Биогазови инсталации

През последното десетилетие в Европа все повече навлязоха биотехнологиите за производство на биогаз и оползотворяване на биошлама, който е продукт за повишаване на плодородието на почвата. Производството на биогаз от животински, хранителни, растителни и канализационни отпадъци създава възможност за получаване на топлинна и електрическа енергия. Това налага използването на специално технологично оборудване, а именно силози-бункери, резервоари за течни суровини, биореактор, системи за съхранение на биогаза. В статията ще разкажем за технологичните етапи на производство на биогаз, за транспорта, съхранението и предварителната обработка на суровините, за видовете биореактори за производство на биогаз и съоръженията за съхранението му.

Текст: списание Енергия

Биогазът се произвежда в специално предназначени инсталации, които представляват сложни съоръжения, състоящи се от различни основни елементи. В най-голяма степен видът на оборудването зависи от вида и количеството на изходните суровини. В зависимост от вида на сухото вещество в преработваната биомаса анаеробната ферментация, протичаща в биореактора на инсталацията, се разделя на два основни вида - мокра и суха. При сухата ферментация смесени битови отпадъци или органични отпадъци със съдържание на сухо вещество над 35%, както и енергийни култури и силажи периодично, се зареждат един върху друг в биореактор. В биореактора при температура от 40^°C и в продължение на 28-30 дни се извършва ферментацията на заложената биомаса.

Съотношението на смесване на прясна с ферментирала биомаса е 40%:60%. По този начин става заразяване на прясната биомаса от ферментиралата. Освен селскостопанска отпадъчна биомаса, може да се използва и отпадъчна дървесна биомаса, която е богата на лигнин, целулоза, белтъци, мазнини, восъци и смоли. Последната се добавя към ферментиралата биомаса в съотношение 20%:80%, като задължително се овлажнява. Мократа ферментация е по-често използваната технология за производство на биогаз. Течната фаза на отпадъчната биомаса създава добра възможност за обмяната на хранителни вещества и енергия между анаеробните бактерии и преработваните субстрати.

Както и при сухата ферментация, тук могат да се смесват различни субстрати в определено процентно съотношение. Широко приложение има смесването на течни и твърди субстрати. Съдържанието на сухо вещество в тях трябва да е под 30%. В резултат на мократа ферментация се получава биогаз, който се отделя от органичната течност. Полученият биогаз се състои основно от метан и въглероден диоксид. Скоростта на анаеробните ферментационни процеси, а също и добива на получения биогаз, силно зависят от температурата.

Етапи на производството на биогаз 

Съществуват две технологични системи за производство на биогаз - проточна непрекъсната система и система с прекъснато действие. При проточната система биомасата се подава в реактора непрекъснато или през кратки интервали от време. При осигуряване на оптимални показатели (концентрация на сухо вещество, температура и добро смесване) процесът протича ефективно и с непрекъснато отделяне на биогаз. Системата с прекъснато действие се характеризира с еднократно зареждане, извършване на процеса на анаеробно разграждане и изпразване на реактора.

Такава система никога не се изпразва напълно от шлама, който е вторично твърдо и течно вещество. Последният служи за започване на биопроцеса, т. нар. мая, закваска. Първият основен етап на производството на биогаз при фермерските инсталации включва транспорт, доставка, съхранение и предварителна обработка на суровината, вторият се състои от получаване на биогаз и вторична биомаса чрез анаеробна ферментация в биореактор-ферментатор, третият етап обхваща съхранението на вторичната биомаса, евентуално третиране и употреба, а четвъртият етап се изразява в съхранение на биогаза, очистване и оползотворяване.

Транспорт, съхранение и предварителна обработка на суровините

Транспортът и доставката на суровините имат съществена роля за работата на инсталацията за биогаз. Необходимо е стабилно и непрекъснато снабдяване със суровини с подходящо качество и количество. Съхранението на суровината се налага за компенсиране на сезонните колебания в доставката є. Улеснява се и смесването на различните субстрати за подаване към биореактора, без да се прекъсва процесът. В зависимост от вида на суровината, складовете се разделят на силози-бункери за твърди суровини, например царевичен силаж и резервоари за съхранение на течни суровини, например оборски тор.  Силозите-бункери имат капацитет за съхраняване на суровината за повече от една година, а резрвоарите за оборски тор за не повече от няколко дни.

За предотвратяване отделянето на емисии от лоши миризми, всички резервоари за съхранение трябва да са покрити. Предварителната подготовка на свежата биомаса се извършва с цел подобряване на нейното качество. То оказва влияние както върху ефективността на подаването є към биореактора, така и върху процеса на анаеробната ферментация. Възможностите за подобряване на суровината и оптимизиране на натоварването на инсталацията за производство на биогаз са механичното натрошаване, дезинтегрирането (за утайки от пречиствателни станции), хидролизата и др. Хомогенността на биомасата е важна за анаеробната ферментация. Течната суровина се хомогенизира чрез разбъркване в резервоара за съхранение.

Твърдата суровина се хомогенизира по време на процеса на подаване към ферментатора. След съхранение и предварителна обработка, суровините за производство на биогаз се подават в биореактора. Видът на използваните технически средства за захранване зависи от вида на суровината и възможността за изпомпването є. Така например животинските торове и голям брой органични отпадъци се подават в биореактора чрез помпи. Използват се центробежни и бутални помпи високо налягане. Центробежните помпи са потопени в суровината. Могат да се поставят и в суха шахта близо до реактора. Ротационно-буталните помпи развиват по високо налягане от центробежните.

Достигат голям напор с намален капацитет на преноса. Използват се за транспортиране на гъсти суровини с високо съдържание на сухо вещество. Влакнестите материали като тревата, царевичния силаж, оборската тор с високо съдържание на слама не могат да се изпомпват. Затова те се изсипват направо в подаващата система. За целта се използват товарни машини или трактори. Суровината се подава в биореактора чрез транспортна система, представляваща винтова тръба. Транспортната система се управлява автоматично. С цел предотвратяване навлизането на кислород и изтичане на биогаз от биореактора, суровината се въвежда в него под формата на плътен непрекъснат поток.

Подаващата система въвежда суровината под повърхностния слой на културалната течност. Използват се преливни шахти, подаващи бутални цилиндри, подаващи винтови транспотьори. Голямо значение за оптималното протичане на анаеробната ферментация в биореактора има температурата на суровината. Температурните разлики се отразяват негативно върху процеса на анаеробно разграждане и се намалява добивът на биогаз. Затова суровината преди въвеждането в биореактора се подгрява чрез топлинни помпи или топлообменници.

Биореактори за производство на биогаз

Биогазoвата инсталация е сложно съоръжение, състоящо се от различни основни елементи. Техническото оборудване в инсталацията зависи от вида и количеството на изходните суровини. Основното съоръжение в инсталацията за производство на биогаз е биореакторът (ферментаторът). Той е свързан и с голям брой други компоненти. Биореакторът представлява херметичен цилиндричен резервоар с конично дъно и куполна покривна конструкция. Основните му елементи са корпусът, помпената станция, разбъркващите устройства на суровината, системите за въвеждане на суровината, системите за отвеждане на вторичните продукти и биогаза. В повечето случаи биореакторите са покрити с бетонен или стоманен покрив. Отделеният биогаз се пренася по тръбопроводи и се съхранява във външни съоръжения близо до биореактора.

В други случаи конструкцията на покрива може да бъде херметична мембрана, улесняваща съхранението на произведения биогаз. Анаеробните биореактори трябва да са топлоизолирани и подгрявани. Обемът на биоректора може да варира от няколко кубически метра за малки биогазови инсталации до големи промишлени централи с по няколко биореактора и с няколко хиляди кубически метра. Видът на биореактора се определя от съдържанието на водата и сухото вещество в субстрата. Както споменахме по-горе, в зависимост от вида на сухото вещество, анеробната ферментация се разделя на два основни вида - мокра и суха. Сухата ферментация се осъществява при съдържание на сухо вещество в субстрата над 35%, а мократа при съдържание на сухо вещество под 30%.

Мократа ферментация се използва най-често за разграждане на оборски тор и утайки от пречиствателни станции за отпадни води. Сухата ферментация се прилага за разграждане на оборски тор с високо съдържание на слама, твърди битови биологични отпадъци, окосена трева от поддръжката на градините, енергийни култури, пресни или силажирани, и др. В зависимост от подаването и извеждането на суровината, биореакторите се разделят на периодични и непрекъснати. Биореакторите с периодично производство на биогаз се зареждат еднократно с партида свежа суровина. След приключване на анаеробния процес на разграждане, той се изпразва от биомасата. Следва зареждане с нова партида и процесът се повтаря. Важно за инсталацията с периодичен биореактор е да има газхолдер с голям обем или няколко реактора.

Целта е да се осигури непрекъснатост в доставянето на биогаза. Такива реактори са подходящи за малки фамилни стопанства. За разлика от течната ферментация, сухата ферментация изисква разбъркване и смесване на суровините по време на метаногенезата. Температурите на процеса и на филтрата се регулират с вградена отоплителна система и топлообменник. Последният се явява резервоар на филтрираната течност. Периодичните реактори се използват за комбинирано сухо и течно производство на биогаз при насипни видове суровина. За целта се използват отпадна вода и филтрати в големи количества за разреждане на суровината. Предимствата на периодичните реактори в сравнение с другите системи засягат разходите за процеса и механизацията му. Недостатък са по-високите разходи за енергия и поддръжка.

Непрекъснатите биореактори се зареждат непрекъснато или равномерно, а вторичната биомаса се извлича периодично. Добре би било използваната суровина да бъде еднородна и в течно състояние. Материалът се придвижва през биореактора механично или от налягането на подавания нов субстрат. За разлика от периодичните реактори, непрекъснатите произвеждат биогаз без прекъсване на процеса за отвеждане на вторичната биомаса и зареждане с нова суровина. Непрекъснатите реактори произвеждат постоянно и прогнозирано количество биогаз и вторична биомаса. Затова в днешно време последните са по-често изграждани заради високата си ефективност. Те могат да преработват и комбинирана суровина, например слама и течни животински отпадъци. Сламата бавно изгнива и се използва за периодичен товар.

С нея непрекъснатия реактор се зарежда два пъти в годината. Другите течни отпадъци се подават и отвеждат от него непрекъснато. Съществуват три основни вида непрекъснати биореактори - вертикални, хоризонтални и със сложна структура на резервоара. В зависимост от начина на разбъркване на субстрата, непрекъснатите биореактори се разделят на напълно размесвани и проточни. Напълно рамесваните биореактори в повечето случаи са вертикални, а проточните хоризонтални. Вертикалните биореактори са кръгли резервоари от стомана или железобетон, 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. Конструкцията на покрива е херметична единична или двойна мембрана за съхраняване на произведения биогаз.

Биореакторите от железобетон са с висока херметичност. Тя се дължи на насищането на бетона с вода от влагата, съдържаща се в суровината и биогаза. Стоманените биореактори се инсталират върху бетонна основа. Стоманените листи са заварени или свързани един към друг с болтове. Заваръчните шевове се подсилват. Хоризонталните биореактори са с хоризонтални оси и цилиндрична форма. Този вид биореактори се изработват предварително и се транспортират готови до площадката на инсталацията за биогаз, т. е. ограничени са по размер и обем. Стандартният тип хоризонтален стоманен биореактор за малки биогазови инсталации е с обем 50-150m³. Същият може да се използва за предварителна ферментация при по-големи централи. Хоризонталните биореактори могат да работят паралелно с цел постигането на по-голяма пропускателна способност.

Тяхната форма позволява използването на автоматично поточен тип система. Суровината се придвижва бавно от входа към изхода, като формира поток през биореактора. Рискът от изхвърляне на неферментирал субстрат е малък. Специфичното време за престой в биореактора може да се контролира. Хоризонталните биореактори с непрекъснат поток преработват суровини като птича тор, трева, царевичен силаж или оборски тор с високо съдържание на слама. Изолираният биореактор е оборудван с подгряваща система, купол за съхранение на газа, тръби за оборския тор и бъркалка. Подгряващата система се състои от подгряващи тръбопроводи с противоточно подаване на топла вода или вградени по диагонал радиатори. Витлата на бавно въртящата се бъркалка са разположени спирално по оста на въртене. Осигурява се равномерно разпределение на усукващия момент.

Големият брой витла позволява транспортирането на пясъчните отлагания до дренажния резервоар. Чрез осигуряване на непрекъснат равен обем на входящия и изходящия поток на суровината се постига средно време на престой от 15-30 дни. Нивото на запълване на биореактора трябва да достига една и съща стойност, да се поддържа до едно и също ниво чрез допълнително подаване или източване на суровината. Големите биогазови инсталации се състоят от няколко биореактора със сложна конструкция. Експлоатират се като системи с непрекъснат поток, състоящи се от няколко основни и вторични биореактори. Те могат да бъдат вертикални и хоризонтални. Резервоарите за съхранение на вторичната биомаса се използват и като вторични биореактори. Те трябва да са покрити с херметична мембрана, защото синтеза на биогаз продължава във вторичния реактор и при по-ниска температура.

Съоръжения за съхранение на биогаз

Производството на биогаз трябва да се поддържа стабилно и постоянно. Количествата на отделения биогаз в биореактора се колебаят във времето. За намаляване на разликата между производството и потреблението се налага произведеният биогаз да се съхранява временно в специални съоръжения. С тях се намаляват загубите на биогаз и се увеличава безопасността и надеждността на инсталацията. Съществуват вътрешни и външни системи за съхранение на биогаз - биогаз хранилища. Вътрешните биогаз хранилища са създадени в горната част на биореактора. Използва се специална мембрана, която служи за капак на биореактора. Външните биогаз хранилища са отделни помещения към по-големите биогазови инсталации Съоръженията за съхранение на биогаз се експлоатират при ниско, средно или високо налягане. Резервоарите с ниско налягане се състоят от мембрани.

Мембранните резервоари са инсталирани като външни резервоари за газ или като куполи върху биореакторите. Външните резервоари с ниско налягане се проектират под формата на мембранни балони. Те са съоръжения с втора мембрана. Мембраната се разширява в зависимост от обема на съдържащия се газ. Разполагат се в сгради с цел предпазване от климатичните условия. Биогазът може да се съхранява в стоманени резервоари за средно и високо налягане, между 5bar и 250bar. Такова съхранение е енергоемко и с висока себестойност.  Преди съхраняване биогазът слабо се компресира, а съхранението му без компресиране е възможно за кратко време, затова всяка инсталация за биогаз е оборудвана с газов факел. При излишък на биогаз, който не може да се съхранява и използва, той задължително се изгаря.

Факелът трябва да осигурява макасимално изгаряне на метана. Целта е да се намали отделянето на продукти от непълното окисление, например въглероден оксид. Съоръженията за съхранение на биогаз трябва да са херметични и да издържат на налягане и преди пускане на инсталацията в експлоатация се тества тяхната херметичност. За гарантиране на безопасността им е необходимо да са оборудвани с изпускателни клапани за подналягане и свръхналягане. Изисква се също и наличие на авариен факел. Биогаз хранилището трябва да има капацитет за съхранение най-малко 25% от дневното производство на биогаз. Препоръчва се капацитет на съоръжението за съхранение на производството от биогаз за един или два дни. Когато последното е разположено на открито, то трябва да е устойчиво на въздействието на ултравиолетовите лъчи, различните температури и климатичните условия.