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].
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Ilość szuk bydła
Wydajność reaktora, m
3
/dobę
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:
p
g
g
W
k
ρ
ρ
=
(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
mogą wykorzystywać nadwyżki ciepła z urządzeń grzejnych (np. ciepło z układów chłodzenia
silnika).
Na podstawie danych przedstawionych w [13] sporządzono wykres przybliżonej
zależności mocy generatora prądu elektrycznego od wielkości hodowli (rys. 3). Według
niektórych źródeł literaturowych, szacowana moc elektryczna w zależności od wielkości
hodowli jest nieco wyższa od przedstawionej na rysunku 3.
N
el
= 0,134 B
u
0
50
100
150
200
250
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Umowna ilość szuk bydła *
Moc agregatu prądotwórczego, kW
Rys. 3. Moc generatora w funkcji wielkości hodowli (* umowna ilość sztuk bydła B
u
= ilość
krów mlecznych + ilość jałówek/4 + ilość krów zasuszonych/20)
4.1. Zasilanie biogazem tłokowych silników spalinowych
W instalacjach zasilanych biogazem wykorzystywane są najczęściej silniki tłokowe. Mają
na to wpływ następujące czynniki:
- silniki dostępne są w zakresie małych mocy (od ok. 5 kW),
- duża podaż urządzeń przy stosunkowo niskich wymaganych nakładach
inwestycyjnych,
- stosunkowo wysoka sprawność wytwarzania energii elektrycznej, zwłaszcza w
zakresie małych mocy,
- niskie ciśnienie gazu,
- łatwość obsługi i niskie koszty eksploatacji,
- doświadczenie producentów silników w zakresie spalania biogazu,
- duża liczba referencji w postaci istniejących instalacjach.
Najczęściej w instalacjach zasilanych biogazem stosowane są silniki gazowe z zapłonem
iskrowym. Spotykane są również przypadki wykorzystania silników dwupaliwowych z
zapłonem samoczynnym. Zaletą tych rozwiązań jest zwykle możliwość zamiennego
stosowania paliwa, wadą zaś konieczność stosowania dawki paliwa ciekłego nawet w
przypadku zasilania gazem.
Typowe moce elektryczne, zasilanych biogazem zespołów prądotwórczych stosowanych
w rolnictwie mieszczą się poniżej 150 kW. Ma to zwykle związek z ograniczoną podażą
biogazu oraz ze stosunkowo niewielkimi potrzebami własnymi gospodarstw rolnych w
zakresie energii elektrycznej.
W wielu instalacjach, zwłaszcza wykonanych sposobem gospodarskim, spotkać można
przerobione, częściowo wyeksploatowane silniki trakcyjne. Atrakcyjność tego typu rozwiązań
związana jest głównie z niskimi nakładami inwestycyjnymi. W instalacjach większej mocy,
bardziej zaawansowanych technologicznie stosowane są silniki gazowe, projektowane przy
założeniu zasilania biogazem.
Czynnikiem decydującym o zamiennym stosowaniu paliw jest wartość liczby Wobbego,
liczba metanowa i prędkość spalania. W przypadku gdy są one nieodpowiednie, wymagane są
zwykle zabiegi dostosowujące dane urządzenie do spalania dostępnego gazu. Zabiegi te
zwykle związane są ze zmianami stosunku sprężania oraz średniego ciśnienia efektywnego
obiegu a także, w niektórych przypadkach zmianą stopnia homogenizacji mieszanki oraz
energii zapłonu. Zwykle zmiany konstrukcyjne wykonywane są w głowicy silnika co wpływa
na kształt komory spalania. Najprostsze regulacje polegają na zmianie objętości komory
spalania oraz zmiany kąta wyprzedzenia zapłonu. Bardziej skomplikowane związane są ze
zmianami systemu zasilania, odpowiednią turbulencją mieszanki w komorze spalania,
lokalnymi zmianami składu mieszanki w komorze czy wreszcie zwiększeniem ilości świec
zapłonowych. Nie wszyscy producenci oferują urządzenia dostosowane do spalania szerokiej
gamy paliw gazowych, w tym biogazu. Nie mniej jednak silniki tłokowe są stosunkowo
powszechne w instalacjach zasilanych gazami specjalnymi. W wielu przypadkach producenci
oferują modele silników odpowiednio dostosowane do spalania biogazu.
4.2. Zasilanie biogazem turbin gazowych
Jedną z zalet turbin gazowych jest możliwość stosowania różnych paliw od stałych do
gazowych, również o stosunkowo niskiej wartości opałowej [10]. Wadą natomiast jest
stosunkowo niewielka liczba urządzeń dostępnych w zakresie mocy elektrycznej poniżej 1
MW.
Spalanie paliwa w turbinach gazowych ma miejsce w izobarycznych komorach spalania.
Jest to proces ciągły, którego przebieg silnie zależy od składu paliwa. Zmiana składu i
własności fizycznych paliwa wpływa silnie na zjawiska zachodzące w płomieniu a tym
samym na stabilność płomienia, temperaturę i kinetykę spalania, sprawność, akustykę
spalania czy wreszcie na emisję substancji szkodliwych.
Ze względu na fakt, że poszczególne elementy turbiny gazowej poddawane są odrębnemu
procesowi konstrukcyjnemu, a samo urządzenie stanowi jedynie szeregowe ich połączenie,
turbiny gazowe mogą być adaptowane do spalania różnego rodzaju paliw ciekłych i
gazowych.
Przystosowanie turbiny gazowej do spalania danego rodzaju paliwa wiąże się zwykle z
zaprojektowaniem systemu spalania (układ doprowadzenia paliwa, palniki, układ zapłonowy,
komora spalania). W przypadku spalania paliw gazowych czynnikiem wpływającym na
system spalania jest wartość opałowa i liczba Wobbego paliwa.
Wartość opałowa paliwa jest jednym z najważniejszych parametrów paliwa. Wraz ze
zmniejszaniem się wartości opałowej gazu, wymaganych jest coraz więcej prac badawczych i
konstrukcyjnych oraz stosowanie dodatkowego paliwa rozruchowego lub podtrzymującego
[10].
Zmiany wartości opałowej paliwa, jakie są tolerowane przez dany system spalania
wynoszą +/- 10 % [1]. Spotykane są maszyny w których dopuszczalne zmiany wartości
opałowej paliwa mieszczą się w zakresie +/- 20 % [10]. Jednakże przy zmianie wartości
opałowej paliwa większej niż 10 % każdy przypadek jest rozpatrywany indywidualnie, z
uwzględnieniem własności paliwa oraz warunków pracy urządzenia. Standardowo
zaprojektowany system spalania może akceptować zmiany liczby Wobbego w granicach +/-
5 – 10 % [6].
Konstrukcja odpowiedniego palnika jest podstawowym zabiegiem dostosowawczym
turbinę do spalania danego rodzaju paliwa [10]. Zazwyczaj podejście do modernizacji komory
spalania bazuje na przerobieniu istniejącej komory raczej niż zaprojektowaniu i wykonaniu
nowej. Znacznie skraca to czas oraz zmniejsza koszty [6].
Niektóre turbiny gazowe przystosowane są do spalania różnych paliw gazowych. By to
umożliwić stosowane są osobne palniki dla każdego rodzaju paliwa (przeważnie dwa rodzaje)
[6]. Często również spotykane są dwupaliwowe turbiny gazowe zasilane zamiennie paliwem
ciekłym i gazowym. Często przy spalaniu paliw o niskiej wartości opałowej jako paliwo
startowe używane jest paliwo ciekłe, propan lub gaz ziemny. Dopiero po osiągnięciu przez
turbozespół odpowiednich parametrów pracy następuje przełączenie na gaz specjalny.
Dodatkowe paliwo może być również spalane równolegle z paliwem specjalnym. Ma to
często na celu stabilizację płomienia w komorze.
Innymi istotnymi problemami związanym ze spalaniem różnych paliw w turbinach
gazowych są:
- zanieczyszczenie paliwa,
- zanieczyszczenie powietrza w miejscu instalacji (obiekty przemysłowe),
- korozja wysokotemperaturowa,
- osadzanie się cząstek stałych w części turbinowej,
- straty ciśnienia w komorze spalania.
Turbina gazowa jest urządzeniem o stosunkowo wysokich wymaganiach w zakresie
dostawy i czystości paliwa oraz zapewnienia standardów pracy i obsługi. Rozpatrując
możliwość zasilania urządzenia gazem specjalnym, poza nakładami inwestycyjnymi na zakup
zmodyfikowanego urządzenia należy w analizie uwzględnić nakłady na system
przygotowania paliwa i zasilania oraz koszty jego eksploatacji. Przy zasilaniu turbiny
biogazem zwykle wymagane jest oczyszczenie paliwa przed wprowadzeniem do turbiny
gazowej. Niskie ciśnienie gazu powoduje, że przed wprowadzeniem do komory spalania
turbiny gazowej wymagane jest jego sprężenie. Wszystkie wymienione czynniki powodują,
że rozwiązania z turbinami gazowymi charakteryzują się wysokimi nakładami
inwestycyjnymi oraz wysokim kosztem eksploatacji. Stąd też układy z turbinami stosowane
są stosunkowo rzadko.
Ciekawym przykładem instalacji z turbiną gazową może być układ o mocy 4800 kW z
turbiną gazową Taurus 60 [8] (rys. 4). Układ zasilany jest gazem wysypiskowym o wartości
opałowej 16.67 MJ/m
n
3
i liczbie Wobbego 17.62 MJ/m
n
3
. Gaz przed wprowadzenim do
turbiny poddawany jest procesom oczyszczania i sprężania. Po wstępnym oczyszczaniu gaz
jest ochładzany co powoduje wykraplanie wilgoci w nim zawartej. Przed ostatecznym
wprowadzeniem do komory spalania biogaz jest ponownie podgrzewany do temperatury ok.
70
O
C. Stosunkowo rozbudowany system obróbki gazu wysypiskowego ma za zadanie
zapewnienie odpowiedniej jakości paliwa dla turbiny.
Zastosowana w układzie standardowa turbina gazowa Taurus 60 wyposażona została w
specjalnie zaprojektowany system spalania, który wg specyfikacji firmy Solar może być
wykorzystany do utylizacji gazów o wartości liczby Wobbego w zakresie 12.74 – 22.80
MJ/m
n
3
[8].
G
TG
gaz
powietrze
K
O
M
IN
S
S
SK1
SK2
SK3
PG
OG
SO
SO
CHS
PO
SP
System analizy
gazu
S
S
F
F
F
CHW
Rys. 4. Schemat układu z turbiną gazową zasilanego gazem wysypiskowym (SP – separator
początkowy, F- filtr, S – sprężarka gazu, SK1, SK2, SK3 – separatory kondensatu, SO –
separator oleju, CHS – chłodziarka sprężarkowa, CHW – chłodnica wentylatorowa, OG –
ochładzacz gazu, PG – podgrzewacz gazu, PO – pochodnia, TG – turbina gazowa) [8]
Inne rozwiązania układów technologicznych energetycznego wykorzystania biogazu
bazują na:
- mikroturbinach gazowych,
- ogniwach paliwowych,
- silniku Stirlinga.
Na obecnym poziomie rozwoju technologii tych urządzeń oraz przy stosunkowo
niewielkiej podaży, rozwiązania tego typu charakteryzują się wysokimi nakładami
inwestycyjnymi. Jednak niewątpliwie są to technologie przyszłościowe, których możliwość
stosowania należy mieć na uwadze.
5. Instalacja doświadczalna z reaktorem do produkcji biogazu
Pomimo licznych doświadczeń światowych z pozyskaniem i energetycznym
wykorzystaniem biogazu, obecnie w Polsce problematyka podejmowana jest w ograniczonym
zakresie. Odczuwalny jest brak działających biogazowni rolniczych jak również projektów
demonstracyjnych i opracowań na temat możliwości stosowania tej technologii w warunkach
krajowych.
Po analizie informacji literaturowych i wstępnych testach laboratoryjnych podjęto
badania nad opracowaniem technologii biogazowni rolniczej, mogącej znaleźć zastosowanie
polskim rolnictwie. Założenia jakie postawiono przed projektem przedstawiają się
następująco:
- niski nakład inwestycyjny,
- łatwość pozyskania elementów konstrukcyjnych instalacji,
- prostota i niski koszt obsługi,
- brak prac ziemnych, fundamentów, zbiorników betonowych czy stalowych,
- brak części mechanicznych ruchomych (głównie mieszadeł),
- łatwość załadunku i rozładunku,
- zgodność z obowiązującymi w Polsce uregulowaniami prawnymi.
Na odpowiednio przygotowanym (wyrównanym) podłożu ułożono kolejno:
- konstrukcję z belek drewnianych,
- izolację cieplną (styropian),
- taśmy gumowe wraz z uszczelnieniem,
- instalację grzejną,
- pryzmę obornika o wysokości 1.5 m,
- przykrycie z folii nieprzepuszczalnej,
- izolację zewnętrzną (którą położono po wstępnym okresie eksploatacji).
Do reaktora załadowano do 6,5 tony obornika pochodzącego z hodowli świń.
Obornik miał konsystencję stałą (słoma pszenna). Zawartość substancji suchej wynosiła
24,7% (wilgotność 75,3%).
Reaktor uszczelniono wężem gumowym rozprężnym umieszczonym w specjalnie
zaprojektowanym kształtowniku stalowym, otaczającym podstawę pryzmy. Wygląd instalacji
przedstawiono na rysunkach 5 do 7.
Rys. 5. Podstawa reaktora wraz z systemem ogrzewania biomasy
Rys. 6. Załadunek biomasy
Rys. 7. Wygląd reaktora w chwili rozpoczęcia badań
Budowa pierwszej prototypowej instalacji miała na celu zbadanie możliwości
wytwórczych zaprojektowanej wstępnie biogazowni, a w szczególności:
- zmierzenie ilości i składu uzyskiwanego biogazu,
- przetestowanie poszczególnych elementów instalacji,
- zbadanie systemu uszczelnienia reaktora,
- zbadanie efektywności ogrzewania reaktora i rozkładu temperatury w ładunku
biomasy,
- określenie wpływu warunków zewnętrznych na wydajność i skład gazu,
- określenie zakresu niezbędnych modyfikacji instalacji,
- określenie zakresu kolejnych badań.
Wyniki pomiarów wydajności reaktora oraz składu gazu w ciągu pierwszych 2200
godzin pracy przedstawiono na rysunkach 8 do 10.
0
50
100
150
200
250
300
350
0
500
1000
1500
2000
2500
Czas od usypania pryzmy, godziny
Ilość
uzyskanego
biogazu,
m
3
Rys. 8. Całkowita ilość uzyskanego biogazu
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
0
500
1000
1500
2000
2500
Czas od usypania pryzmy, godziny
Średnia dobowa wydajność reaktora, m
3
/dobę
Spadek wydajności związany ze
spadkiem temperatury zewnętrznej
Wzrost wydajności po
zaizolowaniu reaktora
Rys. 9. Średnia dobowa wydajność reaktora
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0
500
1000
1500
2000
2500
Czas od usypania pryzmy, godziny
udziały molowe składników
metan
dwutlenek węgla
tlen
Wielom. (metan)
Rys. 10. Zmienność w czasie udziałów podstawowych składników biogazu
W czasie eksploatacji prototypowej instalacji poczyniono szereg spostrzeżeń oraz
wyciągnięto wnioski, które wykorzystane zostaną przy budowie kolejnego stanowiska
badawczego. Nowy reaktor charakteryzować się będzie rozszerzonym zakresem
pomiarowym. W dalszej perspektywie jest dobór urządzeń energetycznego wykorzystania
biogazu. Celem badań jest:
-
ustalenie optymalnych parametrów geometrycznych i konstrukcyjnych reaktora,
-
ustalenie optymalnych parametrów technologicznych w zależności od czynników
zewnętrznych,
-
określenie wydajności reaktora i składu gazu
-
zbadanie wpływu parametrów technologicznych i zewnętrznych na wydajność reaktora i
skład gazu,
-
dobór urządzeń, konfiguracja i bilanse energii układów przy założeniu zmienności w
czasie zapotrzebowania na energię elektryczną, ciepło i podaży paliwa.
-
obliczenie efektów energetycznych dla możliwych rozwiązań układów,
-
obliczenie efektów ekonomicznych,
-
analiza systemowa (oszacowanie proponowanych technologii pod kątem efektów
ekologicznych lokalnych i globalnych a także lokalnych efektów społeczno-
ekonomicznych).
6. Podsumowanie
Pozyskiwanie biogazu w wyniku fermentacji metanowej niewątpliwie może stać się w
Polsce szeroko stosowaną technologią produkcji cennego paliwa dla potrzeb energetyki
lokalnej, a w tym rolnictwa. W kraju są bowiem do zagospodarowania znaczne ilości
biomasy, odpadów organicznych hodowlanych i technologicznych z rolnictwa i przemysłu
spożywczego. Możliwe są także specjalne uprawy roślin pod kątem ich późniejszego
wykorzystania do produkcji biogazu.
Z drugiej strony, zwiększenie zainteresowania technologiami pozyskiwania biogazu
wymaga licznych działań organizacyjnych, badawczych, legislacyjnych, promocyjnych i
stymulacyjnych. W pierwszej kolejności należy opracować technologie, mogące znaleźć
zastosowanie w warunkach polskich. Należy także przeprowadzić liczne prace studialne nad
możliwymi do uzyskania lokalnymi i globalnymi efektami stosowania biogazownictwa oraz
energetycznego wykorzystania biogazu.
7. Literatura
[1] Boyce M. P.: Gas Turbine Engineering Handbook. Design, Operation, Maintenance.
Gulf Publishing Company, Houston, USA 1995.
[2] Brown A.E., van den Heuvel E.J.: Producer gas quality requirements for IGCC gas
turbine use: a state of the art review. EC-Project EC/AIR: Air-CT-92-0294, MHP, PO
Box 217; 3950 AC. Maarn, The Netherlands. 1996.
[3] Cebula J., Latocha L.: Problemy produkcji biogazu w gospodarstwie wiejskim.
Materiały Ogólnopolskiego Forum Odnawialnych Źródeł Energii. Gdańsk 1998.
[4] Chynoweth D.P., Owens J.M., Legrand M.: Renewable methane from anaerobic
digestion of biomass. Renewable Energy nr 22 (2001)
[5] Cohen H., Rogers G. F. C., Saravanamuttoo.: Gas Turbine Theory. Addison Wesley
Longman Limited, Essex (UK), 1996.
[6] Craig J.D., Purvis C.R. A Small Scale Biomass Fueled Gas Turbine Engine. Journal of
Engineering for Gas Turbine and Power. Vol. 121. Styczeń 1999.
[7] Fabbri R., Mignani N.: Electrical Power Obtained from Burning Landfill Gas Into a
Gas Turbine Generator: Experience After One Year of Operation. Materiały firmy
TUMA Turbomach.
[8] Fechner W., Kotowski W.: Przetwarzanie biogazu z odpadów komunalnych na metanol
do paliw do silników Otta. Przemysł chemiczny. Nr 77/2 (1998).
[9] Fischer T., Krieg A., Bird C.: Planning and construction of biogas plants for solid
waste digestion in agriculture. Materiały firmy Krieg & Fischer Ingenieure Gmbh.
Niemcy.
[10] Foster A.D., Von Doering H.E., Hilt M.B.: Fuels flexibility in heavy-duty gas turbines.
Materiały firmy General Electric. Schenectady, New York.
[11] Giampaolo T.: The Gas Turbine Handbook: Principles and Practices. The Fairmont
Press, Inc. Lilburn, USA 1997.
[12] Jensen J.K., Jensen A.B.: Biogas and natural gas mixture for the future. Materiały
Międzynarodowej Konferencji Biomass for energy and industry. Sevilla 2000.
[13] Mears D.T.: Biogas Applications for Large Dairy Operations: Alternatives to
Conventional Engine-Generators. Cornell Cooperative Extension Association of
Wyoming Count. .Final Edition, Rev. March 7, 2001Mukherjee D.K. Experiences with
unconventional gas turbine fuels. ABB Review. Październik 1995.
[14] Rudkowski M., Wacowski J.: Agregaty prądotwórczo-grzewcze zasilane biogazem.
Materiały I Konferencji Naukowo-Technicznej 2000 „Energetyka gazowa”. Szczyrk,
październik 2000.