Инсталации за производство на биогаз

Биогазът е екологично чист, икономически изгоден и надежден възобновяем енергиен източник. Производството му дава възможност за генериране на топлинна и електрическа енергия, и подпомага опазването на околната среда поради оползотворяването на органични отпадъци. За целта се използват различен тип системи и съоръжения в зависимост от наличните суровини.

Количеството на суровината определя размера на биореактора, капацитета на блока за съхранение и когенерацията. Качеството на суровината (съдържание на сухо вещество, състав, произход и т.н.) определя технологията на процеса.

В зависимост от съдържанието на сухо вещество в субстрата биогазовите инсталации се подразделят на биогазови инсталации, работещи с течни субстрати, съдържанието на сухо вещество в които е под 30%, и инсталации, работещи с твърди битови отпадъци, където съдържанието на сухо вещество в отпадните субстрати е над 35%.

В случай на течно анаеробно разграждане обикновено се използват едноетапни инсталации, работещи с поточен процес. При двуетапен процес преди основния биореактор се разполага първичен биореактор. Първичният биореактор създава оптимални условия за първите две стъпки на процеса на метаногенезата (хидролиза и образуване на киселини).

След първичния биореактор суровината влиза в основния биореактор, където протичат следващите етапи на процеса на метаногенеза. Ферментиралият субстрат (вторичната биомаса) се изпомпва от биореактора и се складира в резервоари за съхранение.

Алтернативно, вторичната биомаса може да бъде складирана в отворени контейнери с естествено или изкуствено плаващо покритие с цел да се намалят емисиите на лоши миризми. Стандартното приложение на вторичната биомаса е под формата на течен тор за наторяване на селскостопанските земи.

Подготовка и транспортиране на суровината

За по-ефективно протичане на процеса на анаеробно разграждане се препоръчва предварително третиране на суровината. Възможностите за подобряване на суровината и оптимизиране на натоварването на инсталацията са механично натрошаване, дезинтегриране, хидролиза и др.

След предварителната обработка суровините за производство на биогаз се подават в биореактора. Важен аспект от процеса е следенето на температурата на подаваната в биореактора суровина, тъй като температурните разлики повлияват негативно върху биологията на процеса и намаляват добива на газ.

За преодоляване на този проблем и предварителното подгряване на суровината преди въвеждането й в биореактора се използват различни технически решения като топлинни помпи или топлообменници.

Технологията на захранване зависи от вида на суровината и възможността за нейното изпомпване. Годната за изпомпване суровина, като животински торове и някои органични отпадъци, се пренася от резервоара за съхранение към биореактора чрез помпи. Най-често се използват два основни типа помпи: центробежни и бутални.

Центробежните помпи често са потопени в суровината, но могат да се позиционират също така и в суха шахта, близо да биореактора. Буталните помпи високо налягане намират приложение при транспортиране на гъсти суровини с високо съдържание на сухо вещество. Количеството на транспортирания материал зависи от скоростта на въртене, която позволява по-добро управление на помпата и прецизно дозиране на изпомпваната суровина.

Суровините, които не могат да се изпомпват (влакнести материали, трева, царевичен силаж, оборска тор с високо съдържание на слама и др.), могат да бъдат изсипвани в подаващата система. Това обикновено се извършва от товарни машини или трактори, а суровината се подава в биореактора чрез транспортна система, включваща винтова тръба.

Въвеждането на суровината в биореактора трябва да е в плътен поток, за да се ограничи навлизането на кислород и да не се позволи изтичане на биогаз. По тази причина подаващата система въвежда суровината под повърхностния слой на културалната течност в биореактора, като се използват преливни шахти, подаващи бутални цилиндри и подаващи винтови транспортьори.

Анаеробно разграждане на суровината

Анаеробното разграждане на суровината и производството на биогаз се извършват в херметични резервоари, познати като биореактори. Конструктивното им оформление варира от биореактори с обем няколко кубически метра в случай на малки фамилни инсталации до големи промишлени централи с по няколко биореактора с обем няколко хиляди кубически метра.

Те могат да бъдат направени от бетон, стомана, тухли или пластмаса, оформени като силози, корита, басейни или езера, и могат да бъдат разположени под земята или на повърхността. Изборът на проекта и вида на биореактора се определя предимно от съдържанието на вода, респективно на сухо вещество, във ферментиращия субстрат.

Течнофазовата ферментация се използва най-често за разграждане на оборски тор и утайки от пречиствателни станции, докато твърдофазовото разграждане се прилага при производството на биогаз от оборски тор с високо съдържание на слама, твърди битови биологични отпадъци, окосена трева от поддръжката на градините, енергийни култури (пресни или силажирани) и др.

Освен че са херметични, всички биореактори имат система за въвеждане на суровината, както и система за извеждане на вторичната биомаса и биогаза. От гледна точка на подаването и извеждането на суровината съществуват два основни типа биореактори: периодични и непрекъснати.

Периодични и непрекъснати биореактори

Биореакторите с периодично култивиране се зареждат еднократно с партида свежа суровина, която след приключване на анаеробния процес на разграждане се отстранява напълно, а биореакторът се зарежда с нова партида и процесът се повтаря. Периодичният тип биореактори се използват също за комбинирано сухо и течно производство в случай на насипни видове суровина, където се използват отпадна вода и филтрати в големи количества за разреждане на суровината.

Възможността да се третира субстратът не само чрез предварителна обработка и сортиране, но също и чрез непрекъснато омокряне с рециркулиращи филтрати, позволява твърдофазовата ферментация да бъде използвана като подходящ процес за получаване на биогаз от контролирани сметища.

В биореакторите с непрекъснато култивиране суровината се подава непрекъснато или равномерно в биореактора. Материалът се придвижва механично или от налягането на новия подаван субстрат. За разлика от биореакторите с периодично култивиране, тези биореактори произвеждат биогаз без прекъсване на процеса за отвеждане на вторичната биомаса и зареждане с нова суровина.

Те произвеждат постоянно и прогнозирано количество биогаз и вторична биомаса. Съществуват три основни системи биореактори с непрекъснато култивиране: вертикални, хоризонтални и със сложна структура на резервоара. В зависимост от техническото решение за разбъркване на субстрата биореакторите с непрекъснато култивиране могат да се класифицират като напълно размесвани и проточни. Напълно размесваният тип биореактори са в повечето случаи вертикални, а проточните - хоризонтални.

Вертикални и хоризонтални биореактори

Вертикалните биореактори най-общо представляват кръгли резервоари от стомана или железобетон, често с конично дъно за лесно разбъркване и изпразване на пясъчните отлагания. Те са херметични, топлинно изолирани, подгряват се и са оборудвани с бъркалки и помпи.

В повечето случаи биореакторите са покрити с бетонен или стоманен покрив и произвежданият биогаз се пренася от тръбопроводи, като се съхранява във външни съоръжения в близост до биореактора. В други случаи конструкцията на покрива може да бъде херметична мембрана, улесняваща съхранението на произведения биогаз. Мембраната се издува от произведения биогаз или може да бъде закрепена към централната мачта.

Биореакторите, направени от железобетон, са с висока херметичност поради насищането на бетона с вода от влагата, съдържаща се в суровината и биогаза. Бетонните резервоари могат да се намират напълно или частично в земята. Стоманените биореактори се инсталират наземно върху основа от бетон.

Хоризонталните биореактори са с хоризонтални оси и цилиндрична форма. Този тип биореактори обикновено се изработват и транспортират готови до площадката на инсталацията за биогаз, тъй че са ограничени по размер и обем. Хоризонталните биореактори могат да работят в паралел, с цел да се постигне по-голяма пропускателна способност.

Тяхната форма позволява използването на автоматично поточен тип система. Суровината се придвижва бавно от входящата към изходящата страна, формирайки поток през биореактора. Рискът от изхвърляне на неферментирал субстрат е малък, тъй като специфичното време на престой на субстрата в биореактора може да бъде контролирано.

Хоризонталните биореактори с непрекъснат поток се използват обикновено за суровини като птича тор, трева, царевичен силаж или оборски тор с високо съдържание на слама.

Системи за съхранение на биогаза

Изборът на подходяща система за съхраняване на произведения биогаз и нейното коректно оразмеряване значително допринася за ефективността и безопасността на инсталацията. В зависимост от особеностите на инсталацията, големината и количеството произвеждан биогаз могат да се използват немалко решения за съхранение.

Системите за съхранение най-общо могат да бъдат разделени на две основни категории - вътрешни и външни. Вътрешните са интегрирани в самия биореактор и обикновено се обособяват в горната му част. Използва се специална мембрана, която изпълнява и функцията на капак за биореактора.

При по-големите инсталации за производство се предпочита използването на отделни помещения за съхранение на биогаза. Често в зависимост от налягането, при което се експлоатират съоръженията, системите за съхранение могат да бъдат категоризирани на системи ниско, средно или високо налягане.

Най-елементарни и с ниска себестойност, подходящи за локално и междинно съхраняване на биогаза са системите ниско налягане. Към тази категория могат да се причислят съоръженията с плаващ таван и мембранните резервоари. При първия вид промяната в обема на съхранявания газ се осъществява посредством движението на подвижен таван. Мембранните резервоари, от своя страна, могат да бъдат инсталирани като външни резервоари за газ или като куполи върху биореакторите.

Външните резервоари с ниско налягане могат да се проектират под формата на мембранни балони, които се разполагат в сгради, за да се предпазят от влиянието на околната среда и климатичните условия. Могат да бъдат и съоръжения с втора мембрана.

Биогазът може да се съхранява и в резервоари за средно и високо налягане (стоманени резервоари и бутилки под налягане) при налягане между 5 и 250 bar. Този тип съхранение се явява енергоемък и с висока себестойност, поради което е по-рядко използван. За да се предотврати корозията на отделни компоненти на резервоара, е необходимо предварително отстраняване на сероводорода от състава на биогаза, след което пречистеният газ, преди да бъде съхранен в резервоара, е необходимо да бъде леко компресиран.

Съхранението на биогаз без компресиране се допуска, но за кратко време. По тази причина всяка инсталация за биогаз е оборудвана с газов факел. Съответно, при излишък на биогаз, който не може да се съхранява или използва, той бива изгарян. Необходимо е, по възможност, факелът да осигурява максимално изгаряне на метана, за да се ограничи освобождаването на неизгорял метан и други продукти на непълното окисление като например въглероден оксид.

Независимо от вида на съоръженията за съхранение, основно изискване към всички тях е да бъдат херметични и да издържат на промени в налягането. В случаите, при които те са разположени на открито, е необходимо да са устойчиви спрямо въздействието на фактори от околната среда като ултравиолетови лъчи, различни температури, климатични условия. Преди инсталацията да бъде пусната в експлоатация се препоръчва да се провери нейната херметичност.

С оглед на съображенията за безопасност е добре да бъде оборудвана с изпускателни клапани (за подналягане и свръхналягане), за да се предотврати възможността от повреди и създаване на риск за безопасността. Също така е необходимо предвиждането на авариен факел, както и резервоарът да има капацитет за съхранение най-малко една четвърт от дневното производство на биогаз. Обикновено се препоръчва капацитет за съхранение на производството от биогаз за един или два дни.

Ефективност на биогаз инсталацията

Преди да се пристъпи към изграждането на инсталация на биогаз, специалистите съветват да се направи предварителна оценка на нейната ефективност. С оглед постигането на добър икономически резултат е препоръчително предварително да се определят свойствата на произвеждания биогаз, произвежданият обем, възможностите за съхраняване и т. н.

Като решаващ фактор за използваемостта на биогаза специалистите определят неговите свойства от гледна точка на съдържание на вредни вещества и енергийно съдържание. Необходимо е да се определи неговият състав и съдържанието на метан, наличието на вредните вещества и примеси.

Сред нужните данни са и информация относно произвежданото количество и неговото изменение във времето, както и възможностите за съхранение. Обемът на произвеждания биогаз е определящ за избора на тип и мощност на когенерационната система.

При възможност за присъединяване на инсталацията към газопровод е възможно използването и на природен газ за когенерационната инсталация, т. е. комбинирано използване както на природен газ, така и на биогаз (превключване на горивото). Подобно решение се счита за подходящо при нерегулируем обем на подавания биогаз. Също така, при недобро качество на биогаза, той може да се обогати, като се смеси с природен газ.

За избора на подходящ тип когенерационна система и начин на експлоатация е добре да се определят и изискванията към начина на работа на когенерационната система - дали тя ще работи паралелно с мрежата или е по-целесъобразно да се използва в качеството й на авариен източник на електроенергия, или ще се експлоатира в автономен режим. Добре е също така да се уточни действителният разход на енергия на обекта и нейната цена.

Като важен въпрос за енергийната и икономическата ефективност на централата за производство на биогаз се определя и използването на произведената топлина. Обикновено част от топлината се използва за подгряване на биореактора, а приблизително две трети от цялата произведена енергия може да се използва за други цели.

Възможно е и топлината да се използва за производството на студ посредством сорбционни хладилни машини. Други възможни приложения на биогаза са използването му като гориво за захранване на микротурбини и горивни клетки, които са предназначени основно за производство на електроенергия.