andrzej curkowski instytut energetyki odnawialnej
Post on 05-Oct-2021
6 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Regionalny warsztat szkoleniowo-informacyjny w ramach projektu
„Biogazownia-przemyślany wybór”
“Podstawowe informacje na temat technologii
wytwarzania biogazu rolniczego ”
Andrzej Curkowski
Instytut Energetyki Odnawialnej
Świętokrzyskie Centrum Innowacji i Rozwoju Technologii,
4 marca 2014 r
Fermentacja metanowa - beztlenowy rozkład substancji organicznych do związków prostych (m.in. CH4, CO2, H2)
WARUNKI BEZTLENOWE
CXHYOZ CH4 + CO2 +inne śladowe + BIOMASA ZWIĄZKI ORGANICZNE BIOGAZ MASA POFERMENTACYJNA
Podstawowe cechy i warunki procesu:
- 4 fazowy proces realizowany przez bakterie beztlenowe oraz względnie beztlenowe (fakultatywne),
- Zakres temperatur: psychorfilowy 22°C, mezofilowy 35°C, termofilowy 55°C,
- Zakres pH: 6,8-7,4,
- Czas retencji (przebywania w komorze) 15-80 dni (w zależności od substratów),
- Mieszanie zapewniające jednolite warunki procesu w całej objętości zbiornika,
- Substraty: substancje organiczne -białka, węglowodory i tłuszcze,
- Produkty: biogaz + masa pofermentacyjna o własnościach nawozowych.
Fermentacja metanowa – idea procesu
Źródło: opracowanie własne IEO
Mechanizm powstawania biogazu
Biogazownia – „betonowa krowa”
Fermentacja jest procesem naturalnie zachodzącym w układzie pokarmowym zwierząt
Źródło: opracowanie własne IEO
Białka
Węglowodany
Tłuszcze
Faza procesu Hydroliza
Kwasogeneza (acidogenaza)
Octanogeneza (acetogeneza)
Metanogeneza
Bakterie
Fakultatywne (względne) beztlenowce
Fakultatywne (względne) beztlenowce, bakterie octanowe
Bakterie octanowe i metanogenne
Bakterie metanogenne
Substancje rozkładane i produkty rozkładu
aminokwasy, alkohole, wyższe kwasy tłuszczowe, cukry proste
kwasy karboksylowe (gł. walerianowy, mrówkowy i propionowy), alkohole, ketony, aldehydy, CO2, H2
kwas octowy (octan), CO2, H2
CH4, CO2, H2
Całkowita i jednostkowa produktywność biogazu
z poszczególnych substratów
Całkowita produktywność biogazu [m3/kg s.m]
- maksymalny możliwy uzysk biogazu z jednostki suchej masy,
- maksimum miedzy 14 a 21 dniem trwania procesu.
Źródło: From lab scale to full scale biogas plants, R. Farina – A. Spagni, EuroBioRef Summer School 2011
Jednostkowa produktywność biogazu [m3/m3*d]
- dynamika produkcji biogazu w odniesieniu do produkcji całkowitej,
- najbardziej dynamiczny rozkład substancji organicznych w ciągu pierwszych 5-8 dni
- po osiągnięciu maksimum wydajność procesu stopniowo się zmniejsza.
Dynamika procesu fermentacji
Proces fermentacji przebiega w trzech zakresach temperatur:
Zakres temperatur Temperatura Czas trwania Zastosowanie
psychrofilowa 10-25 °C 70–80 dni instalacje w Afryce i krajach azjatyckich
mezofilowa 32-42 °C ok. 30 dni większość instalacji biogazowni rolniczych w Europie
termofilowa 52-57 °C 15-20 dni stosowana m.in. do bioodpadów pochodzenia komunalnego oraz z przemysłu rolno-spożywczego
Źródło: opracowanie własne IEO
• Wybór temperatury procesu – determinuje m.in. parametry technologiczne, właściwości przetwarzanych substratów,
• Wyższa temperatura procesu
- większa aktywność bakterii
- większa wydajność fermentacji,
- większa produkcja metanu,
- krótszy czas retencji,
- spadek zapotrzebowania na czynną objętość zbiornika fermentacyjnego,
- konieczność precyzyjnego sterowania.
• Opłacalność produkcji biogazu na skalę przemysłową - fermentacja mezofilowa i termofilowa,
• Fermentacja psychrofilowa – instalacje przydomowe w Azji i Afryce,
Produktywność biogazu poszczególnych
substratów rolniczych Źródło: Biogaz Inwest 2012
[m3 CH4/t s m.o.]
Zawartość metanu w biogazie :
• Gliceryna spożywcza: 50%
• Kiszonka kukurydzy: 52%
• Odchody kurze: 55%
• Obornik bydlęcy: 55%
• Gnojowica świńska: 60%
• Mleko tłuste: 63%
• Tłuszcze zwierzęcy z separatora, 68%
• Tłuszcz po frytkach 68%
Opcje technologiczne biogazowni rolniczych
Źródło: opracowanie własne IEO
Instalacje do produkcji biogazu rolniczego mogą się różnić pod względem:
• rodzaju i właściwości stosowanych substratów,
• doboru elementów ciągu technologicznego,
• sposobu wykorzystania biogazu (ciepło, kogeneracja biometan),
Zasada działania biogazowni rolniczej i
główne procesy technologiczne
Źródło: Xergi AS
• Fermentacja mokra – dla wsadu do zawartości max. 16 % suchej masy zapewniona jest możliwość pompowywania do komory fermentacyjnej,
• Komory fermentacyjne – zbiorniki o kształcie pionowego lub poziomego walca, posiadające :
- betonowe dno,
- stalowe lub betonowe ściany,
- gazoszczelne zadaszenie,
- uzbrojone w armaturę dostarczania substratu i odprowadzania masy pofermentacyjnej.
- system mieszania,
- wymienniki ciepła,
• Właściwy przepływ i cyrkulację substratu w komorze zapewnia system mieszadeł.
• Napełnianie komory może być rozwiązane poprzez przepływ tłokowy lub ciągły (najprostsze konstrukcje).
Fermentacja mokra
Źródło: Xergi AS
Źródło: Farm-scale biogas plants, T. Fisher, A.Krieg, Krieg & Fisher Ingenieure GmBH
Źródło: opracowanie własne IEO
Fermentacja sucha (>16% s.m.)
• zastosowanie mieszanek substratów o zawartości suchej masy > 16 %,
• optymalne rozwiązanie jeżeli brak wystarczającej ilości gnojowicy do rozcieńczania,
• proces prowadzony w kilku oddzielnych komorach fermentacyjnych, co stabilizuje ilość wytwarzanego biogazu,
• biomasa jest zraszana płynem perkolacyjnym, poprawiającym dostępność substancji organicznej dla bakterii.
Źródło: http://www.bekon.eu/waste-to-energy.html
Źródło: http://www.smartferm.com/en/the-system.html?no_cache=1
Źródło: opracowanie własne IEO
Sposoby napełniania zbiornika
fermentacyjnego Napełnianie nieciągłe (wsadowe)
• zmienna ilość i jakość produkowanego biogazu,
• równomierność produkcji biogazu zwiększa zastosowanie zbiorników wymiennych,
Napełnianie częściowo ciągłe
• zwiększa równomierność produkcji biogazu,
• spada zapotrzebowanie składowania materiału wsadowego,
Napełnianie ciągłe-przepływowe
• wzrasta równomierność produkcji biogazu,
• dobre wykorzystanie pojemności fermentora,
• ryzyko odpływu części nieprzefermentowanego substratu, - konieczność zapewnienia efektywnego systemu mieszania
Napełnianie mieszane
• fermentacja także w zbiorniku pofermentacyjnym,
• większa równomierność wytwarzania biogazu ,
• wydajność wykorzystania substratu.
Źródło: http://agroenergetyka.pl
Zalety rozdziału fazy kwaśnej i metanogennej w procesie dwustopniowym:
• skrócenie czasu trwania fermentacji,
• zwiększenie stopnia rozkładu substancji organicznej do 60-80%, stworzenie optymalnych warunków dla powstawania kwasów w fazie kwaśniej pozwala na większą redukcję suchej masy,
• stworzenie optymalnych warunków do rozwoju mikroorganizmów w poszczególnych fazach procesu, większa stabilność procesu i mniejsze problemy z powstawaniem piany,
• wyższy uzysk biogazu.
Źródło: BARIŞ ÇALLI, Anaerobic Treatment, Chapter 8 Anaerobic Sludge Digestion, Marmara University, Faculty of Engineering, Environmental Engineering Department, 2011
Fermentacja jednostopniowa
lub wielostopniowa
Źródło: opracowanie własne IEO
Produkcja energii elektrycznej i ciepła
w układzie kogeneracyjnym Wartość kaloryczna:
• biogazu: ok. 6 kWh/m3,
• metanu: ok. 10 kWh/m3,
Sprawność agregatu CHP:
• cieplna: 40-do 55%,
• elektryczna: 30- do 44 % (wyższa dla jednostek większych),
• sprawność układu ok. 85 %,
Czas pracy agregatu w ciągu roku:
• 7.500-8.300 godz./r, średnio 8.000 godz./r,
• dyspozycyjność urządzenia na poziomie 85-95%,
Źródło: IEO
Źródło: opracowanie własne IEO
Ilość wyprodukowanego ciepła brutto i netto
• całkowita produkcja brutto, pomniejszona jest o zużycie na potrzeby własne (ciepło technologiczne): 25-40% całkowitej produkcji ciepła,
Ilość wyprodukowanej energii elektrycznej brutto i netto
• całkowita produkcja brutto pomniejszona jest o zużycie na potrzeby własne - średnio ok. 9% wyprodukowanej energii elektrycznej na potrzeby technologiczne: mieszadła, pompy, układ sterowania, oświetlenie.
Wydzielone sieci biogazu
Produkcja biometanu z biogazu
• ograniczone możliwości wykorzystywania ciepła na terenach wiejskich,
• możliwości gromadzenia zapasów biogazu w specjalnych zbiornikach ograniczone są do kilkunastu dni,
• 1 możliwość: przesył siecią gazową do miejsc, gdzie biogaz może być wykorzystany do produkcji energii elektrycznej i ciepła w agregatach kogeneracyjnych,
• Instalacje demonstracyjne wydzielonych sieci wiejskich w Austrii.
• 2 możliwość: zatłaczanie biometanu do sieci gazu ziemnego.
• Kilkadziesiąt instalacji w Niemczech. Dwie pierwsze inwestycje w Polsce w budowie w Długoszynie (woj. lubuskie) oraz w Sudwie (woj. warmińsko - mazurskie).
Źródło: BIOMETHANE REGIONS , Introduction to the Production of Biomethane from Biogas A Guide for England and Wales
Porównanie składu i właściwości
biogazu i biometanu
Parametr Biogaz Biometan
(oczyszczony biogaz) Gaz ziemny
Metan 45-75% (śr. 60%) 94-99% 93-98%
Dwutlenek węgla 28-45% (śr. 40%) 0,1-4% 1%
Azot <3% <3% 1%
Tlen <2% <1% -
Wodór ilości śladowe ilości śladowe -
Siarkowodór <10 ppm <10 ppm -
Amoniak ilości śladowe ilości śladowe -
Etan - - <3%
Propan - - <2%
Wartość kaloryczna 5,5-7,7 kWh/m3 Śr. 6
kWh/m3 (w zależności od wsadu do biogazowni)
10,2-10,9 kWh/m3 ok. 9-11 kWh/m3
Źródło: opracowanie własne IEO
Technologie uszlachetniania biogazu
W Polsce jakość gazu ziemnego określa:
• PN-C-04752:2002.Jakość gazu w sieci przesyłowej,
• PN-C-04753:2002 Jakość gazu w sieci rozdzielczej,
• Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 6 kwietnia 2004 r w sprawie warunków przyłączenia podmiotów do sieci gazowych (Dz. U. 105 poz.1113).
).
Technologia Efekt Stężenie metanu po procesie
Straty metanu
Adsorpcja zmiennociśnieniowa (PSA)
Adsorpcja CO2 pod ciśnieniem na węglu aktywnym
> 96% 2-4%
Płuczka wodna Rozpuszczenie CO2 w wodzie pod wysokim ciśnieniem
> 96% 1-3%
Chemiczna absorpcja - płuczka aminowa
Chemiczna reakcja CO2 z MEA (monoetanoloamina)
> 99% < 0,1%
Fizyczna absorpcja -wymywanie z zastosowaniem Selexol-®, Rectisol-®, Purisol®
Rozpuszczenie CO2 w rozpuszczalniku pod wysokim ciśnieniem
> 96% ok. 2%
Separacja membranowa Różna prędkość permeacji molekuł gazowych > 95% ok. 2%
Separacja kriogeniczna Warunki agregacji w zależności od temperatury > 99% -
Źródło: http://biogazownierolnicze.pl/technologia/1419/technologia-uszlachetniania-biogazu
Źródło: opracowanie własne IEO
Zastosowanie biometanu
w transporcie miejskim i taksówkowym
na przykładzie Szwecji
Źródło: http://www.balticbiogasbus.eu/web/Upload/Distribution_of_biogas/Act_5_2/Fuelling%20systems.pdf
Produkcja biogazu Przechowywanie sprężonego gazu
Kompresja
Wolne tankowanie na rampie
Szybkie tankowanie na stacji
Mobilny system przechowywania
Syst
em
dys
tryb
ucy
jny
Dziękujemy za uwagę!
acurkowski@ieo.pl
top related