Organickou hmotu tvoří obvykle (biomasa): ČZU/FAPPZ

Transkript

1 BIOPLYN

2 - bioplyn je směs plynů, z nichž hlavní jsou methan CH 4 a oxid uhličitý CO 2 dále (H 2, N 2, H 2 S), který vzniká při mikrobiálním rozkladu organické hmoty za nepřítomnosti kyslíku (anaerobní fermentace nebo digesce); - jedná se o bezbarvý plyn. Organickou hmotu tvoří obvykle (biomasa): 1) exkrementy hospodářských zvířat (kejda, trus, hnůj, močůvka, podestýlka); 2) fytomasa (siláže, senáže, rostlinné zbytky); 3) domovní a komunální odpady, odpady potravinářského průmyslu (jatka, mlékárny); 4) další odpady (masokostní moučka apod.). [1]

3 - u biologického rozkladu neboli methanové fermentace je vznik vždy směs plynů, kde nad minoritními převládají dva majoritní plyny (CH 4 a CO 2 ) a podle původu nebo místa vzniků rozeznáváme různé druhy: Kalový plyn - vzniká anaerobním rozkladem organických usazenin v přírodních i umělých nádržích, uvolňuje se ze dna oceánů, moří, jezer, močálů, rybníků, které se pravidelně nečistí, ale i v biologickém stupni čistíren odpadních vod, rýžovištích, rašeliništích. Intenzita jeho vývinu i chemické složení jsou značně variabilní. Je to způsobeno variabilitou procesních podmínek, za kterých vzniká. [2]

4 Skládkový plyn - většina skládek komunálního odpadu obsahuje % organických materiálů, ze kterých může za vhodných podmínek anaerobní fermentací vznikat po mnoho let skládkový plyn s velmi proměnlivým složením. Jeho povrchové výrony jsou velmi nebezpečné, proto je žádoucí skládkové plyny získané při odplynění skládek komunálního odpadu využít k energetickým účelům nebo likvidovat bezpečnostním hořákem. Zemní plyn - vznikl anaerobním rozkladem biomasy nahromaděné v dávných dobách; je energeticky nejhodnotnější, obsahuje 98 % metanu. Je klasifikován jako neobnovitelný zdroj energie. Důlní plyn - původ jeho vzniku je obdobný jako u zemního plynu. Energetické využití má omezené jen na vhodné lokality, pro svoji výbušnost ve směsi se vzduchem resp. kyslíkem je velmi nebezpečnou příčinou důlních, ale i povrchových havárií.

5 Bioplyn - obecně lze tento název použít pro všechny druhy plynných směsí, které vznikly činností mikroorganizmů. Tím je vyjádřeno, že všechny druhy bioplynů anaerobního původu vznikají principiálně stejným způsobem, ať probíhá methanogenní proces pod povrchem země, v zažívacím traktu živočichů, zvláště přežvýkavců, ve skládkách komunálních odpadů, v lagunách nebo v řízených anaerobních reaktorech. - v technické praxi se ustálilo použití názvu bioplyn pro plynnou směs vzniklou anaerobní fermentací vlhkých organických látek v umělých technických zařízeních (reaktorech, digestorech, lagunách se zařízením na jímání bioplynu, atd.) Bioplyn je produkován v: 1) odpadovém hospodářství na skládkách odpadů, kde je jeho označení skládkový plyn; 2) anaerobních čistírnách odpadních vod, v bioplynových stanicích; 3) v zemědělství (hnůj, kejda); 4) přírodě (mokřady, sedimenty).

6 Složení bioplynu

7 [3]

8 Methanová fermentace - soubor procesů, při nichž směsná kultura mikroorganismů postupně rozkládá biologicky rozložitelnou organickou hmotu; - produkt jedné skupiny mikroorganismů se stává zdrojem pro skupinu následující -konečným produktem je bioplyn. organická hmota CH 4 + CO 2 Anaerobní digesce - anaerobní digesce označuje kontrolovanou mikrobiální přeměnu organických látek bez přístupu vzduchu za vzniku bioplynu a digestátu; - produktem digesce je digestát, který splňuje kvalitativní požadavky vyhlášky o biologických metodách zpracování biologicky rozložitelných odpadů.

9 Anaerobní fermentace Jedná se o složitý proces, který je složen na sebe navazující procesy. Anaerobní fermentace se rozděluje do čtyř základních fází. 1. fáze: Hydrolýza - přítomné anaerobní bakterie, přeměňují makromolekulární rozpuštěné i nerozpuštěné organické látky (bílkoviny, polysacharidy, tuk, celulózu) na nízkomolekulární látky (monosacharidy, aminokyseliny, mastné kyseliny, voda) rozpustné ve vodě. 2. fáze: Acidogeneze - jsou rozkládány produkty hydrolýzy na jednodušší organické látky (kyseliny, alkoholy, CO 2, H 2 ). Fermentací těchto látek se tvoří řada konečných redukovaných produktů, které jsou závislé na charakteru původního substrátu a podmínkách prostředí.

10 3. fáze: Acetogeneze - probíhá oxidace produktů acidogeneze na CO 2, H 2 a kyselinu octovou, která je také tvořena acetogenní respirací CO 2, H 2 homoacetogenními mikroorganismy. Účast těchto mikroorganismů produkujících vodík je nezbytná, poněvadž rozkládají kyselinu propionovou a ostatní organické kyseliny vyšší než octovou, alkoholy a některé aromatické sloučeniny. 4. fáze: Methanogeneze - je poslední fází procesu obsahující methanogenní organismy, které rozkládají některé jednouhlíkaté látky. Podle specifiky substrátu je lze rozdělit na pouze hydrogenotrofní nebo pouze acetotrofní. Působením acetotrofních methanogenních bakterií vzniká více než 2/3 CH 4 v bioplynu. Rozkládají kyselinu octovou na směs metanu a CO 2. Hydrogenotrofní methanogenní bakterie produkují metan z CO 2 a H 2. Rostou poměrně rychle, jejich generační doba je cca 6 hodin. Odstraňují z procesu vodík, jehož koncentrace by měla být při dobré činnosti organismů minimální. Vodíkem jsou nejvíce ovlivňovány acetogenní bakterie rozkládající kyselinu propionovou a máselnou.

11 Složení bioplynu

12 Mokrá fermentace - nejpoužívanější technologií výroby bioplynu je tzv. mokrá fermentace, jenž zpracovává substráty s výsledným obsahem sušiny <12 %; - mokrá anaerobní fermentace probíhá v uzavřených velkoobjemových nádobách (fermentorech/reaktorech). Tyto nádoby jsou vyhřívány na navrženou provozní teplotu (35 C až 55 C) a míchány, - technologická linka je tvořena 4 základními stavebně-technologickými celky. Schéma mokré fermentace

13 1) Příjmový systém: slouží pro přípravu čerstvého substrátu před vstupem do fermentoru (úprava velikosti částic, míchání, homogenizace, apod.) a jeho optimální dávkování do anaerobního procesu. 2) Fermentační systém: zde probíhá vlastní anaerobní vyhnívání v čistě anaerobním prostředí. Využívá se několik základních koncepcí fermentačního systému: a) fermentor s integrovaným plynojemem; b) fermentor + samostatný plynojem; c) fermentor typu "kruh v kruhu" + samostatný plynojem; d) fermentor + dohnívací nádrž s integrovaným plynojemem. - fermentory lze koncipovat jako nadzemní, podzemní či částečně zapuštěné do terénu; - jsou vybaveny odpovídajícím příslušenstvím podle konstrukce a druhu substrátu; - běžně jde o topný a míchací systém, v případě potřeby je možné provádět odsíření bioplynu (např. dávkováním určitého množství vzduchu do bioplynu).

14 Z hlediska uskladňovacího systému je nutné stabilizovaný materiál po fermentaci (tzv. fermentační zbytek nebo také digestát/fermentát) uskladňovat v souladu se zásadami! - v případě, že je fermentační zbytek separován na tuhou frakci (sušina 25 až 35 %) a kapalnou fázi/fugát (sušina <1 %) je nutné mít uskladňovací systém pro obě frakce; - tuhá frakce se běžně uskladňuje na stávajících hnojištích nebo vodohospodářsky zabezpečených plochách. - fugát (sušina <1 %) resp. neseparovaný fermentační zbytek (sušina 4 až 10 %) se uskladňuje ve vhodně dimenzovaných jímkách; - vlivem recirkulace fugátu se úměrně snižuje potřebná velikost uskladňovací jímky a snižuje spotřeba ředící vody; - pravidelně se musí kontrolovat obsah dusíku v recirkulovaném fugátu a to z důvodu zamezení inhibičním vlivům na anaerobní proces.

15 Suchá fermentace - zpracovávají se substráty o sušině 30 až 35 %; - zpravidla jde o aplikace mezofilního anaerobního procesu, rozsah používaných reakčních teplot C; - optimální ph se pohybuje mezi 6,5-7,5. V zásadě lze rozdělit technologie na diskontinuální a kontinuální. 1) Diskontinuální technologie suché fermentace sestává z několika reakčních komor (kovový kontejner nebo zděná komora s plynotěsnými vraty) a meziskladu. Doprava zpracovávaného materiálu do komor a z nich je zpravidla prováděna běžnou manipulační technikou.

16 2) Kontinuální technologie jsou doprovázeny vysokou investiční a provozní náročností a jsou využívány zpravidla pro zpracování komunálních a tříděných domovních odpadů. - reakční objem bývá rozdělen na několik fermentorů; - běžně jsou využívány ležaté fermentory (válcové i komorové) s 1 pomaloběžným míchacím zařízením, uloženým napříč celým fermentorem; - tento systém využívá železobetonové reaktory ve tvaru plynotěsných komor; - dávkování biomasy do reaktoru zajišťuje hydraulický dopravní systém, který odebírá biomasu z mezizásobníku a postrkuje ji přes předehřívací trubkový výměník tepla do zadní části reakční komory; - pohyb, míchání a vyprazdňování reaktoru zajišťuje šnekový dopravník, který je uložen uvnitř reakční komory; - vyprazdňování fermentačního zbytku probíhá na čele reakční komory, odkud je pro další zpracování odebírán systémem dopravních cest.

17 Sušení bioplynu - sušení bioplynu znamená odstranění vlhkosti z bioplynu; - provádí se kvůli prevenci koroze zařízení pro využívání bioplynu (např. kogeneračních jednotek); - nepříliš hluboké sušení bioplynu je možné prostřednictvím tepelného čerpadla -bioplyn je ve výměníku tepla ochlazen chladicím agregátem a odloučená voda (kondenzát) je z plynu odstraněna; - poté je plyn opět zahřát teplou (kompresní) částí chladicího agregátu; - tato technologie zabezpečí vzdálení vlhkosti bioplynu od rosného bodu, je relativně jednoduchá, má nízkou spotřebu energie a ve většině případů je dostačující; - při ochlazení bioplynu na 20 C dojde ke snížení obsahu vody při 100 % nasycení na 17,3 g/m 3, což odpovídá 2,3 % objemovým; - hluboké sušení bioplynů je možné realizovat pomocí tuhých sorbentů (silikagel, kapalných sorbentů, kterými jsou zejména glykoly).

18 Požadavky na vlastnosti bioplynu - vlastnosti bioplynu jsou jedním ze základních parametrů, které mají vliv na možnost jeho využití pro pohon motoru kogenerační jednotky; - některé vlastnosti mohou uvažovaný záměr významně prodražit, či úplně znemožnit; - ke zhodnocení vlastností bioplynu je proto nutné přistupovat velmi odpovědně; - při hodnocení je potřeba znát následující vlastnosti: [4]

19 1) Obsah methanu CH 4 - běžně 55 až 65%. Za minimální hranici se považuje koncentrace 50%. 2) Tlak bioplynu - pro spalování bioplynu v kogenerační jednotce je obvyklá hodnota tlaku v rozsahu 1,5 až 10kPa. 3) Stálost kvality plynu (stabilita složení a tlaku bioplynu) ovlivňuje stabilitu chodu a emise škodlivin. 4) Obsah škodlivých příměsí (především sloučeniny síry, fluoru a chloru) tyto sloučeniny mohou způsobovat korozi dílů sacího traktu a vnitřních dílů motoru, přicházejících do styku s mazacím olejem. Při vyšším obsahu síry je vhodné použít odsiřovací zařízení.

20 Skladování bioplynu Bioplynové zásobníky lze rozdělit podle typu konstrukce a velikosti na: 1) Nízkotlaké zásobníky - nejvíce rozšířený druh zásobníků plynu, zastoupený především ocelovými zásobníky s vodním uzávěrem, který je výhodný také tím, že ve skladovaném plynu udržuje relativně stálý tlak, který je dostatečný pro přímé spalování v kotlích s atmosférickými hořáky a pohon plynových motorů. V poslední době se vzhledem k úspoře nákladů začínají prosazovat foliové plynojemy, jejichž pořizovací náklady jsou nižší a i jejich realizace je z hlediska pracnosti a náročnosti na provedení podstatně výhodnější. 2) Středotlaké a vysokotlaké zásobníky - ocelové zásobníky s tlakem 5 až 20 bar. Používají-li se ke stlačení jednostupňové kompresory, lze na rozdíl od nízkotlakých zásobníků při tlaku 10 bar dosáhnout desetinásobku skladovaného množství. Toto technické řešení ale již vyžaduje regulaci tlaku.

21 Využití bioplynu 1) energetické využití; 2) využití v dopravě; 3) využití v zemědělství. - využití surového nebo částečně vyčištěného bioplynu je možné pouze ve speciálně seřízených spalovacích motorech kogeneračních jednotek; - takové využití je však za cenu zkrácení životnosti motoru v důsledku výrazného korozivního působení spalin na kovové části motoru (vysoká ziskovost výhodnosti takového paliva však pokryje náklady na generální opravu motoru či zakoupení nového). [5]

22 Využití bioplynu jako alternativní pohonné hmoty - v dopravě se bioplynem rozumí palivo vzniklé biologickými procesy z organických hmot, které je pro účely pohonu motorových vozidel zbaveno nežádoucích příměsí, zejména oxidu uhličitého a sirovodíku, tak aby odpovídalo požadavkům na zemní plyn (obsah metanu vyšší než 95 %, srovnatelná výhřevnost), získá se tak tzv. biomethan; - biomethan představuje plnohodnotnou náhradou zemního plynu. Lze jej použít i jako palivo pro pohon motorových vozidel; - biomethan (či náhradní zemní plyn - SNG) je tedy výsledkem úpravy surového bioplynu některou z metod, jež zaručuje odstranění inertních složek (CO 2 ) a dalších minorů, jako jsou sulfan (H 2 S) či vodní pára.

23 - používání biomethanu pro pohon motorových vozidel má stejné pozitivní dopady na životní prostředí jako CNG; - zásadní předností biomethanu oproti zemnímu plynu je však jeho nefosilní, plně obnovitelný charakter, z čehož vychází větší příspěvek ke snižování emisí CO 2 ; - v konkurenci ostatních biopaliv má biomethan největší energetický obsah na kg a dosahuje největších úspor emisí CO 2, protože při jeho výrobě a distribuci vzniká nejméně CO 2 ; - V případě přímého využití biomethanu jako CNG lze vycházet z platných norem na CNG (ČSN ISO ) a ČSN , která je obdobou švédského standardu SS ; - norma uvádí dvě označení pro bioplyn a to bioplyn typu LH s obsahem metanu % a bioplyn typu H s obsahem metanu %; - bioplyn používaný jako palivo spalovacích motorů musí být stlačen na 20 MPa, přičemž maximální tlak v nádrži je 25 MPa.

24 Bioplyn, který byl smíchán s jinými energetickými plyny, např. vodíkem, zemním plynem nebo propanem není do této normy zahrnut. Nevýhodou využití bioplynu v dopravě 1) omezené množství; 2) lokální výroba (většinou jsou bioplynové stanice umístěny odlišně od místa potřeby); 3) nákladné čištění na kvalitu zemního plynu. - bioplyn je distribuován obvyklým způsobem jako zemní plyn, surový (nevyčištěný) plyn musí být bezpodmínečně přepravován v separátních potrubních systémech či tlakových nádobách; - ve většině evropských zemí je využíváno bioplynu převážně pro přímé spalování nebo v kogeneračních jednotkách (k výrobě tepla nebo elektrické energie v blízkosti bioplynových stanic); - v dopravě je používán ojediněle a to např. ve Švédsku, Švýcarsku, Francii a na Islandu.

25 Zdroj obrázků: [1] [2] [3] [4] [5]