Uzbrojenie biogazowni

Wstęp

Prawidłowe funkcjonowanie zakładu jakim jest biogazownia, wymaga szeregu dodatkowych urządzeń i instalacji. Poniżej postaram się scharakteryzowań najważniejsze z nich, jak:

  • wzierniki procesowe
  • odwadniacze biogazu
  • wymienniki ciepła
  • świeczki do spalania nadmiernego biogazu
  • zbiorniki biogazu
  • odsiarczalnie

Wzierniki

Lub inaczej wizjery, to przeszklone okna montowane na komorach fermentacyjnych, służące do wizualnej kontroli procesu. Wykonywane są w dachach lub ścianach zewnętrznych zbiornika, powyżej najwyższego poziomu materiału wsadowego i nie posiadają własnego oświetlenia. Obserwacja wymaga zewnętrznego, punktowego źródła światła, najwygodniejsza jest w czasie pochmurnego dnia, lub o zmroku. Szyba wizjera od strony wewnętrznej fermentora narażona jest na wykraplanie się pary wodnej, co bardzo utrudnia obserwację. Większość wizjerów posiada więc system czyszczenia szyby, przy użyciu obrotowej wycieraczki mechanicznej. Na zdjęciu po prawej wizjer firmy Siga-Tech, z serii WZ, montowany do zbiornika przy użyciu kołnierza. Typoszereg zawiera średnice kołnierzy od DN200-600mm. Szyba wykonana jest z hartowanego szkła. Wycieraczka działa obustronnie.

Wymienniki ciepła

Systemy ogrzewania wsadu w fermentorze mogą być wykonane wewnątrz, lub na zewnątrz fermentora. W pierwszym rozwiązaniu wsad ogrzewany jest ciepłem płynącym rurami grzejnymi zamocowanymi na ścianie fermentora. Rury grzejne mogą być wykonane ze stali nierdzewnej, lub tworzyw sztucznych. Poniżej pokazuję kilka rozwiązań.  

BRUGG – firma stosuje do ogrzewania fermentorów system elastycznych rur falistych ze stali nierdzewnej o nazwie rynkowej BIOFLEX. Rury wykonywane są o średnicy nominalnej DN50, łączone są bezpłomieniowo, za pomocą złączy zaciskowych z pierścieniem grafitowym systemu GRAPA. Rury montowane są do ścian fermentora obejmami w odległościach około 1m. System Bioflex poza rurami i systemowymi złączami, oferuje też szczelne przejścia ścienne, uchwyty kątowe, itp. 

Fot. Wymienniki ciepła rurowe firmy BRUGG zamontowane wewnątrz komory fermentora.

UPONOR – dostarcza do ogrzewania fermentorów rury elastyczne z polietylenu sieciowanego PEX-a. W zależności od projektu, rury mogą być montowane, na wewnętrznej ścianie fermentora, wewnątrz ściany (zalane betonem), lub po stronie zewnętrznej, pomiędzy ścianą, a izolacją cieplną. Rury PEX-a  są odporne na substancje chemiczne, uderzenia i pękanie pod wpływem naprężeń. Przy montażu wewnętrz fermentora, tworzą registry na zewnętrznej ścianie. Montaż jest szybki, a uchwyty odporne na korozję. Rury podłączone są do rozdzielaczy tak, aby pojedyncza pętla nie maiła więcej niż 150-200m długości.

Rys. Rury PEX-a zamocowane na ścianie wewnętrznej fermentora (rys. Uponor)

Przy zbiornikach stalowych wygodnym rozwiązaniem jest system grzewczy zewnętrzny (rys. poniżej). Może być on wykonany w dowolnym momencie. Rury PEX-a są w tym wypadku mocowane do przewodzących ciepło lameli z aluminium, a następnie przykrywane powłoką izolacyjną i zabezpieczane płaszczem ochronnym z blachy falistej. 

Rys. Ogrzewanie fermentora wykonane na zewnątrz ściany stalowej (rys. Uponor).

Jeśli możliwa jest instalacja systemu grzewczego w trakcie budowy, rury grzejne korzystnie jest zamocować wewnątrz betonowej ściany, na siatkach zbrojeniowych. System grzewczy nie jest w tym wypadku narażony na uszkodzenie, jak i zarastanie osadami. 

Rys. System Uponor wewnątrz ściany betonowej.

Rury systemu Uponor można łączyć z rozdzielaczami modułowymi, które pozwalają na łączenie nawet do 20 obiegów.

REHAU – oferuje podobne rozwiązania do firmy Uponor. Także tutaj znajdziemy rury z polietylenu PEX-a. Różnice pojawią się w systemach montażowych. System firmy Rehau do ogrzewania fermentorów nosi nazwę rynkową RAUBIO. (fot. poniżej).

Fot. Wymiennik ciepła Rehau Raubio.

Wymienniki ciepła zewnętrzne

Realizowane są poza fermentorem. Materiał wsadowy podgrzewany jest jeszcze przed podaniem do zbiornika. Rozwiązanie takie jest możliwe dla mocno uwodnionego wsadu za pomocą wymienników ciepła typu rura w rurze, lub spiralnych. Poniżej omówię oba rozwiązania.

Wymienniki typu rura w rurze, wykonywane są ze stali nierdzewnej. Wymiana ciepła następuje podczas przeciwprądowego przepływu czynnika grzewczego i ogrzewanej masy wsadowej do fermentora. Przepływ masy następuje w rurze wewnętrznej, o mniejszej średnicy, a czynnika ogrzewanego w rurze zewnętrznej. 

Fot. Wymiennik ciepła HEXONIC

Wymienniki takie są całkowicie odporne na korozję i mają małe opory przepływu, co pozwala na zastosowanie cieczy o dużej lepkości. Dopuszczalna temperatura pracy to aż 110C, ciśnienie do 1,6 MPa. na rysunkach wymiennik Hexonic o modułach długości 3 lub 6m i średnicy rury systemowej (dla biomasy) DN32-200mm. Wymiennik jest łatwy w serwisowaniu. Dzięki kołnierzowym połączeniom można dotrzeć bez problemu do rur na całej ich długości. 

Wymiennik spiralny – zbudowany jest z dwóch pasów blachy zwiniętych spiralnie, w wyniku czego tworzą się dwa koncentryczne kanały, którymi płyną czynnik ogrzewany i gorąca woda. Przepływ jest przeciwprądowy. Jeden czynnik płynie od środka na zewnątrz wymiennika, drugi odwrotnie. Spiralna budowa kanałów powoduje przepływ turbulentny, dzięki czemu nie ma zagrożenia zablokowania przepływu i zarastania osadami.

Rys. Wymiennik spiralny firmy Alfa Laval.

Odwadniacze, osuszacze biogazu

Biogaz spalany w urządzeniach kogeneracyjnych musi być pozbawiony wilgoci, w przeciwnym razie stanowi duże zagrożenie korozyjne. Wilgoć obniża też wartość opałową biogazu. Usuwanie pary wodnej z biogazu prowadzi się w zwykle w odwadniaczach lub osuszaczach biogazu. W odwadniaczach zbierany jest kondensat powstały ze skroplenia pary wodnej i okresowo (po przekroczeniu dopuszczalnego poziomu), przepompowywany do kanalizacji. Osuszacze wspomagają proces odwadniania poprzez gwałtowne schłodzenie biogazu. Biogaz po opuszczeniu komory fermentacyjnej ma zwykle temperaturę rzędu 20-50°C. Po przejściu przez osuszacz temperatury potrafi spaść do nawet 3-6°C.

Fot. Osuszacz biogazu. (fot. Centrum Elektroniki Stosowanej sp.z o.o.)

Typowy osuszacz wyposażony jest w agregat sprężarkowy chłodniczy i płaszczowo-rurowy wymiennik ciepła. Powstająca w trakcie schładzania „mgła wodna” wyłapywana jest łapacz mgłowy i odprowadzania poprzez syfon do zbiornika kondensatu, a stamtąd przepompowywana do kanalizacji. Osuszony, ale schłodzony biogaz jest ponownie podgrzewany w osobnym wymienniku ciepła. Po przejściu przez osuszacz wilgotność biogazu z początkowej wartości 100% spada do około 20-30%. 

Odsiarczanie biogazu

Biogaz pofermentacyjny zawiera duże ilości siarkowodoru H2S, który w połączeniu z wodą tworzy kwas siarkowy, stając się przyczyną przyspieszonej korozji elementów stalowych biogazowni, palników, urządzeń kogeneracyjnych, itp. Siarkowodór jest gazem toksycznym, o przenikliwym zapachu, trującym. Usuwanie siarkowodoru może być prowadzone różnymi metodami, poprzez:

  • odsiarczanie biologiczne
  • odsiarczanie chemiczne na filtrach ze związkami żelaza
  • absorpcja siarkowodoru na filtrach węglowych
  • ługowanie siarkowodoru za pomocą silnych zasad, głównie NaOH

Odsiarczanie biologiczne

Jedną z popularniejszych metod jest bezpośrednie wychwytywanie siarkowodoru w zbiornikach fermentacyjnych za pomocą bakterii siarkowych Sulfobacter oxydans. Pozwalają one przekształcić wytwarzany siarkowodór w proste związki siarki. W tym celu konieczne jest doprowadzenie minimalnych ilości tlenu do wnętrza fermentora, poprzez system nadmuchowy powietrza w części gazowej i stworzenie dodatkowych powierzchni narostowych pod stropem zbiornika. Wykorzystuje się do tego celu nylonowe siatki, lub drewniane ruszty. Bakterie przekształcają siarkowodór w siarkę pierwiastkową, która trafia ponownie do wsadu i usuwana jest z pofermentem.

Bakterie siarkowe wymagają do rozwoju odpowiednich warunków, są czułe na zmiany temperatury, stąd ich różna skuteczność w różnych porach roku. Biologiczne usuwanie siarkowodoru bezpośrednio w fermentatorze jest trudne do nadzorowania i kontroli, powoduje silną korozję wszystkich elementów metalowych znajdujących się w części gazowej. Jest natomiast tanie i z reguły nie wymaga serwisowania.

Odsiarczanie biologiczne można też prowadzić poza komora fermentacyjną, w osobnych zbiornikach. bakterie siarkowe namnażają sie wtedy na specjalnie stworzonych powierzchniach, stanowiących wypełnienie takich zbiorników. Są to na ogół kształtki z tworzyw sztucznych, na których powstaje biologiczny film zawierający bakterie siarkowe Thiobacillus. Odsiarczanie tą metodą jest dużo bardziej skuteczne, pozwala usunąć do 99% siarkowodoru, ułatwia też dozowanie tlenu, a także nadzór nad jakością całego procesu. Poniżej omówię rozwiązanie stosowane przez firmę CES.

Firma produkuje odsiarczalnie w postaci pionowych kolumn, w których na rusztach znajduje się wypełnienie z tworzywa sztucznego zraszane wodą. Powietrze dostarczane jest w ilości 8-13% w stosunku do ilości gazu. Dla zapewnienia rozwoju baterii proces wspomagany jest pożywką i mikroelementami.

Fot (po prawej) Odsiarczalnia biologiczna firmy CES. Opis poniżej.

 Rys. Schemat działania odsiarczalni biologicznej firmy CES. ozn. 1.Wejście gazu
2.Kolumna, 3.Wyjście gazu
4.Dmuchawa powietrza
5.Roztwór pożywki (Nutrient)

6.Przyłącze wody
7.Wykorzystany roztwór
8.Kontrola dostarczanego powietrza
9.Pompa recyrkulacyjna
10.Wymiennik ciepła
11.Panel sterowania.

  Parametry pracy procesu:
– Przepływ gazu: 10 – 5,000 m/h; – Zawartość H2S w gazie: 2 do 20,000 ppm ( 2% obj. ); – Skuteczność usuwania siarkowodoru: > 95%; – Temperatura wejściowa gazu: do 45°C; -Ciśnienie pracy : do 40 mbar; -Temperatura otoczenia: od -30 do +50°C.  

Filtry węglowe i inne absorbenty

Usuwanie siarkowodoru metodą jego sorpcji na aktywnych chemicznie powierzchniach jest skuteczne nawet w 99%. Nadaje się jednak dla gazu o mniejsze zawartości siarkowodoru. Jako absorbenty mogą być stosowane:

  • węgle aktywne
  • tlenki glinu
  • żele krzemionkowe
  • zeolity naturalne i syntetyczne

Z powyższych absorbentów stosunkowo najlepsze wyniki odsiarczania uzyskuje sie na węglach aktywnych, dodatkowo impregnowanych roztworami  Na2CO3,KOH lub NaOH. Zeolity są mniej skuteczne, choć bardziej trwałe. Poprawę skuteczności odsiarczania w ich przypadku uzyskuje się przez modyfikację struktury zeolitów na drodze wymiany jonowej jonami Cu2+. (Micoli L., Bagnasco G., Turco M., H2S removal from biogas for fuelling MCFCs: New adsorbing materials).

Fot. Filtr węglowy do usuwania siarkowodoru i siloksanów (Ecowave)

Odsiarczanie rudą darniową

To znana i sprawdzona metoda usuwania siarkowodoru z biogazu, wykorzystywana z powodzeniem w oczyszczalniach ścieków, czy w instalacjach gazu wysypiskowego. Odsiarczalnik darniowy ma zwykle kształt prostopadłościenny lub walcowy i posiada wewnątrz szereg koszy umieszczonych piętrowo, wypełnionych rudą darniową. Gaz przepływa z dołu do góry. Przykładowy odsiarczalnik firmy BUDEXPOL przedstawia poniższy rys.

Rys. Budowa odsiarczalnika firmy BUDEXPOL. Wysokość i średnica 2200mm, cztery kosze z rudą darniową.

Rudy darniowe zawierają związki żelaza w postaci uwodnionych tlenków Fe(OH)3, które w połączeniu z siarkowodorem mogą tworzyć siarczki żelaza. W zależności od  środowiska proces ten może mieć różny przebieg. W środowisku obojętnym, lub alkalicznym przebiega według reakcji:

Powstaje przy tym siarczek żelazowy. W środowisku kwaśnym powstaje siarczek żelazawy i wolna siarka.

Obie reakcje powodują stopniowe wyczerpywanie się sorpcyjnych zdolności rudy darniowej, aż do całkowitego związania związków żelaza i przebicia siarkowodoru do gazu opuszczającego odsiarczalnik. Korzystniejsza jest przy tym reakcja pierwsza, dlatego proces prowadzi się przy stosowaniu alkalicznego środowiska z wykorzystaniem dodatkowo wodorotlenku wapnia lub wody amoniakalnej. Według badań (lit. „Polskie rudy darniowe, str.211) zapotrzebowanie rud darniowych dla średniej zawartości H2S w biogazie wynosi około 3,3kg/1000m3. Wymiana w typowej biogazowni rudy następuje średnio raz na pół roku.

Ruda darniowa stosowana w odsiarczalniach jest spulchniana wiórami drzewnymi i ma zwykle podwyższony odczyn pH.

c.d.n.