ENERGETYKA, RYNEK ENERGII - CIRE.pl - energetyka zaczyna dzień od CIRE
Właścicielem portalu jest ARE S.A.
ARE S.A.

SZUKAJ:



PANEL LOGOWANIA

X
Portal CIRE.PL wykorzystuje mechanizm plików cookies. Jeśli nie chcesz, aby nasz serwer zapisywał na Twoim urządzeniu pliki cookies, zablokuj ich stosowanie w swojej przeglądarce. Szczegóły.


SPONSORZY
ASSECO
PGNiG
ENEA

Polska Spółka Gazownictwa
CMS

PGE
CEZ Polska
ENERGA





MATERIAŁY PROBLEMOWE

Jeszcze więcej biogazu
07.02.2020r. 05:25

("Energia i Recykling" - styczeń 2020)
Na rynku biogazowym wykorzystywany jest szereg substratów - od celowo uprawianych płodów rolnych, przez odpady rolno-spożywcze, po biodegradowalne odpady przemysłowe. Tak duża ich różnorodność wymusiła konieczność poznania kinetyki i dynamiki ich rozkładu, aby przekonać się, jak najskuteczniej produkować biogaz.

Niektóre z substratów wykazują wyższą produkcję biogazu, inne z kolei nieco niższą. Są również substraty, które ulegają łatwemu i szybszemu rozkładowi, inne zaś nieco trudniej i dłużej ulegają fermentacji. Doświadczenia wielu biogazowników pokazują, że może nastąpić inhibicja procesu w przypadku zastosowania nieodpowiedniej dawki danego substratu. Z pewnością zauważymy to w przypadku monofermentacji pomiotu kurzego, która nie jest możliwa. Wynika to z wysokiej zawartości azotu uwalnianego w procesie rozkładu do postaci amoniaku, który w dużych ilościach prowadzi do zatrzymania fermentacji metanowej.

Eksperci zauważają, że istnieją substraty wręcz stworzone do wykorzystania w instalacjach biogazowych, z kolei inne są mniej pożądane, za to chętnie wykorzystywane ze względu na możliwość bezpiecznej ich utylizacji w komorach fermentacyjnych. Warto podkreślić, że zastosowanie różnych substratów często podyktowane jest ich lokalną dostępnością - ze względu na zachowanie rentowności procesu. Konieczne wydaje się więc wdrożenie dodatkowych technik pozwalających na efektywny rozkład zadawanej biomasy, która jest trudniejszym materiałem do produkcji bioenergii. Często okazuje się też, że zastosowanie dodatkowych rozwiązań pozwala na wyższe uzyski biogazu aniżeli w przypadku zastosowania tradycyjnych instalacji.

Niezwykle ważne mieszadła

Chcąc ułatwić, a nawet przyspieszyć i zwiększyć wydajność produkcji biogazu, należy zadbać o właściwe rozdrobnienie substratów. Doświadczenia wskazują, że im lepiej rozdrobniona mieszanka fermentacyjna, tym proces fermentacji zachodzi sprawniej. Pozwala to na szybszą i efektywniejszą "pracę" mikroorganizmów odpowiedzialnych za rozkład substancji organicznych. Ponadto dobrze rozdrobnione substraty znacznie łatwiej dawkuje się do komór fermentacyjnych. Dobrze rozdrobniona mieszanka fermentacyjna sprawia, że ograniczone zostaje tworzenie się kożucha na powierzchni. Zauważa się również znacznie łatwiejszą pracę mieszadła. Prawidłowe mieszanie substratów w komorze fermentacyjnej jest bowiem jedną z istotniejszych zasad efektywnej pracy instalacji biogazowej.

Dobre zhomogenizowanie mieszanki fermentacyjnej pozwala na równomierną produkcję biogazu i wykorzystanie właściwości zadawanych substratów. Niestety, często w praktyce popełnianych jest wiele błędów, które wskazują na to, że moc, wielkość i konstrukcja mieszadła powinny być dostosowane do właściwości zadawanej mieszanki. Źle dobrane mieszadło może powodować, że część mieszanki nie będzie brała udziału w procesie fermentacji. Dzieje się tak przez nieodpowiedni kształt łopat mieszadła czy też zbyt małą moc wirnika, co prowadzi do osadzania się części zadawanych substratów na dnie zbiornika i wolnego ich rozkładu. Zła praca mieszadła powoduje również unoszenie się części frakcji mieszanki fermentacyjnej na powierzchni zbiornika, przez co tworzy się kożuch. Zauważa się wówczas stopniowe powiększanie się jego grubości. Nieodpowiedni dobór parametrów mieszadła w konsekwencji prowadzi więc do zatrzymania oraz ustania biochemicznego procesu rozkładu mieszanki fermentacyjnej. Warto podkreślić też, że zatrzymanie procesu fermentacji metanowej jest dużym problemem dla instalacji - przede wszystkim wymaga ogromnych nakładów na jego odnowienie.

Fizyczno-chemiczne wspomaganie

Na wydajność biogazową wpływają właściwości substratów. W przypadku upraw adresowanych do instalacji biogazowych ważny okazuje się termin ich zbioru. Badania wykazują, że np. buraki cukrowe najwyższą wydajność biogazową wykazują, gdy ich zbiór zostanie dokonany po 180 dniach wegetacji, licząc od daty siewu do daty zbioru. Wykazują wówczas najwyższą zawartość cukru. Mówiąc o płodach rolnych i zachowaniu ich wydajności biogazowej, ważny jest również sposób ich przechowywania. Substraty powinny być odpowiednio zabezpieczone przed warunkami atmosferycznymi - opady mogą powodować wymywanie substancji organicznych, a wiatry naruszać strukturę pryzmy. Dlatego substraty poddawane są często zakiszaniu, dzięki czemu nie tracą swoich właściwości i zapewniają stabilną produkcję biogazu przez cały rok.

Dla usprawnienia wielu procesów biologicznych wykorzystywane są metody fizyczno-chemiczne. W przypadku fermentacji metanowej biomasy metody te dotyczą przede wszystkim substratów lignocelulozowych, których struktura ulega rozkładowi, ale sam proces znacznie trudniej zachodzi. W przypadku wykorzystania w biogazowniach jako kosubstratów słomy, siana, trocin czy liści konieczne jest wdrożenie wstępnej hydrolizy. Można w tym przypadku zastosować ekstruzję substratów, czyli zastosowanie jednocześnie rozdrabniania materiału, wyższej temperatury i podwyższonego ciśnienia. W obróbce tej wykorzystywane są siły ściskające oraz tnące, które powstają poprzez nadane obroty urządzenia. Dzięki zastosowaniu tych technik dochodzi do rozerwania ligniny i uwolnienia celulaz i hemicelulaz, które w dalszym procesie znacznie szybciej ulegają rozkładowi.

Znane są również inne techniki wykorzystujące ciśnienie do rozerwania wiązań lignocelulozowych, wśród których należy wymienić "stream pretreatment" oraz "stream explosion". Technologie te, jak wskazują nazwy, wykorzystują wytwarzanie pary wodnej. Proces ten powoduje degradację hemicelulozy i transformację ligniny, co w konsekwencji prowadzi do zwiększenia potencjału hydrolizy celulozy i sprawniej zachodzącego procesu rozkładu.

Kolejną dostępną obróbką fizyczno-chemiczną substratów przeznaczonych do instalacji biogazowej jest poddanie biomasy działaniu płynnego amoniaku - tzw. metoda AFEX (ammonia fiber explosion). Obróbka przeprowadzana jest w temperaturze 60-120°C, pod ciśnieniem 1,72-2,06 Pa w czasie od kilku do 30 minut. Podczas tej obróbki następuje szybki spadek ciśnienia, a rozprzestrzenianie się amoniaku prowadzi do rozpadu ligniny, dzięki czemu produkcja biogazu na bazie substratów lignocelulozowych jest znaczniej bardziej wydajna.

Wszystkie te metody, o ile cechują się wysoką efektywnością ułatwienia rozkładu substratów lignocelulozowych, wymagają jednak specjalistycznego osprzętu, by móc zastosować wstępną obróbkę materiału.

Enzymatyczna hydroliza

W instalacjach biogazowych, w przypadku fermentowania "trudnych" substratów, proponowanym rozwiązaniem ze względu na skuteczność rozkładu jest zastosowanie hydrolizy enzymatycznej. Jednak zastosowanie tego rozwiązania jest obarczone wysokim kosztem, co sprawia, że poszukuje się innych rozwiązań. Mimo wszystko warto zauważyć, że zastosowanie wyselekcjonowanych enzymów w komorze fermentacyjnej odpowiada za przyspieszony rozkład substancji oraz wyższą wydajność biogazową bez zastosowania dodatkowego osprzętu. Metoda ta wydaje się prosta i wygodna do zastosowania w każdej biogazowej instalacji, jednak należy wspomnieć, że zastosowanie odpowiednich enzymów np. dla wspomnianych trudno rozkładalnych substancji lignocelulozowych wymusza wcześniejsze przeprowadzenie licznych badań potwierdzających ich skuteczność dla wybranej biomasy. Wymaga to nie tylko wiedzy eksperckiej, ale też czasu. Hydrolizę można również skutecznie przeprowadzić przy użyciu grzybów lub bakterii, produkujących wspomniane enzymy.

Przyspieszony lub ułatwiony rozkład substancji organicznych można uzyskać przez zastosowanie odpowiednich substancji chemicznych. W tym celu wykorzystuje się substancje, które odpowiadają za kwasową lub alkaliczną obróbkę substratów. Wśród omawianych dodatków chemicznych należy wymienić silne zasady - wodorotlenek sodu, wapnia, potasu i amoniak oraz silne kwasy organiczne i nieorganiczne - kwas siarkowy (VI), solny, azotowy (V), fosforowy (V) i octowy.

Hydroliza kwasowa zachodzi w temperaturze 140-190ºC w czasie od kilku do kilkunastu minut. Zastosowanie silnego kwasu prowadzi do rozpuszczenia hemicelulozy, co skutecznie zwiększa podatność rozkładu biomasy w procesie fermentacji metanowej. Wydajność hydrolizy kwasowej sięga nawet 90%, jednak niesie za sobą również wiele efektów ubocznych. Na skutek hydrolizy kwaśnej powstawać mogą toksyczne produkty uboczne. Substancje te wpływają inhibicyjnie na wzrost i proces fermentacji metanowej. Ponadto należy podkreślić, że kwasowa obróbka wymaga zastosowania drogich, kwasoodpornych materiałów, z których wykonana jest instalacja. W celu zapewnienia właściwych parametrów procesu fermentacji metanowej należy zadbać o neutralizację i kondycjonowanie hydrolizatów.

W przypadku hydrolizy zasadowej proces rozkładu trwa od kilkunastu minut do nawet kilku dni, w temperaturze 100-150ºC, czyli dłużej i w niższej temperaturze niż hydroliza kwasowa. W procesie tym dochodzi do degradacji ligniny oraz hemicelulozy. Rezultatami działania substancji chemicznych na biomasę są: zakłócenie struktury ligniny, pęcznienie surowca, zwiększenie powierzchni dostępu enzymów, spadek krystaliczności celulozy i rozszczepienie wiązań między ligniną i polisacharydami. Materiał poddany tej obróbce w dalszej kolejności bardzo łatwo ulega beztlenowemu rozkładowi.

Za pomocą substancji chemicznych można dokonać również ozonowania biomasy. Jest to jedna z nowszych technologii, która cechuje się też wysokim kosztem eksploatacyjnym. Ozonowanie prowadzone jest w pokojowej temperaturze i standardowym ciśnieniu otoczenia, jednak wymaga dużej dawki ozonu. Jego wykorzystanie w obróbce materiału lignocelulozowego prowadzi do delignifikacji, dzięki czemu substrat wykazuje wyższą podatność na produkcję biogazu. Hydroliza za pomocą ozonu prowadzi do degradacji zarówno ligniny, jak i hemicelulozy. Struktury celulozy pozostają po procesie nienaruszone, natomiast wzrasta jej dostępność dla enzymów, dzięki czemu zastosowanie w dalszej kolejności hydrolizy enzymatycznej wykazać może jeszcze wyższą skuteczność. Zaletą tej technologii jest to, że w przeciwieństwie do innych metod ozonowaniu nie towarzyszy uwalnianie toksycznych związków.

Kolejną znaną technologią jest utlenianie biomasy roślinnej. Metoda ta polega na dodawaniu utleniacza, czyli nadtlenku wodoru lub kwasu nadoctowego do substratu zawieszonego w wodzie. Utleniacz taki bardzo często powoduje jednak duże straty cukrów prostych, które są cennym źródłem w produkcji biogazu podczas dalszych etapów procesu fermentacji metanowej. Czas rozkładu mieści się w granicach od kilku godzin do kilku dni. Celem tej metody przetwarzania jest usunięcie zarówno ligniny, jak i hemicelulozy z biomasy, co zwiększa jej podatność na rozkład z wykorzystaniem odpowiednich enzymów. Wykorzystanie utleniaczy zwiększa jednak ryzyko powstawania inhibitorów procesu i uwalniania rozpuszczalnych związków aromatycznych.

Dodaj nowy Komentarze ( 0 )

DODAJ KOMENTARZ
Redakcja portalu CIRE informuje, że publikowane komentarze są prywatnymi opiniami użytkowników portalu CIRE. Redakcja portalu CIRE nie ponosi odpowiedzialności za ich treść.

Przesłanie komentarza oznacza akceptację Regulaminu umieszczania komentarzy do informacji i materiałów publikowanych w portalu CIRE.PL
Ewentualne opóźnienie w pojawianiu się wpisanych komentarzy wynika z technicznych uwarunkowań funkcjonowania portalu. szczegóły...

Podpis:


Poinformuj mnie o nowych komentarzach w tym temacie


PARTNERZY
PGNiG TERMIKA
systemy informatyczne
Clyde Bergemann Polska
PAK SERWIS Sp. z o.o.
ALMiG
GAZ STORAGE POLAND
GAZ-SYSTEM S.A.
Veolia
PKN Orlen SA
TGE
Savangard
Audax
Tauron
DISE
BiznesAlert
Obserwatorium Rynku Paliw Alternatywnych ORPA.PL
Energy Market Observer
Gazterm
Innsoft



cire
©2002-2020
mobilne cire
IT BCE