Technika a technologie bioplynového hospodářství Praha 2006
Hlavní komponenty zařízení: Přípravná část Zpravidla se jedná o soustavu nádrží, kde dochází k úpravě sušiny kejdy na požadovanou hodnotu. Současně se provádí homogenizace a případné odstranění nežádoucích příměsí nebo pasterizace. Přípravné nádrže mohou být betonové, plastové nebo kovové a jsou vybaveny čerpacím a míchacím zařízením a často také macerátory (zařízení na rozmělnění materiálu). Velikost nádrží bývá většinou volena na jednodenní produkci kejdy. Fermentor (reaktor) Reaktor je základní technologickou částí anaerobního procesu a z tohoto důvodu jsou na něj kladeny nejvyšší nároky a to z hlediska vytvoření vhodného prostředí pro rozvoj mikrobiálních kultur. Hlavní podmínkou pro dobrou činnost bakterií je udržení stálé teploty na optimální úrovni. Reaktor musí být rovněž opatřen zařízením pro míchání kalu. To může být zabezpečeno pomocí čerpadla umístěného vně nádrže - při externím ohřevu, které je často kombinováno s proplyňováním bioplynem, které zajišťuje dmychadlo. Míchání stlačeným bioplynem je výhodné z hlediska zabránění usazování písku na dně nádrže a tvorbě kalového stropu na povrchu hladiny kalu. Další možností je použití vrtulového míchadla - buď rychloběžného nebo pomaloběžného s velkým průměrem míchací vrtule. Anaerobní reaktorové systémy můžeme podle způsobu fixace reagující biomasy rozdělit na systémy prázdné tedy reaktory v nichž je biomasa nesena na reagujícím substrátu. Tyto systémy patří mezi reaktory tzv. suspenzní, a kromě míchadel, topných systémů anebo usměrňovacích vestaveb není v reaktorech žádná výplň na rozdíl od systémů, kde je biomasa fixována na náplních či vestavbách reaktorových nádob.
Anaerobní reaktorové systémy REAKTORY A REAKTOROVÉ SYSTÉMY ANAEROBNÍ DIGESCE REAKTORY KAPALINOVÉ REAKTORY NA TUHOU FÁZI BIOMASA NA REAGUJÍCÍM SUBSTRÁTU BIOMASA FIXOVÁNA NA ZAŘÍZENÍ NÁPLŇOVÉ REAKTORY REAKTORY S VOLNÝM PROSTOREM VÝPLŇOVÉ REAKTORY A REAKTORY DISKOVÉ REAKTORY DĚLENÉ A STUPŇOVITÉ HYBRIDNÍ REAKTORY REAKTORY FLUIDNÍ
Anaerobní biomethanizační reaktory na tuhou fázi Poněkud výjimečné postavení mají reaktory na tuhou fázi. Tato zařízení byla speciálně vyvinuta pro fermentaci slamnatých hnojů resp. steliv i samotné slámy. Reakce v těchto zařízeních probíhají pomaleji, neboť tuhý odpad je vyskládán do velkých drátěných košů v nichž je po naplnění překryt plynotěsným zvonem a ponechán fermentaci. Zařízení tohoto systému sice nemají takové problémy s vypouštěním odpadních vod, avšak na druhou stranu je systém velmi náročný na prostor, na čas, na manipulaci a reaktory prakticky nelze účinně otápět, což zvláště v zimě vede ke zpomalení rozkladných procesů. a plnění koše b překrývací zvon c odebírání digesčního zbytku d portálový jeřáb e sběrné plynovody f vodní uzávěrová jímka
Reaktory bezvýplňové s biomasou nesenou na substrátu jsou určeny především pro husté anebo nerovnoměrně granulované suspenze, které by ve fixovaných vrstvách a náplních nemohly být použity, neboť by docházelo k ucpávání reaktoru. Reaktory se konstruují v systémech jednoduchých anebo kombinovaných. Jednoduché systémy obsahují jeden nebo více reaktorů v sériovém anebo v paralelním řazení. Železobetonové reaktory
Různé typy reaktorů pro metanizaci A náplňový reaktor se vzestupným tokem s biofilmem na pevném násypu B výplňový reaktor se sestupným tokem s biofilmem na trubkových nosičích C horizontální reaktor s rotujícími disky (pro míchání i nesení biofilmu) D reaktor s fluidním ložem E reaktor se stupňovým kalovým ložem F hybridní reaktor
Různé typy reaktorových bezvýplňových nádrží pro metanizaci A historická štěrbinová (Imhoffova) nádrž B nádrž s plovoucím nebo plynojemovým víkem C železobetonová nádrž stojatá válcová s kónickými dny D pneumaticky míchaná dvojčitá nádrž E pulzační nádrž systém BIMA F nádrž vejčitá s přepadovou komorou G válcová nádrž s programově řízenými míchacími sektory (pohled shora) H horizontální nádrž s rotačním míchadlem
Různé způsoby zapojení anaerobních reaktorů A reaktor jednostupňový průtočný B reaktory sériové (jednostupňový průtočný systém) C reaktory paralelní (jednostupňový průtočný systém) D reaktory sériové (dvoustupňový proces) E reaktory sérioparalelní (systém s předreaktorem) (dvoustupňový proces)
Různé způsoby otopu anaerobních reaktorů A vnitřní výměník D rekuperační výměník B duplikátorový plášť E přímotopná pára C externí výměník
Různé způsoby míchání anaerobních reaktorů A míchání mechanické turbínové B míchání mechanické lopatkové C míchání hydraulické D míchání pneumatické s pevnými vstupy E míchání pneumatické programověřízené F míchání hydraulické s odpěňovací sprchou
Porovnání výtěžků biomethanizace za různých režimů míchání při různé spotřebě energie na míchání
Plynojemy Funkcí plynojemu je akumulace plynu, regulace tlaku plynu a vyrovnávání rozdílů mezi časovým průběhem produkce a spotřeby bioplynu. V současnosti rozeznáváme tyto základní konstrukční typy plynojemů: a) mokré plynojemy b) suché plynojemy c) dvoumembránové textilní plynojemy d) textilní vaky a matrace
a) Mokré plynojemy Tato konstrukce představuje nejstarší řešení akumulace bioplynu a dodnes je možné se s ní setkat v mnoha starších provozech. Plynojem je konstruován tak, že železobetonová nebo ocelová nádrž nejčastěji kruhového půdorysu je naplněna vodou a do nádrže je zasazen ocelový zvon, pod kterým se shromažďuje bioplyn. Zvon je ponořený ve vodě, která tvoří vodní uzávěr. Dle množství bioplynu se zvon vynořuje nebo ponořuje. Plyn je stlačován hmotností zvonu a je vytvářen přetlak. Poloha zvonu je zajištěna vedením z ocelových profilů a kladek, nebo bývá instalováno vedení ve šroubovicové dráze. Nevýhodou této konstrukce je nutnost ohřevu vody v zimním období, aby nedocházelo k zamrzání. Další nevýhodou je nutnost dbát na obnovování ochranných nátěrů konstrukce, ale především zvonu, který je nejvíce vystaven korozi, zejména při vyšší koncentraci H2S v bioplynu. Provozní problémy může rovněž způsobovat zadrhávání zvonu ve vodících kladkách, což může způsobovat nežádoucí skokové změny přetlaku v celém plynovém systému. a) prázdný mokrý plynojem: 1 - víko plynojemu, 2 - nádrž plynojemu; b) plný mokrý plynojem: l, 2 - viz a), D - průměr víka, H - výška vynoření víka; c) těsnění suchého plynojemu: 1 - páka, 2 - osa páky, 3 - ocelová destička, 4 - závaží, 5 - hydraulický uzávěr.
b) Suché plynojemy s jednoduchou membránou Tento plynojem je tvořen ocelovou nádrží tvaru stojatého válce, k jehož hornímu okraji je svým vnějším okrajem připevněna plynotěsná textilní membrána. Vnitřní okraj membrány je připevněn k pohyblivému stropu, který je tvořen ocelovou kruhovou deskou se závažími, jejichž hmotností se reguluje přetlak plynu. Svislý pohyb stropu je vymezen vodicí středovou tyčí. Podle množství plynu se tedy strop pohybuje ve válci nahoru a dolů, přičemž membrána mezi nimi vytvoří pružný plynotěsný uzávěr. Proti vlivům povětrnosti je nutné stavbu chránit střechou.
c) Dvoumembránové textilní plynojemy Plynojem je tvořen vnější a vnitřní membránou.vnější membrána je trvale napínána tlakem vzduchu, který zajišťuje ventilátor. Zařízení je opatřeno regulačním tlakovým ventilem pro nastavení hodnoty vnitřního přetlaku, jehož hodnota se pohybuje v rozmezí 0,5-2,5 kpa. Vnitřní membrána slouží k akumulaci plynu a podle množství plynu se naplňuje nebo vyprazdňuje. Jelikož hodnota tlaku plynu uvnitř vnitřní membrány je shodná s hodnotou tlaku v prostoru mezi oběma membránami, nedochází k namáhání membrán. Plynojemy jsou nejčastěji zhotoveny z polyesterové tkaniny potažené vrstvou PVC a nevyžadují zastřešení. Instalují se na betonovou základovou desku nebo přímo nad otevřenou nádrž. Tyto plynojemy jsou vyráběny např.firmou Sattler v širokém rozmezí objemů od 100 do 4500 m3.
d) Textilní vaky a matrace Tyto plynojemy jsou obvykle řešeny jako rovnotlaké, tj. s tlakem plynu stejným jako je tlak atmosférický, nebo mírným přetlakem, který můžeme zajistit umístěním závaží sloužícím k vyprazdňování vaku. Provedení je opět z polyesterové tkaniny oboustranně opatřené PVC povlakem. Textilní vak může být umístěn vodorovně nebo svisle, musí být vhodným způsobem chráněn proti povětrnostním vlivům (např. zastřešením) Výhodou těchto plynojemů je jejich nízká pořizovací cena oproti předchozím typům a jednoduchost. Nevýhodou je nutnost umístění přídavného ventilátoru mezi vak a spotřebič plynu.
Zařízení pro energetické využití bioplynu Kogenerační jednotky jsou zařízení pro kombinovanou výrobu tepla a elektrické energie. Jejich základem je pístový spalovací motor upravený pro spalování bioplynu, který pohání elektrický agregát. Celková energetická účinnost kogenerace bývá 80-88 %, přičemž 1/3 vyrobené energie představuje energii elekrickou a 2/3 energii tepelnou, kterou je možno využít pro ohřev fermentorů. Z 1m3 bioplynu jsme takto schopni získat přibližně 2 kwh elektřiny, zbytek tvoří tepelná energie. Bioplynová stanice musí být rovněž vybavena hořákem zbytkového plynu. Pokud produkce bioplynu převyšuje možnosti jeho spotřeby, je v tomto zařízení spalován. Tato situace však není příliš vhodná, neboť nedochází k využívání energie uvolněné při spalování bioplynu.
Zařízení na separaci sulfanu z bioplynu Při výrobě elektrické energie v kogenerační jednotce spalováním bioplynu je vhodné z něho separovat přítomný sirovodík, který negativně působí na životnost motoru. V rámci zemědělských bioplynových stanic se H2S vyskytuje v kejdě prasat; v kejdě skotu a slamnatém hnoji skotu se téměř nevyskytuje. Obsah sulfanu v bioplynu získaném z kejdy prasat se pohybuje v rozmezí 3-4,5 mg.l -1, což je zpravidla mnohem více, než požadují výrobci motorů. Mezi nejčastěji používané metody odstraňování H2S patří: a) Přidávání solí železa ke zpracovávanému substrátu: Princip je založen na skutečnosti, že soli železa obsažené v reakční směsi reagují se vznikajícím H2S za tvorby nerozpustných sulfidů. Takto lze snížit obsah H2S v bioplynu na hodnoty 12-35 mg.m-3. Jako zdroje železa se z ekonomického hlediska jeví nejvýhodnější použití železitých vodárenských kalů vzniklých při úpravě pitné vody. b) Odstraňování H2S na plynárenské hmotě: Tato metoda se běžně používá v plynárenství. Principem je adsorpce H2S na tzv. suché plynárenské hmotě jejíž hlavní součástí je hydratovaný oxid železitý. regenerace se provádí okysličením: 2Fe(OH)3 + 3H2S Fe2S3 + 6H2O H = -63 kj/(mol.) regenerace: Fe2S3 + 1,5 O2 + 3H2O 2Fe(OH)3 +3S H = -603 kj/(mol.)
c) Oxidace hydroxidem železitým Na hydroxid železitý se síra obsažená v H2S váže ve formě sirníku železitého, který je nutno následně likvidovat na skládce.v západní Evropě se používají ocelové piliny a hobliny, které se s přísadou vhodných pojidel a chemických látek zpracovávají na porézní čistící hmotu, kterou lze okysličením regenerovat (ze sirníku železitého se získá zpět hydroxid železitý a elementární síra). Uvádí se, že 1 kg náplně může odstranit H2S ze 100 m3 bioplynu při obsahu sulfanu 0,35 %. Tato metoda je v západní Evropě nejčastěji využívána na drobných bioplynových zařízeních na malých farmách. d) Mokré vypírání H2S roztokem chelatonátu železito-sodného Při tomto způsobu se H2S váže na chelatonát železito-sodný a redukuje se na elementární síru, která se vylučuje z roztoku. Redukovaný prací roztok lze regenerovat vzdušným kyslíkem. K odstranění 1g H2S je potřeba 2,5 g NaHCO3 a 20,24 g trojmocného železa. Při zachycování H2S probíhají tyto reakce: H2S + HCO3- HS - + H2CO3 HS-+ 2[Fe3+(EDTA)4-]- 2[Fe2+(EDTA)4-]2- + S + H+ Výsledkem je prakticky okamžité vylučování síry v amorfní formě. Reakce může probíhat až do úplného vyčerpání železa s oxidačním číslem 3. To se projeví změnou barvy z krvavě červené na žlutozelenou.
e) Regenerace pomocí vzdušného kyslíku: 2[Fe2+(EDTA)4-]2- + 2H+ + 2H2CO3 + O2 4[Fe3+(EDTA)4-]- + 2H2O + 2HCO3- Celý proces probíhá v protiproudové dvoustupňové pračce. V prvním stupni je bioplyn propírán pracovním roztokem, přičemž se vylučuje síra, která se usazuje na dně kolony. V druhém stupni je pracovní roztok regenerován vzduchem. Účinnost odsíření závisí na ph a na teplotě a dosahuje až 99 %. f) Biologický způsob odstranění H2S z bioplynu Metoda je založena na principu, že sirné bakterie (Thiobacillus sp.) ve vodním prostředí za aerobních podmínek oxidují H2S na elementární síru a sírany v závislosti na teplotě a ph. Do reaktoru s fixovanou biomasou se přivádí současně bioplyn a vzduch. Množství přidávaného vzduchu je regulováno tak, aby bioplyn vycházející z reaktoru neobsahoval žádný kyslík. Tímto způsobem lze dosáhnout snížení koncentrace H2S v bioplynu až na 200 ppm. Metoda je použitelná pro systémy s produkcí bioplynu v rozsahu od 20 do 560 m3.h-1.