PL233236B1 - Sposób zwiększenia sprawności energetycznej biogazowni oraz układ do zwiększenia sprawności energetycznej biogazowni - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób zwiększenia sprawności energetycznej biogazowni oraz układ do zwiększenia sprawności energetycznej biogazowni.

Proces fermentacji metanowej zachodzący w biogazowniach rolniczych polega na beztlenowym sposobie rozkładu biomasy lub bioodpadów celem uzyskania biogazu (mieszaniny głównie metanu i dwutlenku węgla ze śladowymi ilościami pozostałych gazów, głównie siarkowodoru) oraz pulpy pofermentacyjnej.

Znany jest sposób otrzymywania biogazu z biogazowni typu „NaWaRo” (Nachwachsende Rohstoffe). W Niemczech sposób ten należy do najczęściej stosowanych. W sposobie realizowanym w biogazowni typu „NaWaRo” wykorzystuje głównie kiszonki z takich roślin jak kukurydza, trawa, buraki, natomiast takie substraty jak na przykład gnojowica, ziarno zbóż czy odpady wykorzystywane są w zależności od konkretnych uwarunkowań gospodarstwa. Zgromadzone w zbiornikach wstępnych kosubstraty, takie jak na przykład gnojowica oraz kiszonki po ich rozdrobnieniu i homogenizacji stają się wsadem energetycznym dla biogazowni, natomiast nośnikiem energetycznym jest biometan, otrzymywany w procesie fermentacji mezofilnej, przebiegającej w komorze fermentacyjnej, w temperaturze ok. 37°C. W produkcji biometanu etapem wstępnym jest hydroliza białek, aminokwasów, wielocukrów, cukrów prostych, tłuszczy oraz alkoholi wielowodorotlenowych i kwasów tłuszczowych, umożliwiająca proces zakwaszania, podczas którego dominujące, fakultatywne bakterie acidogenne przetwarzają rozpuszczone w wodzie substancje chemiczne, w tym produkty hydrolizy, do krótkołańcuchowych kwasów organicznych, głównie, bo w około 76%, do lotnych kwasów tłuszczowych takich jak na przykład masłowy, octowy, mrówkowy, propionowy, walerianowy i/lub kapronowy, do alkoholi takich jak na przykład metanol i/lub etanol, aldehydów i produktów gazowych CO2 i H2. Następny etap produkcji biogazu stanowi faza acetogenna, w której następuje przetwarzanie etanolu oraz lotnych kwasów tłuszczowych do octanów oraz CO2 i H2 przez bakterie acetogenne. Kolejnym etapem jest faza metanogenna, w której następuje produkcja metanu przez bakterie metanowe (archeony) na przykład autotroficzne i/lub heterotroficzne z kwasu octowego, prawie 70%, H2 i CO2 oraz mrówczanu, metanolu, siarczku dwumetylowego lub metyloaminy. Dla prawidłowego przebiegu procesu w komorze fermentacyjnej muszą być utrzymane właściwe warunki biologiczne, gwarantujące efektywną produkcję biogazu. Parametry te wyznaczają proporcje i stężenia kiszonek oraz gnojowicy, dobiera się je na podstawie analizy fizykochemicznej oraz wstępnej symulacji procesu w warunkach laboratoryjnych. Udział kiszonek zależy od stężenia suchej masy w fermentorze. Przykładowo biogazownia o mocy 500 kWe, w której przerabia się 55 t gnojowicy świńskiej na dobę, wymaga wsadu 22 t/dobę kiszonki. Biogaz produkowany przez taką instalację będzie miał ok. 54% metanu. Osad pofermentacyjny transportuje się do komory pofermentacyjnej, w której prowadzi się proces wygaszania fermentacji i odgazowywania osadu. Następnie osad ten wykorzystuje się jest jako nawóz rolniczy. O prawidłowym przebiegu fermentacji, poza właściwym substratem, decydują odpowiednie populacje mikroorganizmów oraz parametry środowiskowe, wpływające na ich aktywność i szybkość przemian, to znaczy pH, wymiar cząsteczek, temperatura, siła jonowa (zasolenie) oraz obecność składników pokarmowych i związków toksycznych. Optymalny przebieg kinetyki fermentacji metanowej wymaga: temperatury fermentacji mezofilnej 37°C (+/-2°C), pH 6,8-8,2 stężenia lotnych kwasów organicznych 50-500 mg CH3COOH/dm³, potencjału oksydoredukcyjnego 520-530 mV i alkaliczności 2000-3000 mh/dm³ CaCO3. Dla prawidłowego przebiegu procesu wymagana jest kontrola stężeń związków toksycznych takich jak kwasy organiczne, zwłaszcza propionowego, jako produktu fazy kwaśnej oraz siarkowodoru przy zaniżonym pH jako produktu redukcji siarczanów, a także siarczynów i organicznych połączeń siarki, a ponadto amoniaku jako produktu mineralizacji organicznych połączeń azotu przy zawyżonym pH. Ilość i częstotliwość doprowadzenia wsadu do komory fermentacyjnej, właściwe proporcje węgla do azotu, wynikające z rodzaju kosubstratów oraz częstotliwość mieszania decydują o efektywności produkcji biometanu. Właściwie realizowana kinetyka fermentacji beztlenowej umożliwia obciążenie komory 5-7,5 kg s.m.o./m³ komory na dobę. Cechą wspólną dla sposobów otrzymywania biogazu z biogazowni „NaWaRo” jest mechaniczne wtłoczenie wymieszanych substratów, najczęściej kiszonek kukurydzy i zbóż oraz odchodów zwierzęcych, do komór fermentacyjnych, gdzie w warunkach mezofilowych, przebiegających najczęściej w przedziale temperatur 35°C-40°C, odbywa się mikrobiologiczny rozkład substratów przy zachowaniu poziomu pH w przedziale 6,8-8,2. Należy podkreślić, że w technologii NaWaRo spadek odczynu fermentującej pulpy poniżej pH=6,8 skutkuje osłabieniem lub nawet zatrzymaniem procesu fermentacji metanowej.

PL 233 236 B1

Znany jest sposób otrzymywania biogazu z biogazowni typu WABIO. W sposobie tym odpady organiczne z gospodarstw, osady ściekowe, mieszanina organicznej frakcji odpadów domowych i osadów ściekowych oraz wyselekcjonowane odpady z zakładów przemysłu spożywczego i ferm hodowlanych, poddawane są również fermentacji beztlenowej. Sposób wykorzystujący układ biogazowni typu WABIO składa się z etapu, przygotowania wsadu, fermentacji beztlenowej w reaktorze oraz odwodnienia przefermentowanego humusu. Przygotowanie wsadu polega na ujednorodnieniu składników, oddzieleniu składników inertnych, podgrzaniu do odpowiedniej temperatury. Przygotowany wsad transportowany jest do bioreaktorów. Fermentacja beztlenowa odbywa się w temperaturze mezofilnej 35°C i trwa od 15 do 25 dni. Po pasteryzacji masa jest suszona, napowietrzana i mieszana. Z części organicznych odpadów można odzyskać 35% kompostu, 13% biogazu, 42% recylkulatu i 10% stanowi balast. Uzyskany w postaci produktów rozkładu metan wykorzystywany jest do celów energetycznych. Stały produkt końcowy po stabilizacji tlenowej - biohumus - jest wartościowym kompostem.

Znane są sposoby otrzymywania biogazu z biogazowni, w których wykorzystuje się samoistnie zachodzącą fermentację w zbiornikach usytuowanych w pobliżu budynków gospodarskich czy zabudowań mieszkalnych. Zbiorniki są zasilane z reguły bioodpadami i odchodami zwierząt i ludzi, a sama fermentacja odbywa się w temperaturze otoczenia. Sposoby te należą do tak zwanych technologii psychrofilowych i są popularne zwłaszcza w Chinach (ponad 30 mln prymitywnych instalacji).

Znane są sposoby mechanicznej, termicznej, ciśnieniowej czy chemicznej obróbki wsadu przed podaniem go do komory fermentacyjnej. Do mechanicznych sposobów zalicza się przede wszystkim rozdrabnianie z wykorzystaniem sieczkarni, młynów, maceratorów, czy też mikronizerów. Ideą tej obróbki jest uzyskanie materiału o jak najmniejszych wymiarach celem zwiększenia powierzchni aktywnej dla działania mikroorganizmów prowadzących proces fermentacji. Z kolei działania termiczne polegają na wystawieniu substratu na efekt wysokiej temperatury, co niszczy niektóre wielkocząsteczkowe związki i poprzez ich rozpad ułatwia proces fermentacji. Działania tych dodatków powodują również efekt higienizacji wsadu i są niezbędne wg norm prawnych przy zastosowaniu do biogazowni części substratów - np. z rzeźni czy ubojni. Z działaniami termicznymi często połączone są ciśnieniowe metody obróbki wsadu, gdzie dodatkowym czynnikiem powodującym rozpad struktur substratów oraz rozrywanie ich cząsteczek jest także ciśnienie. Takimi metodami są technologie steam explosion czy ekstruzja.

Cechą wspólną dla poprawnego stosowania znanych sposobów otrzymywania biogazu z biogazowni jest konieczność dostarczenia dużej ilości energii elektrycznej, kinetycznej bądź cieplnej.

Z opisu patentowego nr EP0114769 znany jest sposób zwiększenia sprawności energetycznej wytwarzania metanu beztlenowej fermentacji substratów organicznych realizowanej w biogazowni. W sposobie według wynalazku w procesie beztlenowej fermentacji produkcji metanu podłoży organicznych, stosowanych w zwykłych warunkach fermentacji, dodaje się do pożywki fermentacyjnej co najmniej jeden z nienasyconych kwasów tłuszczowych lub ich pochodną, przy czym kwas tłuszczowy o zawartości od 18 do 22 atomów węgla i co najmniej dwa nienasycenia etylenowe w cząsteczce, w stężeniu od 0,001 do 0,35 milimoli na litr pożywki fermentacyjnej, tak że w całym badanym kwasem tłuszczowym wyjściowy biogazu R jest co najmniej równa 1. Kwasy tłuszczowe lub pochodne takich kwasów, takie jak estry, mogą być w pewnych warunkach silnymi aktywatorami produkcji m etanu beztlenowej fermentacji substratów organicznych.

Celem sposobu według wynalazku jest skrócenie hydraulicznego czasu rozkładu substratów HRT oraz uzyskanie pulpy pofermentacyjnej o lepszym stopniu przetworzenia.

Znany jest układ biogazowni według systemu „NaWaRo” składający się z komór fermentacyjnej, pofermentacyjnej i modułu kogeneracyjnego. Utrzymanie właściwego stężenia wsadu w przestrzeni fermentora zapewniają mieszadła mechaniczne, uniemożliwiające wystąpienie stref przeciążanie ładunkiem organicznym. Biogazownia wyposażona jest w urządzenia i podzespoły zapewniające bezpieczną eksploatację jak na przykład system detekcji gazu, niezależne systemy zabezpieczeń poziomów oraz ciśnień oraz zdalny monitoring z automatyką sterującą i kontrolującą. Konfiguracja instalacji w układzie zapewnia optymalizację procesu, nawet przy zmianach proporcji udziałowych kosubstratów lub zmianach w ich rodzaju. W przypadkach, gdy instalacja kogeneracyjna nie pracuje, co najczęściej ma miejsce w trakcie prac konserwacyjnych, urządzeniem spalającym biogaz jest pochodnia gazowa. Wyprodukowany biometan, po usunięciu siarkowodoru, jest kierowany do modułu kogeneracyjnego, czyli silnika gazowego, w którym energia chemiczna biogazu ulega konwersji na energię elektryczną oraz cieplną. Część tej energii jest przeznaczana na pokrycie potrzeb własnych, pozostała sprzedawana jest odbiorcom zewnętrznym.

PL 233 236 B1

Celem wynalazku jest możliwość zmniejszenia rozmiarów instalacji, albo wzrost wydajności biogazowej i biometanowej każdej instalacji z uwagi na większą ilość substratów, która może być przetwarzana przez daną instalację.

Istota sposobu zwiększenia sprawności energetycznej w biogazowni według przykładowej realizacji wynalazku charakteryzuje się tym, że zbiornik główny fermentacyjny zasila się pulpą podawaną z komory akceleratora, przy czym w akceleratorze utrzymuje się środowisko kwaśne o pH poniżej 5, a korzystnie o pH ok. 4, wspomagając występowanie przemian biochemicznych procesu fermentacji, w szczególności procesy hydrolizy i kwasogenezy, a korzystnie również octanogenezy. Karmienie akceleratora i przekazywanie wsadu w postaci rozdrobnionego mechanicznie materiału roślinnego opartego na kiszonkach, realizuje się za pomocą kosza zalewowego na bieżąco, korzystnie w porcjach, przy czym każda z porcji wsadu ma temperaturę taką samą jak temperatura pulpy w akceleratorze, ponadto akcelerator inokuluje się frakcją ciekłą pofermentu, jaką podaje się z głównego zbiornika fermentacyjnego, przy czym dwutlenek węgla oraz wodór wydzielające się w akceleratorze podczas przemian biochemicznych procesu fermentacji podaje się za pomocą pompy do zbiornika głównego fermentacyjnego. Według innej, korzystnej cechy wynalazku w trakcie karmienia akceleratora porcje wsadu podaje się systematycznie w odstępach parugodzinnych. Według kolejnej, korzystnej cechy wynalazku w trakcie karmienia akceleratora porcje wsadu podaje się tak aby cykl wymiany całej objętości czynnej akceleratora zamykał się w zależności od stosowanego substratu od 16 h do 3 dni.

Istota układu do zwiększenia sprawności energetycznej biogazowni, który według wynalazku zawiera co najmniej jeden główny zbiornik fermentacyjny i zbiornik z nim współpracujący oraz wspomagane pompą połączenie hydrauliczne do transportu pulpy, charakteryzuje się tym, że zbiornikiem współpracującym z zbiornikiem głównym fermentacyjnym jest akcelerator, przy czym wnętrze akceleratora ma połączenie hydrauliczne z koszem zalewowym, ponadto akcelerator ma zawierające pompę hydrauliczne połączenie dla transportu gazu, usytuowane powyżej wyjścia do wspomaganego pompą połączenia hydraulicznego do transportu pulpy do głównego zbiornika fermentacyjnego. Według innej, korzystnej cechy wynalazku kosz zalewowy jest umieszczony na akceleratorze. Według kolejnej, korzystnej cechy wynalazku kosz zalewowy ma instalację podgrzewania wsadu.

Sposób według wynalazku zostanie bliżej przedstawiony na przykładzie jego realizacji zilustrowanej rysunkiem stanowiącym schemat blokowy układu. Układ według wynalazku zostanie bliżej przedstawiony na jego przykładowej realizacji zilustrowanej rysunkiem stanowiącym schemat blokowy układu.

P r z y k ł a d 1

W sposobie według jego przykładowej realizacji zbiornik główny fermentacyjny 1 zasila się pulpą podawaną z komory akceleratora 2. Karmienie akceleratora 2 i przekazywanie wsadu w postaci rozdrobnionego mechanicznie materiału roślinnego opartego na kiszonkach, realizuje się za pomocą kosza zalewowego 3 na bieżąco, w porcjach przekazywanych co 2 godziny przy 24-godzinnym cyklu wymiany całej objętości czynnej akceleratora 2, przy czym każda z porcji wsadu ma temperaturę taką samą jak temperatura pulpy w akceleratorze 2. Akcelerator 2 inokulowany jest frakcją ciekłą pofermentu, jaką podaje się z głównego zbiornika fermentacyjnego 1. W akceleratorze 2 utrzymuje się środowisko kwaśne o pH ok. 4, wspomagając występowanie przemian biochemicznych procesu fermentacji, w szczególności procesy hydrolizy i kwasogenezy, a korzystnie również octanogenezy. Proces zakwaszenia w akceleratorze uzyskuje się dzięki przeciążeniu komory akceleratora świeżą masą substratu w granicach od parunastu do parudziesięciu procent. Duża dostępność łatwo rozkładalnych substancji przyczynia się do spadku pH poniżej metanogenezy. Zahamowanie metanogenezy przyczynia się do dalszego zakwaszenia reaktora co sprzyja procesom hydrolizy oraz kwasogenezy. Dwutlenek węgla oraz wodór wydzielające się w akceleratorze 2 podczas przemian biochemicznych procesu fermentacji podaje się za pomocą pompy 4 do głównego zbiornika fermentacyjnego 1. Uzyskanie dynamicznej produkcji dwutlenku węgla oraz wodoru oraz ich przepompowywanie do głównego zbiornika fermentacyjnego 1 prowadzi do podniesienia stężenia metanu w produkowanym biogazie, ponieważ zarówno dwutlenek węgla jak i wodór stanowią bezpośredni budulec dla tworzenia cząsteczek metanu przez bakterie. Zastosowanie kosza zalewowego 3 z funkcją podgrzewania wsadu zapewnia stabilność procesów mikrobiologicznych w akceleratorze 2, ponieważ nie występuje szok termiczny przy zadawaniu nowej porcji wsadu bowiem wsad ma taką samą temperaturę jak pulpa w akceleratorze 2. Intensywne reakcje biochemiczne, zachodzące w akceleratorze 2 oraz duża dynamika rozkładu związków organicznych wynikająca z połączonego działania kwaśnego środowiska pH poniżej 5, korzystnie pH ok. 4 oraz en

PL 233 236 B1 zymów bakterii acidogennych powodują dogłębny i szybki rozkład związków złożonych jak węglowodany, celuloza, hemiceluloza, skrobia i tłuszcze oraz skutkują bardzo dynamiczną produkcją kwasu octowego, który jest dla bakterii metanogennych głównym składnikiem do produkcji metanu. W ten sposób bakterie hydrolityczne, kwasogenne i octanogenne procesu fermentacji będą występować przede wszystkim w komorze akceleratora w środowisku mocno kwaśnym, a bakterie metanogenne będą rozwijać się we właściwej komorze fermentacyjnej biogazowni produkując metan. Zastosowanie akceleratora 2, umożliwia stworzenie bardzo korzystnych warunków do wystąpienia połączonej fazy hydrolizy kwasogenezy, dzięki czemu w sposób bardzo wyraźny pozwala nawet do 40% skrócić HRT hydrauliczny czas rozkładu substratów. Umożliwia to zmniejszenie rozmiarów instalacji, albo wzrost wydajności biogazowej i biometanowej każdej instalacji z uwagi na większą ilość substratów, która może być przetwarzana przez daną instalację. Zastosowanie akceleratora 2 pozwala na uzyskanie pulpy pofermentacyjnej o lepszym stopniu przetworzenia o mniejszej zawartości suchej masy na poziomie poniżej 5%, mniejszy poziom ChZT i BZT.

P r z y k ł a d 2

Układ do zwiększenia sprawności energetycznej biogazowni, według przykładowej realizacji wynalazku ma zbiornik główny fermentacyjny 1 i współpracujący z nim akcelerator 2. Wnętrze akceleratora ma połączenie hydrauliczne z koszem zalewowym 3. Akcelerator 2 ma pompę 4 stanowiącą element hydraulicznego połączenia dla transportu gazu 5, usytuowanego powyżej wyjścia do wspomaganego pompą połączenia hydraulicznego 6 do transportu pulpy do głównego zbiornika fermentacyjnego 1. Kosz zalewowy 3 jest umieszczony na akceleratorze 2, dzięki czemu możliwym jest samoistny zaciąg wsadu podczas przepompowywania pulpy z akceleratora 2 do głównego zbiornika fermentacyjnego 1. Kosz zalewowy 3 ma instalację podgrzewania wsadu 7, dzięki czemu każda z porcji wsadu ma temperaturę taką samą jak temperatura pulpy w akceleratorze 2. Intensywne reakcje biochemiczne, zachodzące w akceleratorze 2 oraz duża dynamika rozkładu związków organicznych wynikająca z połączonego działania kwaśnego środowiska pH poniżej 5, korzystnie pH ok. 4 oraz enzymów bakterii acidogennych powodują dogłębny i szybki rozkład związków złożonych jak węglowodany, celuloza, chemiceluloza, skrobia i tłuszcze oraz skutkują bardzo dynamiczną produkcją kwasu octowego, który jest dla bakterii metanogennych głównym składnikiem do produkcji metanu. W ten sposób bakterie hydrolityczne, kwasogenne i octanogenne procesu fermentacji będą występować przede wszystkim w komorze akceleratora w środowisku mocno kwaśnym, a bakterie metanogenne będą rozwijać się we właściwej komorze fermentacyjnej biogazowni produkując metan. Zastosowanie akceleratora 2, umożliwia stworzenie bardzo korzystnych warunków do wystąpienia połączonej fazy hydrolizy i kwasogenezy, dzięki czemu w sposób bardzo wyraźny pozwala nawet do 40% skróci HRT hydrauliczny czas rozkładu substratów. Umożliwia to zmniejszenie rozmiarów instalacji, albo wzrost wydajności biogazowej i biometanowej każdej instalacji z uwagi na większą ilość substratów, która może być przetwarzana przez daną instalację. Zastosowanie akceleratora 2 pozwala na uzyskanie pulpy pofermentacyjnej o lepszym stopniu przetworzenia o mniejszej zawartości suchej masy na poziomie poniżej 5%, mniejszy poziom ChZT.

Claims (6)

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób zwiększenia sprawności energetycznej w biogazowni, znamienny tym, że zbiornik główny fermentacyjny (1) zasila się pulpą podawaną z komory akceleratora (2), przy czym w akceleratorze (2) utrzymuje się środowisko kwaśne o pH poniżej 5, a korzystnie o pH ok. 4, wspomagając występowanie przemian biochemicznych procesu fermentacji, w szczególności procesy hydrolizy i kwasogenezy, a korzystnie również octanogenezy, natomiast karmienie akceleratora (2) i przekazywanie wsadu w postaci rozdrobnionego mechanicznie materiału roślinnego opartego na kiszonkach, realizuje się za pomocą kosza zalewowego (3) na bieżąco, korzystnie w porcjach, przy czym każda z porcji wsadu ma temperaturę taką samą jak temperatura pulpy w akceleratorze (2), ponadto akcelerator (2) inokuluje się frakcją ciekłą pofermentu, jaką podaje się z głównego zbiornika fermentacyjnego (1), przy czym dwutlenek węgla oraz wodór wydzielające się w akceleratorze (2) podczas przemian biochemicznych procesu fermentacji podaje się za pomocą pompy (4) do zbiornika głównego fermentacyjnego (1).

PL 233 236 Β1

2. Sposób zwiększenia sprawności energetycznej w biogazowni, według zastrz. 1, znamienny tym, że w trakcie karmienia akceleratora (2) porcje wsadu podaje się systematycznie w odstępach parugodzinnych.

3. Sposób zwiększenia sprawności energetycznej w biogazowni, według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że w trakcie karmienia akceleratora (2) porcje wsadu podaje się tak aby cykl wymiany całej objętości czynnej akceleratora (2) zamykał się w zależności od stosowanego substratu od 16 h do 3 dni.

4. Układ do zwiększenia sprawności energetycznej biogazowni, zawierający co najmniej jeden główny zbiornik fermentacyjny i zbiornik z nim współpracujący oraz wspomagane pompą połączenie hydrauliczne do transportu pulpy, znamienny tym, że zbiornikiem współpracującym z zbiornikiem głównym fermentacyjnym (D jest akcelerator (2), przy czym wnętrze akceleratora (2) ma połączenie hydrauliczne z koszem zalewowym (3), ponadto akcelerator (2) ma zawierające pompę (4) hydrauliczne połączenie dla transportu gazu (5), usytuowane powyżej wyjścia do wspomaganego pompą połączenia hydraulicznego (6) do transportu pulpy do głównego zbiornika fermentacyjnego (1).

5. Układ do zwiększenia sprawności energetycznej biogazowni, według zastrz. 4, znamienny tym, że kosz zalewowy (3) jest umieszczony na akceleratorze (2).

6. Układ do zwiększenia sprawności energetycznej biogazowni, według zastrz. 4 albo 5, znamienny tym, że kosz zalewowy (3) ma instalację podgrzewania wsadu (7).