Instalacje biogazowe – systemy mieszania

Instalacje biogazowe (biogazownie) wyposażone są w systemy mieszania komór fermentacyjnych.

Wysoka efektywność produkcji biogazu i metanu w instalacji biogazowej uzależniona jest przede wszystkim od prawidłowego przemieszania zawartości zbiorników fermentacyjnych (cieczy fermentacyjnej). Działanie to pozwala zapewnić odpowiedni kontakt bakterii z substratem.

Częstym efektem braku prawidłowego mieszania wewnątrz fermentora instalacji biogazowej jest rozwarstwianie się mieszaniny fermentacyjnej. W takim przypadku masa zawierająca bakterie metanogenne zbiera się w dolnej części zbiornika ze względu na wyższą gęstość. Natomiast biomasa płynna gromadzi się w jego górnej warstwie.

Przyczynia się to do spowolnienia procesu rozkładu oraz do tworzenia się warstw ograniczających przepuszczenie gazów (kożucha). Należy jednak pamiętać, że również zbyt intensywne przemieszanie zawartości reaktora fermentacyjnego może wpływać niekorzystnie na mikroorganizmy procesu fermentacji ze względu na powstawanie dużych sił ścinających i rozbijanie kolonii bakteryjnych.

Instalacje na biogaz – po co mieszać?

Wyróżnia się kilka istotnych powodów, dla których musi zostać zapewnione dobre przemieszanie zbiorników fermentacyjnych w instalacji biogazowej. Jednym z nich jest konieczność zaszczepienia świeżej porcji substratu mikroorganizmami fermentacyjnymi. Dostęp bakterii do całej powierzchni materiału pozwala uzyskać wysoką efektywność rozkładu oraz produkcji biogazu. Dokładne wymieszanie cieczy wewnątrz fermentora pozwala również na równomierną dystrybucję ciepła i substancji odżywczych w całej jego objętości.

Dzięki temu niwelowane jest zagrożenie powstawania stref o różnych temperaturach. Szczególnie istotne jest to w przypadku prowadzenia procesu w warunkach termofilowych (w temperaturze ok. 52-56ºC). Zbyt wysoka temperatura wewnątrz fermentora może doprowadzić do „zabicia” mikroflory fermentacyjnej. Dodatkowym aspektem jest zapobieganie tworzeniu się oraz niszczeniu powstających w zbiorniku kożuchów i złogów dennych.

O tym, jak ważne jest ograniczenie pienienia w instalacji biogazowni rolniczej, cały czas przekonują się polscy inwestorzy wykorzystujący łatwo flotujące substraty (np. słoma, obornik, trawy). Materiały te bardzo często owijają się wokół mieszadeł, doprowadzając do ich awarii, po czym może dojść do powstania nawet kilkumetrowego kożucha i ogromnych strat finansowych z tym związanych.

Mieszadła w instalacji biogazowej mogą pracować w trybie ciągłym (tj. przez cały czas funkcjonowania biogazowni) lub w trybie interwałowym (uruchamiane są w określonych odstępach czasu). Warto jednak zaznaczyć, że zdecydowanie popularniejszy jest tryb interwałowy, co wynika przede wszystkim z wysokiej energochłonności urządzeń mieszających.

W praktyce czas interwałów wyznacza się na podstawie obserwacji i doświadczeń oraz według specyficznych właściwości każdej biogazowni, tj. według właściwości substratów, wielkości zbiorników fermentacyjnych, skłonności do tworzenia kożuchów itd. Po uruchomieniu całej instalacji ze względów bezpieczeństwa mieszanie trwa dłużej i z większą częstotliwością. Zebrane doświadczenia wykorzystuje się następnie do optymalizacji trwania i częstotliwości interwałów, a także do odpowiedniego ustawiania mieszadeł.

Instalacje na biogaz – stosowane systemy mieszania

Minimalne przemieszanie substratu fermentacyjnego odbywa się w momencie dodawania świeżej porcji substratu. Wywoływane jest ono przez termiczne prądy konwekcyjne oraz wznoszenie się pęcherzy biogazu. Należy jednak podkreślić, że jest to mieszanie pasywne, które nie może odbywać się bez aktywnego (mechanicznego) wspomagania procesu mieszania pulpy fermentującej. W praktyce biogazowej wyróżnia się trzy główne sposoby mieszania zawartości zbiorników fermentacyjnych:

  • mechaniczne,
  • hydrauliczne,
  • pneumatyczne.

Dwie ostatnie z wymienionych możliwości odgrywały przez wiele lat podrzędną rolę. W Polsce oraz w Niemczech mieszanie mechaniczne stosuje się w około 85 do 90% wszystkich biogazowni. Jednak w ostatnich latach obserwuję się intensywny wzrost zainteresowania pozostałymi systemami, w szczególności w połączeniu hybrydowym.

Przemieszanie mechaniczne substratu fermentacyjnego odbywa się poprzez zastosowanie mieszadeł, w których można wyróżnić trzy podtypy:

  • mieszadła szybkobieżne i działające intensywnie,
  • mieszadła średniobieżne,
  • mieszadła wolnobieżne.

W zbiornikach stojących często instaluje się mieszadła śmigłowe z silnikiem zanurzonym (tzw. TMR). Są one napędzane bezprzekładniowymi silnikami elektrycznymi. Obudowa tych urządzeń wyposażona jest w specjalny wodoszczelny płaszcz, który dodatkowo doskonale chroni przed niekorzystnym działaniem wysokiego ciśnienia oraz korozją.

Dodatkową ich zaletą jest możliwość chłodzenia silnika przez omywające je medium. Mieszadła te są zanurzane całkowicie w pulpie fermentacyjnej i posiadają dwu- lub trzyłopatowe śmigła. Zastosowanie systemu rur, żurawika, kołowrotu liniowego oraz profili prowadzących mieszadła pozwala na pozycjonowanie (z zewnątrz zbiornika fermentacyjnego) położenia w pionie, poziomie, a także kąta nachylenia łopat.

Instalacje biogazowe - mieszadło

TMR-y należą do grupy silników szybkobieżnych (o zakresie obrotów: 300-1500 obr./min), eksploatowanych najczęściej w trybie interwałowym. Przyjmuje się, że zapotrzebowanie mocy tego rodzaju mieszadeł wynosi ok. 10 kW na 1000 m3 cieczy. W przypadku ich zastosowania należy również pamiętać, że wszystkie przejścia rur prowadzących przez pokrycie fermentora oraz obudowa silnika muszą być całkowicie gazo- oraz wodoszczelne. Ponadto w przypadku prowadzenia fermentacji w warunkach termofilowych (ok. 52-55oC) konieczne jest zapewnienie odpowiedniego chłodzenia silnika.

Jednym z rozwiązań alternatywnych dla popularnych TMR-ów mogą być mieszadła prętowe. W przypadku tych urządzeń silnik napędowy osadzany jest na końcówce wału, które montuje się w położeniu skośnym do fermentora. Sam silnik montowany jest na zewnątrz zbiornika, natomiast przejście wału mieszadła znajduje się na pokrywie fermentora.

Warto również dodać, że w zbiornikach pokrytych dachami foliowymi (popularnymi półokrągłymi czaszami) silnik instalowany jest w górnej strefie ściany i hermetycznie zabudowywany. Dla bezpieczeństwa wały mieszadeł bardzo często są dodatkowo mocowane do dna fermentorów. W celu zwiększenia efektu mieszania wał wyposażany jest w jedną lub kilka łopat mieszających (o dużej powierzchni).

Innym sposobem mechanicznego mieszania zawartości zbiorników fermentacyjnych są mieszadła osiowe. Najczęściej urządzenia te znajdują zastosowanie w biogazowniach wykorzystujących technologie duńskie. Są one montowane na wałach mieszadeł sytuowanych centralnie w fermentorze, co pozwala ograniczyć siły oddziaływujące na mieszadło.

Urządzenia te należą do grupy wolnoobrotowych, a prędkość silnika napędowego, umiejscowionego na zewnątrz zbiornika, jest redukowana przez przekładnię do nawet kilku obrotów na minutę. Ich zadaniem jest stałe wytwarzanie prądu przepływowego we wnętrzu fermentora. Prąd ten skierowany jest w dół i zawraca do góry przy ścianach. Mieszadła te charakteryzują się zapotrzebowaniem mocy na poziomie ok. 5,5 kW przy 3000 m3 cieczy.

Ponadto montaż śmigieł może nastąpić w specjalnej rurze prowadzącej dla wytworzenia odpowiedniego przepływu, a dodatkowe zastosowanie odpowiedniego rodzaju zbiornika fermentacyjnego (o stosunku wysokości do średnicy 1:1) pozwala na zwiększenie efektu mieszania oraz ograniczenie zużycia energii w instalacji biogazowej.

Ostatnim rodzajem mieszadeł mechanicznych, stosowanych w instalacjach biogazowych, są mieszadła łopatkowe (nazywane również płytowymi). Należą one do grupy urządzeń wolnobieżnych. Ze względu na swoją konstrukcję najczęściej stosowane są w fermentorach leżących, które pracują na zasadzie przepływu tłokowego.

Łapy mieszające zamontowane są na poziomej osi mieszadła, a ich działanie powoduje jedynie pionowe mieszanie cieczy. Tłokowy przepływ w kierunku poziomym zapewniany jest przez codzienne dodawanie świeżej porcji substratu do fermentora. Z uwagi na fakt, iż leżące zbiorniki fermentacyjne budowane są rzadko na skalę przemysłową, zastosowanie mieszadeł łopatkowych jest obecnie marginalne. Najczęściej znajdują one zastosowanie w mikrobiogazowniach (o mocy do 50 kW) lub w zbiornikach fermentacji wstępnej.

Mieszanie hydrauliczne

Innym sposobem wymieszania zawartości zbiorników jest wykorzystanie cieczy fermentacyjnej –mieszanie hydrauliczne. W przypadku tego rodzaju mieszania substrat wtłaczany jest do fermentora układem pomp przez przestawne dysze mające możliwość wprowadzania cieczy pod odpowiednim kątem regulowanym zarówno w płaszczyźnie poziomej, jak i w płaszczyźnie pionowej. Zaletą mieszania hydraulicznego jest umiejscowienie urządzeń mechanicznych (pomp) na zewnątrz fermentora.

Dzięki temu ulegają one mniejszemu zużyciu (mniejsze narażenie na korozyjne działanie pulpy oraz biogazu), a w przypadku awarii można je w łatwy i szybki sposób naprawić lub wymienić. Należy jednak pamiętać, że pobieranie i wprowadzanie cieczy fermentacyjnej musi pozwolić na możliwie całkowite przemieszanie zawartości zbiornika. Niestety system ten nie nadaje się do rozbijania warstwy kożucha, przez co konieczne jest jego stosowanie wraz z mieszadłami mechanicznymi (co podnosi koszty inwestycji) bądź do substratów o niewielkich skłonnościach do pienienia.

Mieszanie pneumatyczne

Trzecim sposobem mieszania cieczy wewnątrz zbiorników fermentacyjnych są systemy pneumatyczne. Podczas ich wykorzystywania wyprodukowany biogaz pobierany jest systemem pomp ze zbiornika membranowego, a następnie „wdmuchiwany” do fermentora przez dysze umiejscowione na jego dnie.

Unoszące się do góry pęcherze biogazu powodują pionowy ruch, a w konsekwencji przemieszanie pulpy. Systemy pneumatyczne, podobnie jak hydrauliczne, rzadko stosowane są do rozbijania powstającego na powierzchni cieczy fermentacyjnej kożucha. Oferowane przez producentów układy pneumatyczne pozwalają jednak na zwiększenie produkcji biogazu oraz metanu w wyniku łączenia się pęcherzy gazu i ich „wypędzania” z pulpy.

Podsumowanie

Podobnie jak w przypadku zbiorników fermentacyjnych wybór odpowiedniego sposobu mieszania cieczy fermentacyjnej jest jednym z najważniejszych zadań podczas projektowania instalacji biogazowej. Zastosowanie mało wydajnych lub nieodpowiednich urządzeń mieszających może doprowadzić do powstawania grubej warstwy kożucha, a w konsekwencji do awarii i zatrzymania pracy instalacji biogazowej.

Najczęściej w praktyce biogazowej zastosowanie znajdują mieszadła mechaniczne śmigłowe (z silnikiem zanurzeniowym) lub prętowe skośne. Coraz większym zainteresowaniem cieszą się jednak mieszadła osiowe (montowane w rurze prowadzącej), które charakteryzują się bardzo dobrą efektywnością mieszania oraz niższym zużyciem energii. Natomiast oferowane przez producentów układy hydrauliczne i pneumatyczne najczęściej znajdują zastosowanie jako wsparcie tradycyjnych systemów mechanicznych. Jednak prowadzone w tym zakresie badania potwierdzają, że hybrydowe systemy mieszania pozwalają zwiększyć wydajność produkowanego w instalacji biogazu.

Kamil Kozłowski

Rys. Mieszadło szybkobieżne firmy Stallkamp (źródło: www.stallkamp.pl).

Fot. Biogazownia rolnicza w Przybrodzie z mieszadłem mechanicznym osiowym (źródło: K. Kozłowski).

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