20100117_Artykul_3_Olaf

Nr. 102 - 2010/2

Przegl

d technologii produkcji biogazu (cz

ęść

trzecia)

mgr in

., Dipl.-Ing. Olaf Kujawski (LimnoTec GmbH, Hille)

Niniejszy artykuł opisuje w szczególno

ci obecnie najcz

ęś

ciej stosowane

technologie

magazynowania,

uzdatniania

oraz

energetycznego

wykorzystywania biogazu jak równie

technologi

przetwarzania pozostało

pofermentacyjnej.

Magazynowanie biogazu

Biogaz jest gromadzony oraz buforowany w bezci

nieniowych zbiornikach

umieszczonych na wi

kszo

ci biogazowni nad komorami fermentacji. Rzadziej do

tego celu, ze wzgl

dów finansowych, stosuje si

zewn

trzne zbiorniki. Ci

nienie w

zbiornikach biogazu tylko nieznacznie ró

ni si

od ci

nienia atmosferycznego (± 5

mbar) natomiast ich ł

czna obj

ść

wystarcza na pare godzin pracy instalacji. W

zale

ci od pory roku, temperatura biogazu wynosi od kilkunastu do około 40

C. Z

uwagi na bezpiecze

stwo eksploatacji, zbiorniki biogazu musz

wyposa

one w

system pomiaru ich napełnienia oraz urz

dzenia zabezpieczaj

ce przed nad- lub

podci

nieniem.

Jak mo

na wykorzysta

biogaz?

Biogaz jest mieszanin

ró

nych gazów: metanu (50 – 75 % obj.), dwutlenku w

gla

(25 – 50 % obj.), pary wodnej (2 – 7 % obj.), siarkowodoru (20 – 20.000 ppm), azotu
(< 2 % obj.), wodru (< 1 % obj.) oraz tlenu (< 1 % obj.). Zwi

zki niepo

Ŝą

dane w

biogazie to przede wszystkim siarkowodór oraz para wodna oraz w przypadku
niektórych technologii energetycznego wykorzystania biogazu dwutlenek w

gla. W

zale

ci od sposobu jego wykorzystania biogaz musi zosta

odpowiednio

przetworzony lub uzdatniony (rys 1).

Nr. 102 - 2010/2

Rys 1 metody uzdatniania i wykorzystania biogazu [1] (1 - ogniwa paliwowe typów
SOFC, MCFC; 2 – ogniwa paliwowe typów PAFC, PEMFC)

Odsiarczanie i osuszanie biogazu

Proces odsiarczania mo

e by

realizowany przy u

yciu metody biologicznego

utleniania siarki lub na drodze fyzyko-chemicznej przy zastosowaniu specjalnych
urz

dze

i zwi

zków chemicznych. Zwykle metoda biologiczna stanowi pierwszy

etap odsiarczania. Najcz

ęś

ciej stosowany wariant tej technologii polega na

wdmuchiwaniu tlenu lub powietrza atmosferycznego do zbiorników biogazu.
Odsiarczanie biologiczne mo

e by

równie

realizowane w reaktorach zewn

trznych.

Technologia ta polega na uzyskaniu w biogazie stosunkowo niskiego st

ęŜ

enia tlenu

(około 1%). W takich warunkach rozwijaj

bakterie utleniaj

ce siark

z postaci

S do siarki atomowej zgodnie z reakcj

S + 0,5 0

-> S(

↓

) + H

Odsiarczanie chemiczne mo

na realizowa

zarówno w reaktorze biologicznym lub w

specjalnie do tego celu skonstruowanej kolumnie (reaktor zewn

trzny). W obu

przypadkach siark

z biogazu usuwa si

za pomoc

zastosowania zwi

zków

chemicznych takich jak chlorki

elaza III i II, wodorotlenek sodu oraz wodorotlenek

elaza. Odsiarczanie biogazu mo

na równie

przeprowadza

na drodze adsorpcji

przy wykorzystaniu w

gla aktywnego.

Odsiarczanie pełni bardzo wa

rol

ze wzgl

du na korozyjne wła

ciwo

zwi

zków siarki, Dlatego w biogazie, zgodnie z zaleceniami producentów

kogeneratorów, nie powinno by

cej ni

200 – 300 ppm H

S. Odsiarczanie

biologiczne jest stosunkowo tanie jednak nie gwarantuje odpowiednio niskich st

ęŜ

S w ka

dym przypadku. W wypadku zastosowania substratów o wysokiej

zawarto

ci siarki (np. gnojowicy

skiej lub rzepaku) istnieje konieczno

ść

wykorzystania dro

szych lecz skuteczniejszych metod odsiarczania fizyko-

chemicznego.

Zawarto

ść

pary wodnej w biogazie powoduje znaczne obni

enie jego warto

opałowej. 1 m

biogazu w temperaturze 35

C zawiera około 40 g wody. Biogaz

na „osuszy

” poprzez obni

enie jego temperatury lub/oraz przez podwy

szenie

jego ci

nienia. W wyniku zmiany tych parametrów para wodna kondensuje. Proces

ten ma miejsce ju

w przewodach biogazu natomiast jego zintensyfikowanie jest

liwe poprzez zastosowanie instalacji osuszania biogazu wyposa

onych w

spr

ęŜ

arki oraz chłodziarki biogazu.

Po odsiarczeniu oraz osuszeniu biogaz nadaje si

do bezpo

redniego wykorzystania

w piecach, silnikach kogeneratorów oraz niektórych typach ogniw paliwowych (typy:
SOFC i MCFC). Pozostałe technologie energetycznego wykorzystania biogazu
wymagaj

jednak jego dalszego uzdatniania w celu usuni

cia lub zminimalizowania

ilo

ci CO

czyli inaczej mówi

c wzbogacenia biogazu.

Nr. 102 - 2010/2

Produkcja energii

Zdecydowanie najcz

ęś

ciej stosowan

technologi

produkcji energii z biogazu jest

kogeneracja, czyli równoczesna produkcja energii elektrycznej i cieplnej w tak
zwanym kogeneratorze (fot. 1). Składa si

on z silnika gazowego przetwarzaj

cego

energi

chemiczn

biogazu na mechaniczn

oraz generatora energii elektrycznej.

Ciepło wytwarzane przez kogenerator jest ujmowane w procesie jego chłodzenia. W
zale

ci od zastosowanego silnika wyró

nia si

dwa typy kogeneratorów: ze

zmodyfikowanymi silnikami diesla oraz z gazowymi silnikami tłokowymi Otto.
Pierwszy rodzaj kogeneratora wymaga ci

głego dostarczania małej ilo

ci paliwa (np.

diesel, biodiesel, olej ro

linny). Jego zalet

jest nieprzerwana praca nawet przy

niskim st

ęŜ

eniu metanu w biogazie, natomiast jego wad

jest konieczno

ść

zastosowania dodatkowego paliwa. Drugi rodzaj kogeneratora, z gazowym silnikiem
tłokowym jest obecnie du

o cz

ęś

ciej stosowany przede wszystkim z powodów

ekologicznych (brak dodatkowego paliwa). Ijego niew

tpliw

zalet

jest konstrukcja

zaprojektowania do spalania biogazu jednak wad

niska efektywno

ść

przy niskim

ęŜ

eniu metanu. Ł

czna sprawno

ść

wytwarzania energii w procesie kogeneracji

wynosi około 85%. Efektywno

ść

wytwarzania energii elektrycznej waha si

, w

zale

ci od producenta i wielko

ci kogeneratora, w granicach od 33 – 45 %

[1]

Obecnie najcz

ęś

ciej buduje si

biogazownie o mocy w przedziale od 500 do 1.500

. Elektrociepłownie tej wielko

ci idealnie nadaj

do zastosowania w ramach

tak zwanej energetyki rozproszonej. Przy takim sposobie wytwarzania i dostarczania
energii, z uwagi na stosunkowo niewielkie odległo

ci od wytwórcy do odbiorcy straty

na przesyłach s

znacznie ni

sze ni

w wypadku energetyki konwencjonalnej.

Kogeneracja biogazu jest wi

c bardzo efektywnym sposobem wytwarzania oraz

dostarczania do odbiorcy ko

cowego energii elektrycznej i ciepła.

Fot 1 Kogenerator (archiwum autora)

Biogaz mo

na równie

przetwarza

na energi

eklektyczn

i ciepło w ogniwach

paliwowych, silnikach sterlinga oraz mikro turbinach gazowych. Wysokie koszty

Nr. 102 - 2010/2

inwestycyjne jak na razie hamuj

zastosowanie tego typu technologii na

biogazowniach.

Usuwanie CO

z biogazu. Produkcja biometanu

Zgodnie z [2] i [3] jedn

z dwóch najbardziej rozpowszechnionych metod usuwania

z biogazu w Europie jest absorpcja chemiczna za pomoc

technologii płuczki

wodnej. Proces opiera si

na ró

nej zdolno

ci do rozpuszczania gazów w wodzie.

Gazy takie jak CO

(dwutlenek w

gla) oraz H

S (siarkowodór) jak i NH

(amoniak)

łatwiej ulegaj

absorpcji ni

polarne hydrofobowe w

glowodory (np. CH

– metan).

Drug

co do cz

sto

ci zastosowania w Europie technologi

jest adsorpcja przy

zmiennym ci

nieniu (eng. PSA - Pressure Swing Adsorption). CO

ulega adsorpcji na

glu aktywnym, sitach molekularnych (zeolitach) oraz porowatych polimerach w

warunkach wysokiego ci

nienia oraz niskiej temperatury. Obydwie metody pozwalaj

na produkcj

biometanu o czystej zawarto

ci metanu na poziomie 98 – 99 %.

Rzadko stosowane w praktyce rozwi

zania do usuwania CO

z biogazu to

technologia Selexo, absorpcja chemiczna za pomoc

Etanoloaminy, filtracja

membranowa oraz technologia niskich temperatur.

Wszystkie wymienione powy

ej technologie charakteryzuj

stosunkowo wysokimi

kosztami inwestycyjnymi oraz eksploatacyjnymi, dlatego te

usuwanie CO

z biogazu

znalazło dotychczas swoje zastosowanie jedynie na kilkunastu biogazowniach w
Szwecji, Niemczech i Austrii. Coraz dynamiczniejszy post

p w tej dziedzinie i

rosn

ce ceny kopalnych no

ników energii pozwalaj

jednak mie

nadziej

, ze ju

niedalekiej przyszło

ci technologie te b

powszechniej stosowane. Po usuni

ciu

w biogazie zawarto

ść

metanu dorównuje gazowi ziemnemu. Gaz po takim

procesie mo

na wprowadzi

zatem do sieci, wykorzysta

jako paliwo oraz do

produkcji ciepła i energii elektrycznej w ogniwach typów PAFC, PEMFC.

Obróbka, składowanie i wykorzystanie pozostało

ci pofermentacyjnej

Pozostało

ci pofermentacyjne znakomicie nadaj

jako nawóz dla rolnictwa,

poniewa

posiadaj

wysokie zawarto

ci pierwiastków biogennych takich jak azot (N),

fosfor (P) oraz potas (K). W zale

ci od wyboru technologii wyró

nia si

płynne

oraz stałe pozostało

ci pofermentacyjne.

Pozostało

ci płynne mog

składowane w zbiornikach otwartych lub przykrych

dachami gazoszczelnymi, poddane procesowi separacji na frakcje o wysokiej suchej
pozostało

ci i frakcj

o niskiej suchej pozostało

ci lub odwadniane.

Pozostało

ci pofermentacyjne nie mog

zgodnie z polskim prawem [4] od 31.11

do 01.03 wykorzystywane do nawo

enia pól. Obiekty biogazowni musz

zatem

wyposa

one w zbiorniki o odpowiedniej pojemno

ci. Pokrycie tych zbiorników

magazynowych mo

e powodowa

dodatkowe uzyski biogazu.

Płynne pozostało

ci pofermentacyjne posiadaj

ce such

pozostało

ść

na poziomie

powy

ej 6 - 8 % mo

na podawa

procesowi rozdzielenia na frakcje. W wyniku

rozdziału przy u

yciu stosunkowo prostych technik separacji (np. prasa

rubowa, fot

2) mo

liwe jest uzyskanie pozostało

ci o warto

ci około 20% suchej masy (fot. 3)

oraz płynnej pozostało

ci o około 3 – 5 % suchej masy. Proces ten pozwala zatem

Nr. 102 - 2010/2

na biogazowni. W wyniku odwadniania z pozostało

ci fermentacyjnej mo

wytwarza

nawóz granulowany.

Podsumowanie

Biogaz  jest  produktem  fermentacji  metanowej.  Dalsze  energetyczne  wykorzystanie
tego  surowca  determinuje  sposób  jego  przygotowania  oraz  konieczne  kroki  jego
uzdatniania.  Pozostało

ci pofermentacyjne to nie tylko odpad ale równie

wysokowarto

ciowy produkt biogazowni, który z powodzeniem mo

e konkurowa

nawozami sztucznymi. Jego odpowiednia obróbka mo

e przyczyni

oszcz

dno

ci kosztów inwestycyjnych oraz eksploatacyjnych.

Literatura

Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e.V. (KTBL)
(2007): Faustzahlen für Biogas, Herausgeber: KTBL und Fachagentur
Nachwachsende Roh-stoffe e.V. (FNR)

Beil M., Hoffstede U. (2009): Biomethan als Fahrzeugkraftstoff –
Praxiserfahrungen aus Europa.

KTBL (2009): Die Landwirtschaft als Energieerzeuger, Darmstadt

Rozporz

dzenie Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi z dnia 16 kwietnia 2008 r. w

sprawie szczegółowego sposobu stosowania nawozów oraz prowadzenia
szkole

z zakresu ich stosowania, Dz.U. 2008 nr 80 poz. 479