Biogazownia - zasady działania

Autorzy: Dagmara Jagoda-Pużak, Zsuzsanna Iwanicka, Lidia Kata, Ryszard Mocha

Biogazownia – zakład produkujący biogaz z biomasy roślinnej, odchodów zwierzęcych, odpadów organicznych (na przykład z przemysłu spożywczego), odpadów poubojowych lub osadów z oczyszczalni ścieków.

Rodzaje biogazowni:

• przy składowisku odpadów
• oczyszczalni ścieków
• rolnicza
• utylizacyjna

Biogaz - powstaje podczas beztlenowego rozkładu materii organicznej w wyniku procesu fermentacji  metanowej.
Średnio z 1 g substancji organicznych powstaje do 0,5 l biogazu.

Główne składniki biogazu:

• metan (40–80%),
• dwutlenek węgla (20–55%),
• siarkowodór (0,1–5,5%)
• wodór, tlenek węgla, azot i tlen w ilościach śladowych.

Elementy biogazowni:

• układ podawania biomasy
• komory fermentacyjnej wstępnej i wtórnej
• zbiornik magazynowy dla przefermentowanego substratu
• zbiornik biogazu
• instalacja oczyszczania biogazu
• agregat prądotwórczy lub układ kogeneracyjny

Dodatkowe elementy do biometanu:

• układ oczyszczania i tłoczenia biometanu do sieci
• pochodnia biogazu
• inne urządzenia awaryjne (np. kocioł gazowy)

Obecnie najbardziej ekonomiczną metoda wykorzystania biogazu jest produkcja energii elektrycznej i cieplnej w jednostce kogeneracyjnej.

W Polsce aktualnie brakuje biometanowni, stwarza to duży potencjał inwestycyjny.

Biometan uzyskany jest w biogazowni podczas fermentacji metanowej. Po oczyszczeniu z siarkowodoru i odwodnieniu i uszlachetnieniu uzyskuje parametry gazu sieciowego, o gwarantowanej zawartości metanu. Po spełnieniu obowiązujących norm może być wtłaczany do sieci czy skraplany i sprzedawany w butlach tzw. BioLNG.

W Unii Europejskiej działa obecnie 729* biogazowni produkujących biogaz o parametrach gazu sieciowego, który jest wtłaczany do sieci gazowej lub w inny sposób dociera do odbiorców.

Biogazownia to „ferma bakterii”, dlatego aby uzyskać wysoką wydajność biogazu – należy stworzyć dla nich jak najlepsze warunki

Zgodnie z ustawą o OZE biogaz rolniczy - to gaz otrzymywany w procesie fermentacji metanowej surowców rolniczych, produktów ubocznych rolnictwa, płynnych lub stałych odchodów zwierzęcych, produktów ubocznych, odpadów lub pozostałości z przetwórstwa produktów pochodzenia rolniczego lub biomasy leśnej, lub biomasy roślinnej zebranej z terenów innych niż zaewidencjonowane jako rolne lub leśne, z wyłączeniem biogazu pozyskanego z surowców pochodzących ze składowisk odpadów, a także oczyszczalni ścieków, w tym zakładowych oczyszczalni ścieków z przetwórstwa rolno-spożywczego, w których nie jest prowadzony rozdział ścieków przemysłowych od pozostałych rodzajów osadów i ścieków.

Fermentacja metanowa to rozkład substancji organicznych za pośrednictwem mikroorganizmów, w warunkach beztlenowych. Produktem procesu jest biogaz - mieszanka gazów, którego głównym składnikiem jest metan (CH₄) - bezbarwny i bezwonny gaz, mający szerokie zastosowanie w energetyce oraz przemyśle chemicznym. Jego średnia zawartość w biogazie wynosi 60%. W skład biogazu wchodzi również dwutlenek węgla (CO₂) na poziomie około 40%. Pojawiają się również niewielkie ilości zanieczyszczeń, głównie siarkowodoru, azotu, wodoru oraz tlenu. Dokładny skład biogazu zależy przede wszystkim od rodzaju surowców oraz warunków fermentacji. W wyniku fermentacji powstaje substancja pofermentacyjna (tzw. poferment lub pulpa pofermentacyjna), zawierająca cenne składniki odżywcze roślin, takie jak azot, fosfor i potas. Dzięki swoim właściwościom często wykorzystywana jest jako cenny nawóz.

* https://www.europeanbiogas.eu/the-european-biomethane-map-2020-shows-a-51-increase-of-biomethane-plants-in-europe-in- two-years/

Opis procesu technologicznego przykładowej biogazowni

Proces produkcyjny polega na przetwarzaniu surowców pochodzenia rolniczego w procesie mokrej fermentacji metanowej na biogaz, które przetwarzane są na energię elektryczną i ciepło w jednostce kogeneracji. Technologia zakłada przetwarzanie substratów pochodzenia rolniczego takich jak kiszonka z kukurydzy, kiszonka traw, pulpa ziemniaczana i gnojowica w różnych proporcjach. W zależności od ilości stosowanej gnojowicy
do procesu może być dozowana woda technologiczna w celu rozcieńczania fermentującej biomasy.

Kiszonka z kukurydzy jest magazynowana w silosie kiszonki. Gnojowica jest dostarczana na teren biogazowi bezpośrednio z sąsiednich gospodarstw hodowlanych. Wszystkie substraty stałe będą dostarczane do zasobnika dozującego ładowarką, skąd w sposób automatyczny transportowane będą do komór fermentacji. Substraty płynne są dowożone i przetłaczane bezpośrednio rurociągiem do zbiornika wstępnego. Dozowanie substratów
ze zbiornika wstępnego do procesu produkcji odbywa się automatycznie. Substraty stałe wymieszane z ciekłymi w zbiorniku dozującym, są transportowane do komór fermentacyjnych. Jednorodna mieszanina substratów jest następnie pompowana do dwóch głównych komór fermentacji w odpowiednich ilościach i proporcjach.

• Cały układ zapewnia możliwość prowadzenia procesu technologicznego w dwóch etapach: fermentacja wstępna i fermentacja wtórna, lub przestawienia się na fermentację jednoetapową z dozowaniem tych samych ilości substratów do dwóch głównych komór fermentacji. Wybór opcji prowadzenia procesu uzależniony jest od rodzaju przetwarzanych substratów.
• Fermentacja zachodzi w dwóch komorach fermentacyjnych. W obu zbiornikach fermentacyjnych zachodzi proces intensywnej produkcji biogazu. W obu zbiornikach zainstalowano instalację grzewcza zapewniająca utrzymanie stabilnej temperatury procesu w zakresie 37- 40⁰C.
• Biogaz powstający w procesie fermentacji podlega procesowi odsiarczania - w przestrzeni gazowej reaktorów zachodzi proces biologicznego odsiarczania polegający na dozowaniu niewielkich ilości powietrza co pozwala na rozwój bakterii redukujących stężenie siarkowodoru w biogazie. Odsiarczony biogaz przepływa przez ujęcie biogazu z komory fermentacyjnej 2 do sieci biogazu, którą transportowany jest do urządzeń sprężania i uzdatniania II stopnia. II stopień uzdatniania polega na odwodnieniu polegającym na wykraplaniu wilgoci na skutek spadku temperatury gazu. Skropliny z biogazu w postaci kondensatu spływają grawitacyjnie do studzienki kondensatu, z której przepompowywane są do zbiornika pozostałości pofermentacyjnych. Tak przygotowany biogaz kierowany jest do jednostki kogeneracyjnej, gdzie jego energia chemiczna ulega konwersji do energii elektrycznej i cieplnej.
• Energia elektryczna wykorzystywana jest na pokrycie potrzeb własnych obiektu i zasilania sieci elektroenergetycznej.
• Ciepło z kogeneracji ma postać gorącej wody i jest wykorzystywane do pokrycia potrzeb własnych obiektu z możliwością wykorzystania do innych celów użytkowych. W przypadku niewykorzystania całego ciepła z kogeneracji w postaci wody do celów użytkowych jego nadmiar kierowany jest na chłodnicę wentylatorową.
• Ciecz pofermentacyjna przetłoczona zostaje do separatora frakcji stałej nawozu pofermentacyjnego.
• Frakcja stała odbierana będzie w kontenerze, do którego stały nawóz spada grawitacyjnie.
• Frakcja ciekła nawozu kierowana będzie do zbiornika magazynowego – zbiornika pozostałości pofermentacyjnych. Do celów magazynowych planuje się wykorzystać dodatkowy istniejący zbiornik, do którego nadmiar płynnego nawozu będzie przetłaczany pompowo.