POZYSKIWANIE I ENERGETYCZNE WYKORZYSTANIE BIOGAZU Z BIOGAZOWNI ROLNICZYCH.pdf
(
403 KB
)
Pobierz
Jacek KALINA, Janusz SKOREK
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
21
0.418
Trawa
26
0.427
Słoma pszenicy
95
0.206
Słoma żyta
81
0.252
Odchody trzody
16
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
0
0
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:
k
=
W
g
(1)
ρ
g
ρ
p
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:
DagaD91
Inne pliki z tego folderu:
sPlan70 EN Crack + Libraries.rar
(6958 KB)
Zgazowanie biomasy + technologia - Warowny.pdf
(1401 KB)
Zarys efektywnosci malych ukladow kogeneracynych na biomase_Sygit.pdf
(291 KB)
wisconsin_biogas_casestudy.pdf
(2612 KB)
układy kogeneracyjne turbiny gazowe.pdf
(7074 KB)
Inne foldery tego chomika:
3 SEMESTR WSZYSTKO
3 SEMESTR WSZYSTKO(1)
agrometeorologia cz1
agrometeorologia cz2
agrometeorologia cz3
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin