dalsze wykorzystanie w celach energetycznych);
- do napędu pojazdów po oczyszczeniu i sprężeniu do CNG/CBG (ok. 20 MPa)
Proces technologiczny produkcji biogazu jest i musi być zaprojektowany w taki sposób, aby obieg masy był zamknięty i nie powodował emisji substancji do atmosfery.
Rys. 3. Energetyczne możliwości wykorzystania biogazu.
Masa po procesie fermentacji jest transportowana rurociągami do zbiornika magazynowego, gdzie składowana jest w okresie nienawożenia.
Biomasa (substraty) wykorzystywane w procesie wytwarzania są przyjmowane na stan magazynowy dla zapewnienia ciągłości karmienia komór fermentacyjnych (dla sypkich: płyty, pryzmy, silosy, hale; dla płynnych: zbiorniki) zanim substrat zostanie podajnikami lub pompami wprowadzony do komory fermentacyjnej. na terenie inwestycji zostaną wybudowane silosy, gdzie wytwarzana będzie kiszonka. Ułożony surowiec przykryty zostanie folią do czasu skonsumowania przez elektrociepłownię. Soki kiszonkowe odprowadzane są do szczelnego podziemnego zbiornika. Odcieki wykorzystane zostaną do procesu wytwarzania biogazu. Kiszonka systematycznie jest wprowadzana za pomocą ładowacza do zbiornika magazynowego wyposażonego w dozownik substratów stałych typu przenośnik ślimakowy i dalej do komory fermentacyjnej.
Płynny substrat jest zwykle przepompowany zaś substraty stałe przetransportowane ślimakowym podajnikiem do komory fermentacyjnej w odpowiednich proporcjach. Znane są również metody mieszania masy wszystkich składników przed wprowadzeniem do komory.
Zasadniczym elementem komory fermentacyjnej (fermentora) jest zbiornik fermentacyjny w kształcie otwartego cylindra (żelbetowy lub stalowy lub z innych wytrzymałych materiałów). Przykrycie zbiornika stanowi gazowo szczelna kopuła, pod którą zbierany jest biogaz. Zbiorniki zwykle są izolowane i chronione blachą. Wyposażone są w mieszadła dla ujednolicenia substratów przyspieszając proces biodegradacji oraz w system ogrzewania dla utrzymania temperatury. Biomasa po przefermentowaniu przetłaczana jest do zbiornika magazynowego.
Pozostała masa pofermentacyjna, która może zostać wykorzystana do nawożenia pól uprawnych przechowywana jest w zamkniętych, nieprzeciekających zbiornikach pofermentacyjnych przez okres nienawożenia, co uniemożliwi uwalnianie się zapachów.
Zbiornik biogazu stanowi dwuwarstwowa elastyczna gazoszczelna kopuła. Składa się ona z membranowego zbiornika montowanego w obudowie ochronnej. Membrana wykonana jest ze specjalnej folii PVC. Obudowa służy do podwieszenia i ochrony zbiornika przed niekorzystnym wpływem czynników atmosferycznych. Obudowa wykonana jest z folii PVC odpornej na promieniowanie UV, wzmocniona dodatkowo tkaniną. Zbiornik wyposażony jest we wskaźniki jego napełnienia i system zabezpieczeń gwarantujących najwyższy stopień bezpieczeństwa eksploatacyjnego.
Biogaz powstały w wyniku fermentacji metanowej surowców pochodzenia rolniczego charakteryzuje się zawartością metanu na poziomie ok. 55%. Pozostałe składniki to głównie CO2 oraz śladowe ilości siarczku wodoru, azotu, tlenu, wodoru powstałe z masy organicznej biomasy (substratów). Oczyszczenie biogazu ze związków H2S ma miejsce jeszcze w czasie jego przebywania w zbiorniku nad komorą fermentacyjną. W sposób kontrolowany dozowane jest powietrze, w którym zawarty tlen biologiczne uwalnia H2S z biogazu. Dalej biogaz szczelnym rurociągiem gazowym schładzany jest w celu wykroplenia z biogazu wilgotności i następnie przez układ zewnętrznych systemów osuszania i filtrów odpowiednio dodatkowo osuszany i oczyszczany ze związków H2S. Następnie biogaz będzie:
- wprowadzony do jednostki wytwórczej silnika gazowego / turbiny gazowej,
- wprowadzony do kotła gazowego do wytwarzania oddzielnie ciepło;
- lub wprowadzony do systemu oczyszczania z CO2 do parametrów jakościowych gazu ziemnego i
- zatłoczony do sieci gazowej dystrybucyjnej,
- sprężony do CNG/CBG i wykorzystany w transporcie.
Zasadniczym elementem układu kogeneracyjnego jest silnik, za pomocą którego spalany jest biogaz. Powstaje energia elektryczna oraz ciepło. Nadwyżka produkowanego ciepła (w stosunku do własnych potrzeb) może zostać wykorzystana lokalnie przez odbiorców końcowych do ogrzewania i/lub procesów technologicznych. Sprawność jednostek wytwórczych wynosi zwykle: elektryczna około 38-41%, cieplna około 40-43%. Generator będący w wyposażeniu układu kogeneracyjnego daje napięcie wyjściowe o wartości 0,4 kV. W celu wyprowadzenia mocy do sieci niezbędny jest transformator do podniesienia napięcia z rozdzielnicami (stacja transformatorowa) i przyłącze do sieci zwykle SN 15 kV stanowiące odcinek między stacją transformatorową a punktem przyłączenia w sieci SN wskazanym w wydanych warunkach przyłączenia do sieci.