POZYSKIWANIE I ENERGETYCZNE WYKORZYSTANIE BIOGAZU Z BIOGAZOWNI ROLNICZYCH.pdf

Jacek KALINA, Janusz SKOREK

Zakład Termodynamiki i Energetyki Gazowej

Instytut Techniki Cieplnej,

Politechnika Śląska w Gliwicach

Jan CEBULA

Instytut Inżynierii Wody i Ścieków,

Politechnika Śląska w Gliwicach

Ludwik LATOCHA

POZYSKIWANIE I ENERGETYCZNE WYKORZYSTANIE

BIOGAZU Z BIOGAZOWNI ROLNICZYCH

1. Wprowadzenie

Wykorzystanie biogazu z biogazowni rolniczych może stać się jedna z gałęzi krajowej

energetyki rozproszonej. Biogaz fermentacyjny doskonale nadaje się do zasilania urządzeń

energetycznych, o czym świadczą bogate doświadczenia krajów Unii Europejskiej. Dla

przykładu w Niemczech w ciągu 15 lat powstało około 2000 (dane na rok 2002) biogazowni

rolniczych oraz instalacji energetycznego wykorzystania biogazu. W Chinach i Indiach liczba

reaktorów na odpady pochodzenia zwierzęcego i roślinnego sięga kilku milionów [9].

Wytwarzanie biogazu może być traktowane zarówno jako proces pozyskania paliwa

gazowego jak i proces utylizacji rożnego rodzaju odpadów organicznych. Jednym z

surowców do wytwarzania biogazu jest obornik uzyskiwany z hodowli zwierząt. Obornik

wykorzystywany bezpośrednio do nawożenia gleb powoduje wydzielanie się do atmosfery

metanu, gazu powodującego tzw. efekt cieplarniany. W procesie fermentacji obornika

wydzielany biogaz stanowi natomiast źródło wartościowego paliwa oraz użytecznego

nawozu, o poprawionych właściwościach w aspekcie przydatności do nawożenia gleb. Często

dla zwiększenia wydajności instalacji obornik mieszany jest z biomasą roślinną, zwierzęcą

oraz innymi odpadami organicznymi.

Problematyka pozyskania i wykorzystania biogazu do celów energetycznych oraz

rozwoju biogazowni rolniczych jest szeroka. Obejmuje ona zagadnienia takie jak:

- pozyskanie biomasy,

- transport, magazynowanie i przygotowanie biomasy,

- opracowanie technologii fermentacji w zależności od typu i składu wsadu,

- dobór optymalnych parametrów procesu, ocena wydajności i kosztów pozyskania

biogazu,

- ocena zmienności podaży biogazu w czasie,

- analiza składu i właściwości biogazu,

- opracowanie technologii oczyszczania biogazu,

- analiza możliwości wykorzystania wytwarzanych nośników energii w miejscu instalacji i

poza nim; możliwe typy i konfiguracje układów, dobór i analiza parametrów pracy

urządzeń,

- aspekty środowiskowe,

- zagospodarowaniem pozostałości poreakcyjnych,

- analiza efektów ekonomicznych lokalnych i globalnych ,

- regulacje prawne i inne.

W pracy przedstawiono podstawowe uwarunkowania związane z produkcją z

energetycznym wykorzystaniem biogazu w warunkach rolniczych.

2. Pozyskiwanie biogazu

Biogaz jest gazem fermentacyjnym powstałym w wyniku aktywności metanogennych

bakterii beztlenowych, powodujących rozkład substancji organicznej. Głównym składnikiem

biogazu jest metan CH 4 i dwutlenek węgla CO 2 . Pozostałe składniki biogazu to azot N 2 oraz

śladowe ilości siarkowodoru H 2 S oraz amoniaku NH 3 (przy prawidłowej eksploatacji

bioreaktora). Zawartość metanu w biogazie zawiera się w szerokich granicach: 42% do 85%.

Można przyjąć średnie wartości: 65% CH 4 i 35% CO 2 .

Pozyskiwanie gazów palnych na drodze fermentacji metanowej jest najbardziej

rozpowszechnione w rolnictwie, oczyszczalniach ścieków, wysypiskach odpadów i innych

obszarach, w tym w specjalnie projektowanych biogazowniach.

Fermentacja metanowa prowadzona jest w zamkniętych komorach fermentacyjnych bez

udziału tlenu. Biogaz uzyskiwany w wyniku fermentacji metanowej charakteryzuje się

różnym składem i właściwościami w zależności od wielu czynników, z których jako

najważniejsze można wymienić początkowy skład substancji organicznej, wilgotność

substancji organicznej, postać wsadu (stała, ciekła, półciekła), temperaturę, ciśnienie oraz

rodzaj zastosowanej technologii komory fermentacyjnej.

W procesie beztlenowego rozkładu substancji organicznej w komorze fermentacyjnej

wyróżnić można cztery fazy:

- hydroliza – uwodnienie wielocząsteczkowych związków organicznych;

- faza kwaśna – produkcja kwasów organicznych alkoholi i aldehydów;

- faza oktanogenna – produkcja lotnych kwasów tłuszczowych,

- faza metanogenna – rozkład lotnych kwasów tłuszczowych do CH 4 i CO 2 .

Jak wskazują badania, proces fermentacji metanowej nie zapewnia całkowitej konwersji

substancji organicznej. Nawet do 50 % substancji organicznej zawartej we wsadzie nie ulega

konwersji do biogazu [1]. Substancja ta stanowi pozostałość procesu, która w przypadku

fermentacji odpadów pochodzenia zwierzęcego i roślinnego, może zostać wykorzystana do

nawożenia gleb.

Procesy metanogenne zachodzą w przyrodzie w temperaturze od 4 do 98 O C [2].

Optymalne, w aspekcie technologii produkcji biogazu, zakresy temperatury przedstawiają się

jednak następująco:

- 20 – 25 O C zakres aktywności bakterii psychofilnych,

- 35 – 37 O C zakres aktywności bakterii mezofilnych,

- 55 – 60 O C zakres aktywności bakterii termofilnych.

Dla uzyskania wysokiej wydajności procesu wydzielania metanu wymagane jest

zapewnienie następujących czynników:

- brak tlenu w komorze fermentacyjnej,

- brak metali ciężkich lub antybiotyków, mogących hamować proces fermentacji;

- pH powinno wynosić ok. 6.6 do 7.6,

- odpowiednie stężenie substancji, koniecznych dla właściwego wzrostu bakterii

anaerobowych (azot, fosfor i potas),

- zapewnienie odpowiedniej temperatury procesu.

Dla utrzymania odpowiedniej temperatury procesu konieczne jest ogrzewanie reaktora.

W badaniach laboratoryjnych przy fermentacji termofilowej około 13 – 15 % energii

chemicznej uzyskanego biogazu zużywane jest do ogrzewania wsadu. Uwzględniając

rzeczywiste warunki otoczenia, w klimacie polskim należy spodziewać się zużycia energii na

poziomie 25 – 50 % [2]. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta szybkość konwersji biomasy

oraz spada stabilność procesu.

W celu podgrzewania wsadu stosowane są zwykle zewnętrzne źródła ciepła jak np. kotły

wodne. Często zasilane są one biogazem wydzielonym w procesie. Dla prawidłowego

przebiegu procesów biochemicznych konieczne jest również mieszanie osadu poddawanego

fermentacji.

Wydajność procesu fermentacji jest różna, w zależności od konstrukcji komory

fermentacyjnej, składu odpadów i innych czynników. Przy wytwarzaniu biogazu z substancji

roślinnej średnia wydajność procesu wynosi ok. 0.24 m n 3 metanu na kilogram suchej biomasy.

W tablicy 1 przedstawiono przykładowe ilości biogazu uzyskiwanego w procesie fermentacji

odpadów roślinnych, zwierzęcych oraz osadów z oczyszczalni ścieków.

Tabela 1. Uzyski biogazu z komór fermentacyjnych w procesie przetwarzania odpadów

roślinnych, odchodów zwierzęcych i osadów z oczyszczalni ścieków [7]

Rodzaj odpadów

Czas wytwarzania

biogazu,

dni

Ilość biogazu wytworzona w

ciągu 26 dni,

m 3 /kg suchej masy odpadów

Słoma rzepakowa

109

0.184

Łodygi i liście ziemniaczane

107

0.171

Liście buraczane

0.418

Trawa

0.427

Słoma pszenicy

0.206

Słoma żyta

0.252

Odchody trzody

0.203

Odchody bydła

121

0.159

Osady z oczyszczalni ścieków

118

0.175

Dużą popularnością cieszą się biogazownie instalowane na farmach hodowlanych. Są one

zasilane obornikiem lub gnojowicą, które zwierają już kultury bakterii niezbędne do

zainicjowania procesu fermentacji metanowej. Najczęściej biogazownie instalowane są przy

hodowlach krów, świń oraz drobiu. Wybór technologii pozyskania biogazu zależny jest tu

głownie od wielkości hodowli oraz konsystencji wsadu do reaktora. Na rysunku 1

przedstawiono wydajność procesu uzyskiwaną w instalacjach amerykańskich na farmach

hodowli krów [13].

1800

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

100 200 300 400 500 600 700 800

Ilość szuk bydła

Rys. 1. Ilość pozyskiwanego biogazu w zależności od wielkości hodowli

Jak do tej pory w Europie stosowane są 3 rodzaje reaktorów fermentacyjnych [9]:

- małe stalowe reaktory poziome o objętości 50 – 150 m 3 ,

- średniej wielkości betonowe reaktory pionowe o objętości 500 – 1500 m 3 i zdolności

przerobowej ok. 10000 m 3 wsadu/rok,

- duże pionowe reaktory stalowe o objętości 1000 – 5000 m 3 i zdolności przerobowej

ok. 90000 m 3 wsadu/rok.

W Stanach Zjednoczonych i krajach azjatyckich instalowane są ponadto reaktory

przepływowe tłokowe bez mieszania wsadu (plug flow digester), reaktory zbiornikowe dla

odpadów ciekłych oraz reaktory lagunowe (covered lagoon) [13]. Te ostatnie, ze względu na

brak wymuszonego podgrzewania wsadu, znajdują zastosowanie jedynie w rejonach o

ciepłym klimacie.

Coraz częściej również spotykane są w świecie reaktory charakteryzujące się prostą

konstrukcją, zapewniającą niski koszt budowy i obsługi instalacji. Są to zwykle rękawy z

nieprzepuszczalnej folii lub przykryte pryzmy czy zbiorniki, a także szczelne kontenery

stalowe, do których ładowane są otwarte skrzynie wypełnione biomasą.

3. Biogaz jako paliwo

O przydatności jako paliwa do zasilania urządzeń energetycznych decyduje szereg

właściwości, z których najważniejsze to:

- wartość opałowa,

- wartość liczby Wobbego,

- wysoka odporność na spalanie detonacyjne (stukowe),

- odpowiednia prędkość spalania mieszanki paliwowo – powietrznej,

- niska zawartość zanieczyszczeń i inne.

Istotnym parametrem charakteryzującym własności użytkowe gazu pod kątem

wykorzystania go w danych urządzeniach energetycznych jest tzw. liczba Wobbego. Określa

ona również możliwość zamiennego stosowania różnych paliw gazowych. Jest wielkością o

wymiarze takim samym jak wartość opałowa i ciepło spalania, a wyraża się ją następująco:

(1)

gdzie: W g – ciepło spalania, ρ g – gestość gazu, ρ p – gęstość powietrza

Wartość opałowa biogazu mieści się w przedziale 18 - 24 MJ/m n 3 . Przykładowy skład i

właściwości biogazu przedstawiają się następująco [10]:

- udziały molowe: CH 4 0.55 – 0.70; CO 2 0.30 – 0.45; N 2 0 – 0.02; H 2 S ~500 ppm; NH 3

~100 ppm,

- wartość opałowa W d = 23.3 MJ/m n 3 ,

- gęstość ρ = 1.16 kg/m n 3 ,

- liczba metanowa ~135,

- liczba Wobbego 27.3,

- wilgotność względna φ = 100%,

- adiabatyczna temperatura spalania 1911 O C.

Biogaz wykorzystywany jest głównie jako paliwo, którego zastosowania są szerokie

począwszy od zaspokajania prostych potrzeb bytowych po wytwarzanie energii elektrycznej.

W przypadku dużych centralnych biogazowni możliwe jest wykorzystanie biogazu jako

paliwa systemowego [10]. W małych układach rolniczych zwykle gaz zużywany jest lokalnie.

4. Wykorzystanie biogazu do celów energetycznych

Biogaz może być spalany w urządzeniach kuchennych, w kotłach, w suszarniach i innych

urządzeniach. Jak pokazują jednak doświadczenia krajów europejskich, w większości

przypadków prowadzone jest skojarzone wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej w

gazowych modułach kogeneracyjnych. Związane jest to głównie z możliwością

odprowadzenia (sprzedaży) nadwyżek energii elektrycznej do sieci zewnętrznej. Typowy

schemat instalacji pokazano na rysunku 2.

Rys. 2. Uproszczony schemat instalacji wykorzystania biogazu do produkcji energii

elektrycznej (1 – zbiornik wsadu; 2 – reaktor, 3 – zbiornik biogazu, 4 – gazowy moduł

kogeneracyjny, 5 – zbiornik pozostałości pofermentacyjnych)

Biogaz może być również stosowany jako źródło energii pierwotnej dla systemów

chłodniczych. Możliwość taką stwarzają systemy zbudowane z wykorzystaniem zasilanych

ciepłem chłodziarek absorpcyjnych. Urządzenia te mogą być bezpośrednio opalane gazem lub

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: