Instalacje biogazowe w Polsce wykorzystywane są przede wszystkim do produkcji energii elektrycznej i ciepła. Wynika to przede wszystkim z wysokiej sprawności produkcji energii w systemach kogeneracyjnych. Istotnym zadaniem jest zatem prawidłowy odzysk ciepła odpadowego, a następnie odpowiednie jego wykorzystanie, co może znacząco poprawić bilans ekonomiczny całej instalacji.

Jednym z produktów ubocznych produkcji energii elektrycznej jest powstające w dużej ilości ciepło. Jest to ciepło odpadowe, które może zostać częściowo odzyskane poprzez zastosowanie odpowiednich wymienników. W przypadku wykorzystania turbin gazowych (które ze względu na wysokie koszty i niskie sprawności nie znajdują szerszego zastosowania na polskim rynku biogazu) montuje się wymienniki typu: spaliny-woda. Nazywane są one również kotłami odzyskowymi.

Jednakże ze względu na negatywne wspomnienia dotyczące turbin polscy biogazownicy preferują stosowanie silników kogeneracyjnych o wyższych sprawnościach. Należy jednak pamiętać, że podczas pracy popularnej jednostki kogeneracyjnej powstaje ciepło o różnych temperaturach. W związku z tym może ono zostać odzyskane wielokrotnie. Źródłami tego ciepła mogą być m.in. płaszcz wodny silnika, układ chłodzenia mieszanki doładowanej, miska olejowa lub gorące spaliny. Należy jednak zaznaczyć, że największa część energii termicznej może zostać odzyskana z układu chłodzącego silnik.

Do odzysku tego ciepła wykorzystuje się najczęściej wymienniki płytowe. Następnie za pomocą rozdzielacza rozprowadza się je do odpowiednich obiegów grzewczych rozmieszczonych w instalacji. Zapewnienie odbioru ciepła z silnika jest konieczne do prawidłowej pracy całej jednostki. W przypadku okresu zimowego nie stanowi to w większości przypadków znaczących problemów. Znacznie gorzej sytuacja wygląda latem, gdy możliwości „spożytkowania” ciepła odpadowego są ograniczone.

Innym źródłem ciepła odpadowego, jak już wcześniej wspomniano, mogą być spaliny. Ich temperatura może wynosić od ok. 450°C do nawet 550°C. W tym przypadku stosuje się najczęściej wymienniki płaszczowo-rurowe zbudowane ze stali szlachetnej. Warto również dodać, że układy kogeneracyjne wyposażone są często w dodatkowe źródło ciepła w postaci kotłów rezerwowo-szczytowych. Wynika to przede wszystkim z wymagań dotyczących niezawodności systemy ogrzewania. Stąd konieczność zastosowania rezerwowego źródła ogrzewania.

Kocioł do biogazowni – kocioł odzysknicowy (odzyskowy)

Kotły odzyskowe wykorzystywane są najczęściej w instalacjach biogazowych wyposażonych w układy kogeneracyjne małej mocy, które zasilane są spalinami wylotowymi z turbiny gazowej lub silnika tłokowego. Temperatura tych spalin zawiera się w przedziale 300-600°C. W związku z tym zalicza się je do tzw. kotłów niskotemperaturowych. Do najpopularniejszych rodzajów kotłów odzyskowych zalicza się kotły parowe – HRSG (ang. Heat Recovery Steam Generator) oraz kotły wodne (wymienniki ciepłownicze spaliny-woda). Wymiana ciepła odbywa się w obu przypadkach przy wykorzystaniu zjawiska konwekcji.

Kocioł do biogazowni
Fot. Kocioł do biogazowni – kocioł odzyskowy parowy HRSB (źródło: www.bosch-industrial.com).

Kocioł do biogazowni – kocioł odzysknicowy wodny

W zależności od jednostki, z którą współpracują kotły odzyskowe wodne, mogą one przypominać wymiennik płaszczowo-rurowy typu spaliny-woda (w przypadku silników spalinowych) lub mieć budowę podobną do kotłów gazowych (w przypadku turbin gazowych). Jednak najważniejszym czynnikiem, który warunkuje rodzaj konstrukcji oraz powierzchnię wymiany ciepła, jest temperatura wytwarzanego czynnika na wejściu i wyjściu z kotła. Ciepło odpadowe może być odzyskiwane w kotłach z pojedynczym, podwójnym i potrójnym ciągiem, ekonomizerach (rekuperatorach) lub zintegrowanych przegrzewaczach pary. Ważne jest również to, że wraz ze spadkiem temperatury spalin rośnie moc cieplna kotła oraz jego sprawność.

Kotły współpracujące z układami kogeneracyjnymi montowane są za silnikiem gazowym, wysokoprężnym lub za turbiną gazową. W celu wydłużenia przerw między czyszczeniami kotły wykonuje się w całości w konstrukcjach typu rury płomieniówkowej.

Kocioł do biogazowni – kocioł odzysknicowy parowy

Pomimo dużych ilości odzyskiwanego ciepła, wytwarzanie gorącej wody nie jest korzystne z punktu widzenia wytwarzanego nośnika. Wynika to z dużych strat powstających podczas wymiany ciepła pomiędzy spalinami a wodą. W związku z tym, z punktu widzenia termodynamiki korzystniejsze jest wytwarzanie pary wodnej. Dotyczy to szczególnie przypadków, w których wykorzystywane są turbiny gazowe, gdzie odzysk następuje ze spalin o wysokiej temperaturze. Wytwarzana jest wtedy para o podwyższonych parametrach, która może znaleźć zastosowanie w produkcji dodatkowych ilości energii elektrycznej (w przypadku turbiny parowej) lub w innych celach technologicznych.

W skład parowych kotłów odzysknicowych wchodzą m.in. podgrzewacz wody, parowacz i przegrzewacz pary. Budowane są one zatem w układzie przeciwprądowym. W skład kotła wchodzi również wysokowydajny rurowy wymiennik ciepła. Opcjonalnie może być również dodane obejście spalinowe, które w przypadku braku produkcji pary pozwala na ominięcie kotła po stronie spalinowej. W takim przypadku jednostka CHP lub inne źródło ciepła odpadowego może pracować bez przerwy. W nowszych układach odzyskujących ciepło montowany jest tzw. parowacz deaeracyjny. Rozwiązanie to pozwala na zastosowanie węzła zasilającego kocioł bez konieczności wykorzystania oddzielnego zbiornika wody zasilającej, a także odgazowywacza.

Kocioł do biogazowni – gazowy kocioł rezerwowo-szczytowy

W przypadku powstania instalacji biogazowej przy zakładach, w których zapotrzebowanie na ciepło jest duże, zastosowanie znaleźć mogą dodatkowe kotły gazowe. Pełnią one ważną rolę rezerwową (w przypadku awarii lub przestoju jednostki kogeneracyjnej), ale również mogą być źródłem dodatkowego ciepła w czasie szczytowego zapotrzebowania. W związku z tym tego rodzaju urządzenia nazywane są kotłami rezerwowo-szczytowymi. Ponadto pojawiają się rozwiązania, w których przy zastosowaniu odpowiedniego systemu sterowania instalacją istnieje możliwość zmniejszenia kosztów eksploatacji poprzez okresowe wyłączenie pracy silnika lub turbiny. Odbywa się to w godzinach pozaszczytowych, kiedy koszty zakupu energii są niewielkie. Wtedy za produkcję ciepła, niezbędnego do ogrzewania, np. zbiorników fermentacyjnych, odpowiadają dodatkowe kotły.

Możliwości wykorzystania ciepła z biogazowni

Ok. 15-40% całego ciepła produkowanego w biogazowni (w zależności od stosowanej technologii) wykorzystywane jest na potrzeby własne instalacji. Zużywane jest ono przede wszystkim w celu ogrzania zbiorników fermentacyjnych. Natomiast pozostała część może być użyta do ogrzewania pomieszczeń zakładowych lub mieszkalnych znajdujących się w okolicy. Coraz częściej spotykane są projekty, w których instalacje biogazowe wykorzystujące materiały roślinne oraz odpadowe z okolicy, zapewniają ciepło domom jednorodzinnym lub gospodarstwom znajdującym się w niedalekiej odległości. Zupełnie inna sytuacja ma miejsce latem, gdy utrudnione jest całkowite wykorzystanie ciepła.

W związku z tym poszukiwanie dodatkowych odbiorców ciepła może przyczynić się do poprawy bilansu ekonomicznego całej inwestycji oraz ograniczyć ryzyko przegrzania i ewentualnej awarii silników. Idealny układ następuje, gdy odbiorcami ciepła odpadowego mogą być m.in. okoliczne suszarnie, szklarnie, hodowcy ryb, producenci mleka itp. W przypadku braku możliwości „oddania” ciepła innym przedsiębiorstwom w obiegu grzewczym montowane są chłodnice awaryjne, które pozwalają na uwalnianie niepotrzebnego ciepła do otoczenia. Jest to jednak nieekonomiczne i nieopłacalne, szczególnie w przypadku braku stabilnego systemu wsparcia OZE.

Jednym z nowszych i rewolucyjnych rozwiązań dotyczących wykorzystania ciepła z kogeneracji jest połączenie biogazowni z przemysłową fermą owadów, które przeznaczane są na cele paszowe. Larwy te są źródłem bardzo wartościowego białka i tłuszczu dla zwierząt. Jednak ich hodowla wymaga zapewnienia specjalnych warunków termicznych. Do rozwoju owadów konieczne jest między innymi utrzymywanie stabilnej temperatury w zakresie powyżej 30°C, dlatego odzysk ciepła ze spalania biogazu może być najlepszym rozwiązaniem zarówno dla właściciela biogazowni, jak i właściciela hodowli.

Aby uzmysłowić sobie skalę produkcji owadów, należy dodać, że z hali o powierzchni 1000 m3 można uzyskać miesięcznie ponad 100 ton świeżej masy owadów. W związku z tym wykorzystanie ciepła również do suszenia owadów może być dodatkowym i racjonalnym rozwiązaniem. Warto również podkreślić, że owady mogą być karmione większością substratów, które przerabiane są również w biogazowni rolniczej – co dodatkowo przemawia za połączeniem tych dwóch zakładów.

Podsumowanie

W wyniku spalania biogazu w jednostkach kogeneracyjnych uzyskuje się energię elektryczną (najczęściej wykorzystywaną na potrzeby własne przedsiębiorstwa z nadwyżką sprzedawaną do sieci) oraz ciepło, które nierzadko stanowi problem dla właścicieli biogazowni. Zagospodarowanie ciepła odpadowego może być rozwiązaniem na poprawę bilansu ekonomicznego całej inwestycji. Może ono znaleźć zastosowanie np. w ogrzewaniu okolicznych gospodarstw rolnych, domów. Jednak są to rozwiązania najczęściej okresowe, dlatego najczęściej ciepło odpadowe z biogazowni wykorzystuje się w suszarniach, które pracują przez cały rok lub jego znaczną część. Istnieją również inne rozwiązania.

Polegają one na wykorzystaniu ciepła do podgrzewania zbiorników wodnych, gdzie hodowane są ryby, a nawet krewetki. Dlatego tak istotne jest – już na etapie projektowania instalacji! – dokładne zaplanowanie wykorzystania ciepła odpadowego. Sam dobór odpowiednich kotłów zależeć będzie od rodzaju jednostki produkującej energię elektryczną. Główne czynniki, które mają wpływ na wybór rodzaju i liczby kotłów stosowanych w biogazowni, to:

  • wymagana moc cieplna,
  • rodzaj i parametry nośnika ciepła,
  • sposób wykorzystania tego nośnika.

W przypadku małych układów skojarzonych opartych na biogazie zastosowanie znajdują najczęściej kotły wodne niskotemperaturowe. W tego typu rozwiązaniach komorę spalania stanowi płomienica z palnikiem gazowym, który umieszczony jest w środku oraz z symetrycznie rozłożonymi wokół niego płomieniówkami drugiego (a czasem także trzeciego) ciągu.

Więcej na temat możliwości produkcji i wykorzystania energii w biogazowni w artykule na temat trigeneracji.

Kamil Kozłowski

Fot. główne. Suszarnia zasilana ciepłem odpadowym z biogazowni (źródło: K. Kozłowski).

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