Zbiorniki biogazowni – do wyboru, do koloru. Wariacje na fermentatory

zobacz artykuł w formie pdf zobacz pdfa  zobacz pdfa      

Istnieje bardzo duża rozpiętość różnych wariantów budowy zbiorników, a co za tym idzie – także ich ceny oraz wydajności fermentacji. Koncepcja budowy zbiorników jest jednym z najważniejszych wyborów, które należy dokonać w trakcie planowania inwestycji w biogazownię.

Funkcje zbiorników
Proces fermentacji metanowej składa się z 4 głównych faz prowadzonych przez odmienne grupy bakterii. Idealną sytuacją byłoby, gdyby każda faza fermentacji zachodziła w osobnym zbiorniku. W tym kierunku poszła jedna z niemieckich firm, która opatentowała technologię fermentacji w 6 osobnych fermentorach, a następnie wybudowała instalację o mocy 4 MWe. Jednak koszt budowy był tak wysoki, że mimo bardzo dobrej wydajności fermentacji firma zbankrutowała już po dwóch latach eksploatacji.

Przytłaczająca większość zbiorników fermentacyjnych biogazowni w Europie pracuje w technologii mokrej, mezofilnej (35-42oC), jedynie nieliczne (głównie w Danii) działają w fermentacji termofilnej (48-56oC). Podstawową funkcją zbiorników fermentacyjnych pracujących w typowej fermentacji mokrej jest prowadzenie rozkładu substratów rozpuszczonych w środowisku wodnym (8-12% suchej masy), w efekcie czego następuje produkcja biogazu w wyniku rozkładu substancji organicznej, a efektem ubocznym jest pulpa pofermentacyjna będąca bardzo dobrej jakości nawozem rolniczym.

Każdy zbiornik fermentacyjny musi posiadać następujące cechy:

* być całkowicie szczelny (jest to część instalacji gazowej);
* zapewniać dobrą izolację termiczną zapewniającą stałą temperaturę zarówno w czasie silnych mrozów, jak i upałów;
* posiadać wydajny system grzewczy, przy czym korzystnie jest, aby w czasie silnych upałów mógł on także chłodzić wsad;
* posiadać wydajny system napełniania i opróżniania zawartości zbiornika;
* posiadać skuteczny system mieszania;
* mieć system zabezpieczający przed nadciśnieniem oraz (w przypadku elastycznych kopuł) także przed zbyt niskim ciśnieniem;
* posiadać urządzenia pomiarowe parametrów fermentacji (przynajmniej: temperatury, pH, stężenia CO2 i CH4) oraz możliwość pobierania próbek pulpy do analiz.

Dodatkowo często umieszczane są także iluminatory, dzięki którym możliwa jest wizualna kontrola wnętrza zbiornika (korzystne zwłaszcza w przypadku problemów z tworzeniem się kożucha na powierzchni pulpy), oraz włazy i różnego rodzaju systemy do usuwania osadów.

Wielkość zbiorników fermentacyjnych może być bardzo różna. W Chinach dominują biogazownie ze zbiornikami z tworzyw sztucznych o pojemności 2-50 m3. W Europie spotyka się zazwyczaj biogazownie o 2-3 zbiornikach fermentacyjnych mających objętość 700-1800 m3. Należy przy tym podkreślić, że wielkość zbiornika musi uwzględniać ilość posiadanych substratów w taki sposób, aby w okresie całego roku aplikowana była codziennie podobna masa wsadu. Wielkość zbiorników fermentacyjnych nie przekłada się też bezpośrednio na wydajność biogazowni, bowiem zależy to od rodzaju substratu. Z 1 m3 substratu o małej wydajności (np. gnojowicy świńskiej) można uzyskać nawet 4-5 razy mniej biometanu niż z takiej samej objętości uwodnionych odpadów poubojowych.

Budowa zbiorników
Zasadniczo wyróżnia się dwa typy zbiorników: stojące i leżące. Dominujące są zbiorniki stojące, o przekroju kołowym. W zależności od zastosowanych materiałów istnieją dwie główne grupy zbiorników: żelbetonowe (w tym z prefabrykatów) oraz stalowe (w tym ze stali kwasoodpornej). Najwięcej biogazowni na świecie ma co prawda zbiorniki wybudowane z tworzyw sztucznych (ponad 10 milionów w Chinach), ale są to niewielkie komory bez systemów grzewczych, stąd nie nadają się one do wykorzystania w Europie. Decyzja o wyborze rodzaju zbiornika jest bardzo istotna, ponieważ wpływa ona później na inne systemy (grzewcze, mieszania).

Zbiorniki z żelbetonu są najczęściej wykorzystywane w Niemczech, jak i (obecnie) również na polskich biogazowniach rolniczych. Buduje się je na miejscu poprzez odlanie formy, choć istnieją też instalacje, gdzie zbudowane są one z przywiezionych prefabrykatów, zazwyczaj ściągniętych stalowymi linkami. Większość z takich fermentorów jest kryta elastyczną kopułą (najczęściej podwójną), choć istnieją także zbiorniki z dachem betonowym. Zbiorniki betonowe wbrew pozorom wcale nie są trwalsze od stalowych bowiem warunki panujące w fermentorze są bardzo agresywne. Przy temperaturze ok. 40oC, środowisku wodnym lub z nasyconą parą wodną, przy poziomie siarkowodoru dochodzącym do ponad 1000 ppm i innych agresywnych czynnikach następuje korozja chemiczna betonu, zwłaszcza na styku powierzchni pulpy i frakcji gazowej. Stąd minimalną wymaganą klasą betonu jest co najmniej B35, a wskaźnik wodno-cementowy 0,45 lub niższy. Można zastosować dodatkową ochronę antykorozyjną, zwłaszcza obszaru na styku frakcji ciekłej i gazowej, co może znacznie przedłużyć okres eksploatacji zbiornika.

Zbiorniki betonowe mają zazwyczaj wysokość do 6 metrów, z kolei średnicę dochodzącą nawet do ponad 25 m. Powoduje to dość niekorzystny stosunek powierzchni do objętości i sprzyja większym stratom ciepła przez okrywającą membranę w warunkach zimowych i bardzo silne nagrzewanie w warunkach letnich. Jako anegdotę, ale opartą na faktach, można przytoczyć historię, że zbyt silne nagrzewanie się pulpy fermentującej pod membranami oraz brak systemu chłodzenia nieoczekiwanie pchnęło jednego z inwestorów do przejścia z fermentacji mezofilowej na termofilową.

Zbiorniki stalowe mogą być wykonane ze stali kwasoodpornej lub stali ocynkowanej albo emaliowanej. Możliwe jest też wykonanie zbiornika ze stali budowlanej, ale wyposażonej w środku w swoisty worek z tworzywa odpornego na korozję chemiczną. To rozwiązanie, choć tanie, jest jednak dość skomplikowane z uwagi na konieczność wykonania licznych otworów technologicznych i ich uszczelnienia, a także wymaga solidnego umocowania tworzywa do stalowych ścian.

Zbiorniki stalowe mają dużą zaletę, jaką jest szybki czas budowy, są one bowiem przywożone na plac budowy w postaci płyt lub pasm blachy, a następnie skręcane lub (rzadziej) spawane. Bardzo szybki jest także rozruch fermentacji, bowiem takie zbiorniki po napełnieniu wsadem można szybko podgrzewać, podczas gdy w przypadku niektórych zbiorników betonowych wykonawcy podają ograniczenia maksymalnego dobowego wzrostu temperatury.

Małe biogazownie (40-200 kWe) posiadają z reguły jeden zbiornik fermentacyjny. W przypadku większych są to układy 2-5 zbiorników, przy czym zasadą jest, że dzielą się one na zbiorniki fermentacji tzw. pierwotnej (gdzie następuje najbardziej intensywna produkcja biogazu) oraz wtórnej, gdzie produkcja jest znacznie słabsza. Do tego powinny być przewidziane zbiorniki na poferment, które mogą być wykonane z żelbetonu, stali albo w postaci lagun. W Niemczech spotyka się zazwyczaj zbiorniki na poferment otwarte, co nie jest korzystne z uwagi na fakt, że w trakcie przechowywania pulpy pofermentacyjnej zachodzą jeszcze procesy fermentacji, mogące jednak dać nawet 15% dodatkowego uzysku metanu.

Eksploatacja zbiorników
W typowej instalacji biogazowej substraty przeznaczone do biogazowania są rozdrabniane lub/i mieszane za pomocą różnego rodzaju agregatów rozdrabniających w taki sposób, że przechodzą do stanu umożliwiającego ich przepompowywanie (zawartość suchej masy poniżej 12-15%). Następnie uwodnione substraty są pompowane do komory fermentacji pierwotnej, gdzie następuje najsilniejsze wydzielanie się biogazu. W nowszych instalacjach stosowane są również tzw. hydrolizery, czyli wydzielone komory do przeprowadzenia pierwszego etapu fermentacji, który powinien zachodzić w środowisku kwaśnym (reszta etapów w środowisku obojętnym). Niezwykle ważnym elementem procesu jest mieszanie fermentującej w zbiorniku pulpy. Generalnie wyróżnia się 3 typy mieszadeł: pneumatyczne (mieszanie biogazem), hydrauliczne (mieszanie przepompowywaną pulpą) oraz mechaniczne. W biogazowniach europejskich dominuje system mieszadeł mechanicznych. Mieszadła te można podzielić na 3 grupy: skośne, poziome i pionowe. Najczęściej spotykany jest układ 2-3 mieszadeł skośnych lub poziomych. Mieszadła pionowe (centralne) możliwe są do zastosowania tylko w przypadku zbiornika ze stałym, wzmocnionym dachem. Mieszadła są piętą achillesową większości biogazowni, bowiem to z ich powodu dochodzi najczęściej do usterek. Urwane mieszadło musi być szybko wymienione, bowiem niepełne mieszanie wskutek jego braku może prowadzić do zaburzeń fermentacji i tworzenia się kożucha. Bywały przypadki, że po awarii jednego z mieszadeł intensywne mieszanie prowadziło również do uszkodzenia kolejnego, a w efekcie wymiana mieszadeł powodowała konieczność opróżnienia zbiornika i bardzo duże straty finansowe. Trzeba podkreślić, że podstawą prawidłowego funkcjonowania instalacji biogazowej (której głównym elementem są zbiorniki wraz z oprzyrządowaniem) jest umiejętna obsługa i dobrej jakości serwis techniczny i technologiczny.

dr hab. inż. Jacek Dach

Fot. 1. Tensometry na zasobnikach pozwalają dokładnie określać masę dodawanych substratów.
Fot. 2. Typowe biogazownie żelbetonowe mają wysokość do 6 m i dużą średnicę.
Fot. 3. Mieszadło pneumatyczne (1 kWe) to nawet kilkanaście razy mniej zużytej energii elektrycznej w porównaniu z mechanicznym.
Fot. 4. Pompa hydrauliczna z systemem zaworów zapewnia przemieszczanie się pulpy pomiędzy poszczególnymi zbiornikami, może być też użyta w wyjątkowych przypadkach jako mieszadło hydrauliczne.

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij