Мониторинг на процесите в биогазови инсталации

Инсталациите за биогаз са биологични системи, които с участието на микроорганизми разграждат анаеробно органична материя. Основният продукт е биогаз, богат на метан, който може да се използва като възобновяемо гориво за превозни средства, за генериране на топлина или електричество за локална употреба или за подаване към електроразпределителните мрежи. Преработката включва четири последователни биологични процеси: хидролиза, ацидогенеза, ацетогенеза и метаногенеза. Ако един от тези процеси е засегнат негативно по някакъв начин, той има непосредствено влияние върху другите процеси и биогазовото производство може да стане нестабилно. Това налага мониторинг на процесите в биогазови инсталации.

Текст: списание АгроБио Техника

снимка: Siemens

На фона на изчерпаемите количества изкопаеми горива и спорните въпроси около атомната енергия, начините за оптимизиране процесите на добив на възобновяема енергия добиват все по-важно значение. Един от тях е мониторинга на инсталации за биогаз. За да е възможно оптималното им управление и най-ефективно протичане на процесите в тях, операторът на централата се нуждае от определена ключова информация. Какво е състоянието на биомасата (субстрата) във ферментатора? Колко е нивото на запълване на биореактора? Има ли твърди предмети, плаващи на повърхността? Има ли разпенване на субстрата? Дали смесителя продължава да работи правилно? На тези и редица други въпроси може да се отговори с техника за мониторинг – надеждно и своевременно измерване, регистриране, съхраняване и анализ на данни за подпомагане вземането на решения за правилно управление.

Роля на мониторинга в биогазовото производство

Мониторингът на процесите в производството на биогаз може да ви помогне да разберете какво се случва в инсталацията и да поддържате системата стабилна. Идентификацията на предстояща нестабилност е на ранен етап и може да се избегне. Мониторинговите средства помагат за успешен първоначален старт или рестарт на системата. Причините за нарушаване на процесите са много, а крайният ефект е потискане на микроорганизмите, забавено и влошено анаеробно разграждане (АР), както и негативно влияние на количеството и качеството на биогаза. Ако биомасата във ферментатора е в прекомерно количество, това ще инактивира микроорганизмите. В някои случай инхибирането на микроорганизмените популации може да доведе до пълно спиране на системата и сериозни финансови последици. От друга страна, дългосрочното недостатъчно натоварване на биореактира ще доведе до загуби в приходите, поради намалено производство.

Разходите за мониторинг често са много по-ниски от разходите и пропуснатите ползи, свързани с повторното въвеждане в експлоатация на биологично дестабилизирана инсталация. Например, ако инсталацията за биогаз е с напълно дестабилизирано производство, тя може да бъде изпразнена и повторно заредена с нов инокулум. Това, заедно с необходимия начален период за развиване на инокулима в действаща популацията означава, че няколко месеца ще бъдат загубени. Това ще има сериозни финансови последици за производството.

Не трябва да забравяме и сигурността на системата. Субстратът се съхранява в херметично затворен ферментатор в продължение на 30 дни при температури между 35°С и 57°С, за да се гарантира, че процесът на анаеробно разграждане протича правилно. Микроорганизмите разграждат субстрата, генерирайки отпадъчни газове, като въглероден диоксид, серни газове, водна пара и метан. Най-голямата опасност за инсталации за биогаз се крие във факта, че газовете са възпламеними и могат да се запалят от една искра.

Параметри с решаващо значение за финансово ефективен процес
Има няколко параметъра, които са ключови за постигане на оптимален контрол. Температурата играе решаваща роля. Инсталациите за биогаз, обикновено са мезофилни или термофилни. Първите функционират най-ефективно в температурния диапазон 35-41°С, докато вторите предпочитат около 57°С. Метаногенните бактерии са изключително чувствителни към температурни колебания. Затова температурата на ферментационния процес трябва да се поддържа постоянна, с колебания максимум от ±1°С.

Общото съдържание на твърдо вещество (TS, total solids) или сумарното съдържание на органични твърди вещества (TOS, total organic solids) се използва за изчисляване обемното натоварване на биореактора за целите на управлението на твърдите потоци. Мокрите биореактори работят със ТS от 8-10%, докато специални биореактори могат да работят с TS до 20%. TOS е много важно за експлоатацията на централата. Ако е прекалено високо (например>3kg TOS/(m³.d)), е налице опасност от претоварване на биореактора и зареждането на субстрат незабавно трябва да се намали.

Редокспотенциалът (ORP,rH) на реактора е мярка за окисление и редукция на съдържанието му. Производството на биогаз протича ефективно в анаеробна среда, т.е. rH<330mV. Субстратите, които съдържат кислородни, сулфатни или нитратни групи, при окислението може значително да променят редокспотенциала, а по този начин и рН. Такова отрицателно развитие за ферментационния процес може да се задейства например при промяна в субстрата. Непрекъснати измервания на rH дават ранно предупреждение, преди промяната в рН.

Точно като температурата, pH трябва да се поддържа в оптимална стойност. По време на хидролиза и вкисляване най-доброто рН е между 4.5 и 6.3, а за образуване на метан между 7.0 и 7.7 (в различни източници, тези стойности леко варират). Друг важен за мониторинга показател е киселинният капацитет - мярка за буферен капацитет на биореактора. Колкото по-голям е той, толкова по-бавно се изменя рН. Киселинният капацитет се измерва в mmol/l или mg/l CaCO3. Химичната потребност от кислород (COD, chemical oxygen demand) е важен показател за органичното натоварване. Това е количеството кислород, необходимо за пълно окисляване на всички органични съединения в субстрата до CO2, H2O и NH3. COD е надежден индикатор за енергийния потенциал на ферментационния субстрат.

Важно е и проследяване количеството на мастни киселини. Ниско молекулни мастни киселини, по-специално оцетна, пропионова и маслена киселина се образуват по време на първия и втория етапи на ферментацията. Ако процесът на ферментация протича ефективно, стойностите за тези съединения, изразени като еквивалентно количество оцетна киселина, трябва да са между 500 и 3000mg/l. Тогава процесите на производство на киселини и трансформирането им в метан са в равновесие. Ако концентрацията на киселини стигне над 10,000mg/l, рН ще падне под 7.0 и ще се намали производството на метан.

Амониевите йони (NH4-) са също ключов параметър. По време на АР богати на протеини субстрати като силаж или птичи тор, генерират високи концентрации на амониеви йони. Те са в pH зависимо равновесие с амоняка, който е токсичен за бактериите. Ако рН се увеличава равновесието се измества към амоняка. Редовните проверки на съдържанието на амоняк в биореактора гарантират безаварийно функциониране на производство на биогаз.

Мониторинг на процесите в практиката

Дигитални рНD електроди се използват като съвременно решение за измерване на pH и окислително-редукционния потенциал. Те са напълно капсулирани, така че да не влизат в контакт с течността, която се замерва. Специални солеви мостове преодоляват директния контакт с течността и дават възможност да се правят измервания, на принцип различен от този на конвенционалните мембранни електроди, за дълги периоди и дори в течности с високо съдържание на частици. Интервалите между почистване са удължени. Възпрепятствано е повреждането на електроди от H2S и се избягва разреждането на електролити.

Чрез позициониране на сензорите в подходяща зона за контрол, условията в биореактора или след него могат точно да се определят и следят. При наблюдения от няколко месеца показанията на pH в някои случаи от практиката варират от 6.9 до 7.4, а в други от 7.20 до 7.50. Тези резултати потвърждават, че рН в реакторите не е постоянно. Подобни са резултатите и при показанията на редокспотенциала с колебания между -250 и -476mV. Тези стойности показват, че ферментационните процеси трябва да бъдат правилно разбрани и да се следят внимателно, за да се гарантира оптимална и следователно финансово ефективна експлоатация на производство на биогаз.

Контролер предоставя един регистър за данни и един регистър за събития за всеки сензор, с който е свързан. Регистърът за данни запазва данните от измерванията, извършени през избран интервал от време. Регистърът за събития запазва редица събития, свързани с устройствата, като например промени в конфигурацията, аларми, предупредителни състояния и т.н. Данните и събитията могат да бъдат изведени от регистрите.

Различните съставки в субстрата имат различни структури и оцветявания с много високи изисквания за точното измерване на механичните примеси. Има сонди, който работят по метод на двойната разпръсната светлина, за да отговорят на тези изисквания. Основният принцип се основава на паралелното изчисление на различните разпръсквани светлинни сигнали. Един контролер може да бъде свързан с различен брой сонди (2-8), например за pH, NO3, O2,TS. Възможно е допълнително разширяване чрез свързване в мрежа.

Когато става въпрос за измерване на COD, мастни киселини и амоний е много важно данните да се получат бързо. Ако необходимите измервания се извършват от външни лаборатории, това ще е свързано с високи разходи и понякога значителни закъснения между вземане на проби и наличност на резултатите. Един закъснял отговор на негативно развитие на процесите в биореактора може да доведе до инхибиране на бактериите и нарушаване, дори спиране на производството на биогаз. Поради тази причина е препоръчително биореактора да се наблюдава директно и резултатите да се получават възможно най-бързо с фотометрична станция на място. Този метод на мониторинг е считан за високо постижение на техниката при ПОСВ и навлиза в биогазовото производство.

Йонселективните електроди предлагат друг начин за непрекъснато онлайн измерване на амоний директно в процеса. Тези датчици имат специална мембрана, към която се прикрепят само специфични йони. Като резултат върху повърхността на мембраната се образува йон-специфичен потенциал. За измерване на разликата в потенциалите се използва еталонен електрод, който не се влияе от измерваната среда.

Много оператори на биогазови производства инсталират онлайн измервателни устройства за състава на газа или използват преносими уреди. Измервания на състава на газа включват CH4 и CO2 чрез инфрачервени и полупроводникови сензори, както и H2S и O2 с електрохимични сензори. Биогазовият състав е полезен показател за процеса на мониторинг. Намалено съдържание на метан може да бъде първия знак за биологичното претоварване на реактора, при условие, че съдържанието на субстрата не е променяно скоро. По същия начин, внезапно повишаване на H2S може да предизвика нестабилност на процеса.

Дебитът на получения биогаз също се измерва. Това може да става с ултразвукови сензори, които се инсталират на срещуположни страни в тръбите. Те работят на ротационен принцип, както предавател и приемник. Сигналите, получени при ускоряване на газ по посока на потока и забавяне срещу посоката на потока имат разлика, от която се определя средната скорост на газа, а с напречното сечение се получава обемния поток на газа в тръбите. Измерването не се повлиява от налягане, температура или състав на газа. За да се увеличи точността, скоростта на газа се измерва на повече места.

Съществуват различни методи за онлайн наблюдение на процеса, в които няма измерване на отделни вещества и параметри, а се получава цялостен сигнал, като резултат от различните влияещи си параметри. Такъв е методът на близката инфрачервена спектроскопия (NIRS) или "електронен нос”. Той все още не е много разпространен в инсталации за производство на биогаз, но се очаква това да стане, заради предимството, че данните могат да бъдат изтеглени и наблюдавани по всяко време на всеки компютър с подходящ интерфейс.

Вече са разработени различни автоматизирани системи за мониторинг и контрол на процесите за производство на биогаз. Тук се отнасят разнообразни решения като SCADA софтуер, програмируеми логически контролери с комуникационен порт за връзка с панела за управление, порт с RS485 интерфейс и порт за връзка с биореактора и SCADA системата. Управлението е автоматично чрез софтуера или с панел за управление, от който операторът наблюдава и управлява процеса. Архивират се събития и алармени сигнали, които дават възможност за проследяване на важни за производството процеси.

Ако искате реално да наблюдавате процесите можете да използвате камери за видеонаблюдение. От една страна, те спестяват труда на оператора. Но много по-важното е, че те могат да видят повече от това, което човешкото око може да открие. Специални камери за тези приложения предоставят ясни видео-кадри само при 0.0004 лукса светлина – една малка част от това, от което се нуждае човешкото око. Така те предоставят информация, която иначе не е на разположение. Информацията служи като важна основа да се даде възможност на персонала да вземе правилните решения при контролиране на централата.

Така не е необходимо да се следят всички процеси по всяко време. Достатъчно е системата автоматично да включи аларма, ако нещо се обърка. Датчици предават информация до контролната зала, веднага след като дадено условие е налице. Възможно е конвертиране на видео кадрите в цифрови сигнали. Това дава възможност за почти неограничена наличност на сигнала само с уеб браузър, достъпен чрез интернет. Така цялата информация е на разположение по всяко време не само в контролната зала, но и на всеки компютър или смартфон.