Zariadenie na výrobu bioplynu kontinuálnou suchou anaeróbnou fermentáciou biomasy

Predkladané technické riešenie sa týka konštrukcie zariadenia na výrobu bioplynu použitím suchej fermentácie biologicky rozložiteľných sypkých substrátov bez prístupu vzduchu, pracujúceho kontinuálnym spôsobom.Bioplyn je zmes metánu, oxidu uhličitého a ďalších zložiek. Vzniká biochemickým procesom premeny biomasy za pomoci mikroorganizmov, nazývaným anaeróbna fermentácia. Dá sa vyjadriť nasledujúcou zápisomFermentácia sa uskutočňuje vo vzduchotesnej nádrži bioplynovej stanice (fermentore), kde sa biomasa zahrieva na prevádzkovú teplotu počas presne stanovenej doby zdržania (obyčajne experimentálne overenej). Tu sa biomasa bez prístupu vzduchu za pôsobenia metanogénnych baktérií pri teplote 5 až 60 °C rozkladá,pričom vzniká bioplyn a kvapalný alebo kašovitý digestát. Pri fermentácii sa najčastejšie využívajú teploty fermentovanej biomasy z rozmedzia 30 až 40 °C, tzv. mezofrlné pásmo.Použitie technológií využívajúcich anaeróbnu fermentáciu je dôležité z hľadiska ochrany životného prostredia, keďže tak dochádza k znižovaniu emisií skleníkových plynov.Počiatky bioplynovej techniky V európskom poľnohospodárstve boli zaznamenané až po druhej svetovej vojne. Je možné vyzdvihnúť zariadenie s kvasným kanálom vyvinuté na Technickej univerzite v Darmstadte(systém Darmstadt) a metódu Schmidta a Eggersglussa. V tom čase však ešte technická úroveň zvlášť miešadiel substrátu, ako aj konkurencia nízkych cien ropy spôsobili útlm záujmu o výrobu bioplynu, aj keď už boli známe výhody lepšej kvality organického hnojiva po anaeróbnom spracovaní. Až ropná kríza začiatkom sedemdesiatych rokov minulého storočia, ako aj rozšírenie hnojového hospodárstva so známymi prednosťami si vynútili rozvoj výroby bioplynu. Napr. v roku 1985 bolo v Nemecku v prevádzke 75 bioplynových staníc,väčšinou v južnej časti krajiny. Dnes je v Nemecku nainštalovaných takmer 4 000 bioplynových staníc s rozličnými výkonovými kategóriami.Tvorba bioplynu je viacstupňovým procesom, ktorý je schematicky znázornený v schéme 1, pri ktorom mikroorganizmy na svoju látkovú výmenu pri anaeróbnych podmienkach využívajú chemickú energiu obsiahnutú v uhľohydrátoch, tukoch a proteínoch. Najskôr sa pritom štiepia hydrolytickými baktériami makromolekuly s nízkymi molekulovými hmotnosťami (napr. cukry, mastné kyseliny, aminokyseliny). Takýmto spôsobom rozrušené produkty štiepneho procesu sa potom fermentačnými baktériami ďalej kvasia, pričom sa redukujú vznikajúce nízkomolekulové spojenia ako karboxylová kyselina, plyny alebo alkoholy. Metanogénne baktérie nie sú schopné zhodnotiť všetky produkty látkovej výmeny fermentačných baktérií, takže acetogénne baktérie predstavujú dôležitý spojovací článok medzi fermentáciou a tvorbou metánu. Odbúravajú predovšetkým kyselinu propiónovú, kyselinu karboxylovú a alkoholy na kyselinu octovú, oxid uhličitý a vodík, ktoré sa potom spotrebúvajú metanogénnymi baktériami.Schéma 1 hioodpady tstupeň i v štiepenie makromołekúi Vdmmwke WWW 2. stupeň kvasenie . a -m, a. produktov štsepeaina a °ge e 3 m3. stupeň tvorba metanogénnych substrátovtvorba bioplynu nnetanogénné baktérieV bioplynových staniciach prebiehajú Všetky procesy Vedľa seba. Pri pravidelnom prísune vstupnej suroviny je tak zabezpečená kontinuálna tvorba bioplynu. Aby však bol celý proces úspešný a efektívny, musí bioplynová stanica vytvárať na činnosť metánových baktérií priaznivé podmienky. Baktérie pracujú len vo vlhkom prostredí, ak sú dostatočne zaliate vodou pri stálej teplote v rozmedzí 20 - 50 °C. Musí byť vylúčený prístup vzduchu a rovnako prístup svetla, ktoré celý proces spomaľuje. Hodnota pH suroviny by mala dosahovať hodnotu cca 7,5. Baktérie nedokážu rozložiť mky, bielkoviny, uhľovodíky a celulózu v čistej podobe,preto je potrebné zabezpečiť dostatočný prísun dusíkatých zlúčením, minerálnych látok a stopových prvkov. Tieto látky sú v optimálnej štruktúre obsiahnuté najmä v hnoji a hnojovici, preto sa často využívajú ako základná surovina pre bioplynové stanice. Naopak, pozornosť treba venovať obmedzeniu prísunu organických kyselín, dezinfekčných prostriedkov, antibiotík a chemoterapeutických látok, ktoré proces vyhnívania brzdia.Bioplynové zariadenia sa v princípe delia podľa obsahu suchej hmoty v spracúvanom substráte na mokni fermentáciu, kedy je obsah suchej hmoty nižší ako 15 hmotn., a suchú fermentáciu s obsahom suchej hmoty v rozsahu 25 až 60 hmotn.Využívanie mokrej fermentácie pri kombinovanej výrobe elektriny a tepla v bioplynových staniciach je technológia, na ktorej sú založené takmer všetky súčasné bioplynové stanice využívajúce ako zdroj vstupných surovín odpady zo živočíšnej výroby vo forme exkrementov hospodárskych zvierat, odpady zo spracovania poľnohospodárskych produktov, kuchynské odpady, ale aj materiály vo forme zelených a konzervovaných krmív, ako je kukuričná či trávna siláž. Táto technológia je dostatočne prepracovaná, hlavne v zahraničí, a odskúšaná v praxi. Hlavným princípom je spracovanie biomasy s obsahom sušiny cca do 12 .Pri zariadeniach takéhoto typu sa surovina dávkuje spravidla 1- až Ž-krát denne, aby proces prebiehal kontinuálne. V závislosti od veľkosti fermentora a jeho teplote je potrebné pri dávkovaní sledovať obsah sušiny vo vstupnej surovine, aby nedošlo k zahlteniu procesu a utlmeniu činnosti baktérií. K optimálnemu procesu prispieva aj pravidelné premiešanie obsahu fermentora, čím dochádza k uvoľneniu tvoriaceho sa bioplynu.Pre plynulý proces fermentácie je dôležité posekanie, resp. rozdrobenie organických látok nerozpustných vo vode. Vytvárajú sa vďaka tomu veľké kontaktné plochy na pôsobenie baktérií.Na začiatku technológie mokrej fermentácie sa zvyčajne miešajú vstupné suroviny s procesnou vodou,aby sa dosiahla potrebná kašovitá, tekutá konzistencia surovín (sušina 10 - 15 ), ktorá umožňuje lepšiu manipuláciu (čerpanie) a kontinuálny priebeh technológie.Ak bioplynová stanica nie je stavaná čisto len na poľnohospodárske odpady a suroviny, ale spracováva aj kuchynský a reštauračný bioodpad a iné živočíšne odpady, musí mať zabezpečenú hygienizáciu vstupných surovín v súlade s Európskou legislatívou (nariadenie ES/ 1774/2002). Preto pred vstupom surovín do fermentora býva predradená hygienizačná jednotka, ktorá zabezpečí hygienizáciu vstupu teplotou 70 °C počas 1 hod. Potrebná veľkosť častíc (max. 12 mm) je zabezpečená sitovaním a mletím.Proces fermentácie môže byť jednostupňový alebo viacstupňový. Pri jednostupňovom procese je technológia investične menej náročná, ale väčšinou nedochádza k tak účinnému vyhnitiu substrátu ako napr. pri dvojstupňovom procese. Fermentačný proces vo výstupnom digestáte ešte dobieha v skladovacích nádržiacha metán, ako aj zapáchajúci amoniak často voľne unikajú do ovzdušia.V dvojstupňovom procese je substrát prečerpávaný z prvého stupňa do druhého, V ktorom môže byť vyššia teplota na dobehnutie metanogénnej fázy fermentácie. Bioplyn z prvého stupňa obsahuje viac C 02, V dmhom stupni je možné dosiahnuť až 80 metánu V bioplyne.Vzniknutý bioplyn z fermentora sa uskladňuje V plynojeme, ktorý môže byť integrovaný ako súčasť fermentora alebo často to býva samostatný objekt.Materiálový Výstup z fermentora - digestát (sušina 4 - 10 ) - sa ďalej skladuje V skladovacích nádržiach, kde ešte za Vhodných podmienok môže prebiehať fermentačný proces. Skladovanie sa musí realizovať V súlade so Správnou poľnohospodárskou praxou a bežne trvá 140 ~ 150 dní. Práve táto skutočnosť je najväčšou nevýhodou mokrej fermentácie.Často sa ďalej spracováva na kalolisoch, prípadne odstredivkách. Pevná frakcia sa väčšinou spracováva V kompostárňach a kvapalná frakcia - fugát (sušina zväčša pod 2 ) - sa aplikuje na poľnohospodársku pôdu ako hnojivo. Časť fugátu sa môže vracať naspäť do technológie ako procesná voda a miešať sa so vstupnými surovinami. Tu je potrebné sledovať, aby sa príliš nezvýšil obsah dusíka vo fugáte, čo by mohlo zabrzdiť proces anaeróbnej digescie.Správne spracovaný a dostatočne vyzretý di gestát, resp. fugát je pre rastliny výborným hnojivom a Vďaka vysokému obsahu vody súčasne aj Závlahou. Aplikácia na pole počas suchých období, najmä keď sú rastliny ešte malé, je pre poľnohospodárske plodiny veľmi prospešná.Na základe prispôsobovania sa mnohých poľnohospodárskych podnikov sa dobytkárstvo zredukovalo na minimum, približne 20 produkcie oproti roku 2003. Z tohto dôvodu sa poľnohospodárom znížila možnosť využívať klasické bioplynové stanice na mokrú fermentáciu, do ktorých sú hlavným vstupom výkaly hospodárskych zvierat. Preto začala narastať potreba zariadení pracujúcich pri podmienkach suchej fermentácie, pri ktorých je možné spracovávať biomasu s obsahom sušiny až do 60 . Je však potrebné úplne zmeniť technológiu. V prípade technológií suchej fermentácie má spracovávaná surovina sušinu výhodne z rozsahu 30 - 50 . Hlavnou výhodou oproti doposiaľ prevažne využívanej mokrej fermentácii je, že Výstupný digestát má vyšší podiel sušiny a ľahšie sa spracováva kompostovaním. Ďalšou výhodou je, že suchá fermentácia dokáže spracovať aj suroviny, ktoré sú pre mokrú fermentáciu problematické (napr. piliny z podstielok tvoria pri mokrej fermentácii ťažko čerpateľné lcrusty).Najpodstatnej šie výhody suchej fermentácie oproti mokrej fermentácii sa dajú zhrnúť nasledovne- Suchá ferrnentácia je vhodná hlavne pre biomasu s vyšším obsahom sušiny (25 a viac) - maštaľný hnoj, trávna senáž, kukuričná siláž, lístie.- Prípadné rozšírenie bioplynovej stanice je veľmi jednoduché.- Biomasu nie je nutné pred vstupom do fermentora nijako upravovať, ako napríklad rezať a vytrieďoVať nežiaduce prímesi. V týchto staniciach je možné komplexne spracovávať aj biologicky rozložiteľné odpady.- Keďže sa biomasa nemusí nutne riediť vodou, vzniká menšie množstvo fermentačného zvyšku, ktorý je nutné následne vyviezť na pole.- Je šetrná k životnému prostrediu. Pri mokrej fermentácii je Vysoká spotreba vody, a tým následná potreba veľkých nádrží na uskladnenie biokalu pred aplikáciou, ktorá je možná 2 X ročne. Zároveň je veľká potreba plôch na aplikáciu biokalu, ktorý vzniká v rámci fermentácie.- Nižšiá spotreba elektrickej energie (napríklad, V prípade podláhového vykurovania fermentora je to 5 z energetickej produkcie).- V prípade zastavenia procesu v jednom fermentore pri problémových substrátoch (napr. bioodpady) nehrozí kolaps celej stanice, jeden fermentor sa vyprázdni a naplní čiastočne novou biomasou a čiastočne biomasou z iného fermentora. Celý proces pokračuje ďalej.- K manipulácii s biomasou dochádza iba l-2 x týždenne.- Hlavnou výhodou je, že Výstupný digestát má vyšší podiel sušiny a ľahšie sa spracováva kompostovaním a následným preosiatím sa eliminujú nežiaduce prímesi.- Menšie nároky na potrebnú mechanizáciu (nie sú žiadne čerpadlá a miešadlá), nižšia spotreba vody a minimálne prevádzkové náklady. Keďže sa biomasa nečerpá do fermentora a vnútri sa nemieša, odpadajú problémy s poruchou týchto zariadení.Nevýhodami suchej fermentácie sú- Na Slovensku nie sú aplikácie tejto fermentácie a V zahraničí je relatívne malý počet týchto staníc,s čím súvisí malé povedomie verejnosti o tejto technológii.- Investičné náklady na bioplynové stanice využívajúce proces suchej fermentácie sú náročnejšie ako pri mokrej fermentácii o cca 10 - 15 .- Nie je možné jej použitie pre tekuté substráty a substráty s nízkym obsahom sušiny (hnojovica, močovka kaly z ČOV, kuchynské odpady len V obmedzenej miere).- Technológia nie je príliš vhodná pre materiály vyžadujúce hygienizáciu.- Z dôvodu nerovnomernej produkcie bioplynu, je nutné postaviť minimálne 4 fermentory.- Vyžadujú zložitejšie riadenie, Vďaka častej výmene biomasy. Proces je možné efektívne riadiť iba stanovením vhodnej štruktúry biomasy na začiatku každého cyklu. Možnosti zasahovania do procesu V priebehu cyklu sú potom už veľmi obmedzené.Keďže ide o technológiu, ktorá nie je veľmi rozšírená, údaje týkajúce sa Výťažnosti plynu sú veľmi rozdielne a niekedy aj protichodné.Technológia suchej fermentácie býva jednoduchšia ako pri molcrých fermentáciách. Fermentor sa pri suchej fermentácii vyznačuje tým, že má často tvar bežnej budovy a môže sa plniť čelným nakladačom (najmä pri menších prevádzkach). Surovina vo fermentore sa očkuje potrebnými kultúrami baktérií pomocou tzv. perkolátu, prípadne časťou predchádzajúcej vsádzky.V súčasnosti dostupných technológiách výroba bioplynu prebieha prostredníctvom suchej fermentácie Vo fermentoch, ktoré majú tvar garáže. V každom fermentore výroba bioplynu prebieha samostatne počas 4 až 5 týždňov. Po uplynutí fermentačného procesu V jednotlivých fermentoroch, sa garáž otvorí a pomocou nakladača sa vyskladňuje vyfermentovaná biomasa a napĺňa novou surovinou. Tým sa proces výroby bioplynu prerušuje, výroba je nekontinuálna a fermentačný proces musí začať odznova.Vyrobený bioplyn sa môže použiť na výrobu tepla V teplovodných alebo parných kotloch alebo na kombinovanú Výrobu tepla a elektriny V kogeneračných jednotkách. Prípadne je možné ho ďalej čistiť a predávať výrobcom tepla alebo ho využívať ako palivo do motorových vozidiel.Vedľajší produkt bioplynovej stanice je organický materiál, ktorý je možné bud využiť priamo ako hodnotné organické hnojivo, alebo ho pri nižšom obsahu Vody stabilizovať kompostovaním.Existuje tu preto potreba anaeróbne pracujúceho fermentačného zariadenia na spracovanie biomasy s obsahom sušiny do 60 , tzn. pracujúceho za podmienok suchej fermentácie, ktoré spracúva biomasovú suroVinu kontinuálnym spôsobom s cieľom výroby bioplynu.Nevýhody z doterajšieho stavu techniky rieši zariadenie podľa predkládaného technického riešenia. Ide o zariadenie, V ktorom je možné uskutočňovať proces anaeróbnej suchej fermentácie kontinuálnym spôsobom. Takzvaná suchá fermentácia umožňuje metanizáciu sypkej biomasy z poľnohospodárstva a komunálnych bioodpadov bez nutnosti zmeny ich konzistencie do kvapalného stavu, ktorá V praxi spôsobuje zvýšené prevádzkové náklady.Namiesto toho sa substrát Vo fermentačnej komore udržuje vo vlhkom stave kropením fermentačným roztokom (perkolátom) cirkulujúcim V uzavretom okruhu. Potrebné baktérie je možné okrem perkolátu do systému zavádzať aj V podobe časti predchádzajúcej Vsádzky, ktorá sa dávkuje spolu so vstupnou surovinou. Touto technológiou je možné skvasovat biomasu s obsahom sušiny až 30 - 60 (oproti 10 - 15 pri mokrom spôsobe).Zdroje substrátov na suchú fermentáciu môžu byť- zelená hmota z poľnohospodársky priamo nevyužívaných úhorom ležiacich plôch, trávna a kukuričná siláž- všetky ľahko skvasiteľné sypké formy biomasy - zemiakové šupky, Chmeľové šišky, atdĺ- suchý hnoj hospodárskych zvieratZariadenie na výrobu bioplynu pomocou kontinuálnej suchej anaeróbnej fermentácie biomasy podľa predkládaného technického riešenia zahrnuje- násypku surovín funkčne prepojenú s vyprázdňovacím rédlerovým dopravníkom- vyprázdňovací rédlerový dopravník, ktorý sa pohybuje pomocou pohonu rédlerového dopravníka. Tento rédlerový dopravník prepája uvedenú násypku surovín s násypkou korčekového dopravníka- násypku korčekového dopravníka funkčne spojenú s korčekovým dopravníkom a tiež funkčne spojenú s dolným spojovacím závitovkovým dopravníkom, ktorý pomocou pohonu dopravuje do nej časť sfermentovanej suroviny. Násypka korčekového dopravníka ďalej zahrnuje rozdeľovač slúžiaci na jej funkčné prepojenie bud s vyprázdňovacím rédlerovým dopravníkom dopravujúcim surovinu z násypky suroviny, alebo s dolným spojovacím dopravníkom dopravujúcim sfermentovanú surovinu zbavenú perkolátu z dolnej časti fermentora- korčekový dopravmk, ktorý je vybavený pohonom korčekového dopravníka. Tento dopravmk je umiestnený vertikálne a je na svojom hornom konci vybavený meničom smeru- menič smeru, ktorý V závislosti od režimu, v ktorom zariadenie pracuje, pripája ku korčekovému dopravníku buď horný spojovací závitoVkoVý dopravník, alebo vyprázdňovací závitoVkoVý dopravník- horný spojovací závitoVkoVý dopravník s pohonom horného spojovacieho závitovkového dopravníka funkčne prepáj ajúci korčekový dopravník s meničom smeru korčekového dopravnika a fermentor- vyprázdňovací závitoVkoVý dopravník, vybavený pohonom vyprázdňovacieho závitovkového dopravní