Technologia efektywnego mieszania w biogazowniach

Technologia efektywnego mieszania w biogazowniach. Co musisz wiedzieć? W warunkach wzrostu cen energii rośnie zainteresowanie jej odnawialnymi źródłami. Biogazownie stanowią jedną z tych technologii, które umożliwiają sprawną eksploatację prowadzoną na poziomie krajowym jak również lokalnie. Właśnie dlatego na przestrzeni ostatnich lat wielokrotnie wzrosła nie tylko liczba tych instalacji, ale również ich moc.

Komory fermentacyjne, systemy mieszania a zużycie energii

Prawidłowo wymieszana zawartość komory fermentacyjnej w instalacjach biogazowych jest podstawą maksymalnej i równomiernej produkcji biogazu. Z drugiej strony jest to proces pochłaniający znaczną część energii. W celu optymalizacji wydajności systemu mieszania oraz zużycia energii firma Xylem przeprowadziła badania dotyczące analizy konsumpcji energii w procesie mieszania komory fermentacyjnej w istniejących biogazowniach oraz analizę różnych systemów mieszania i ich kombinacji.

W praktyce

W pierwszym badaniu analizowano 30 komór fermentacyjnych wyposażonych w systemy mieszania różniące się pod względem zainstalowanych typów mieszadeł w odniesieniu do wielkości zbiornika i zastosowanego substratu.

Podczas badania analizowano następujące kryteria:

  • obciążenie komory fermentacyjnej (kg suchej masy/m³ na dzień) – dla procesu mieszania miarodajna jest całkowita sucha masa, a nie tylko organiczna sucha masa.
  • zużycie energii:

– w odniesieniu do objętości (Wh/m³ na dzień)

– w odniesieniu do obciążenia komory fermentacyjnej (Wh/kg na dzień)

  • współczynnik inżynierski (zależny od własności reologicznych substratu, indykuje skalę trudności substratu względem procesu mieszania)

– gnojowicy jako „materiałowi przetrawionemu” przypisano współczynnik 0,5

– kiszonce kukurydzianej jako „materiałowi bazowemu” przypisano   współczynnik 1

– kiszonce traw i innym trudno mieszalnym substratom przypisano współczynnik 2

Wykres 1.: Wyniki badania według zużycia energii w odniesieniu do wsadu komory fermentacyjnej  (Wh/kg suchej masy na dzień).

Dowiedziono jasno, że odpowiedni skład substratu oraz dobór mieszadeł z

odpowiednimi rezerwami, jest podstawą dla optymalizacji energetycznej mieszania. Nieprawidłowo zaplanowana technika mieszania wymaga znacznie dłuższego czasu pracy urządzeń i wyraźnie większych ilości energii. W szczególności, jeśli stosuje się ciężki substrat, jak np. kiszonka trawiasta lub kurze odchody suche lub dobiera się ekstremalnie krótki czas retencji. Widać to w instalacji 12 (wykres 1), gdzie moc zainstalowana wynosi 22 W/m. Jednak przy krótkim czasie retencji na poziomie 14 dni oraz udziale kiszonki traw ok. 30%, zużycie energii w odniesieniu do obciążenia komory fermentacyjnej wyniosło 85 Wh/kg. Okazało się, że prawie 10% wygenerowanej energii elektrycznej należało poświęcić na mieszanie. Dodatkowo biogazownia nie osiągała pełnej mocy, co pogarszało bilans energetyczny. Użytkownik znacznie zmniejszył obciążenie instalacji i dzisiaj biogazownia jest bardziej dochodowa.

Innym przykładem jest instalacja 25 (wykres 1). Mimo dużego obciążenia komory fermentacyjnej i zastosowania kiszonki traw, biogazownia jest bardzo ekonomiczna, dzięki zastosowaniu efektywnego systemu mieszania.

Jeśli podczas procesu fermentacji dochodzi do niekorzystnych warunków jak np. powstanie kożucha na powierzchni biomasy, w nieprawidłowo zaplanowanych instalacjach sytuacja staje się krytyczna.  Komory fermentacyjne z prawidłowo dobranymi oraz usytuowanymi mieszadłami, są w stanie szybciej zniszczyć ewentualny kożuch i przywrócić prawidłowy proces fermentacji.

Mieszanie zoptymalizowane energetycznie

Firma Xylem, jako pionier we wprowadzaniu innowacji, rekomenduje stosowanie systemu mieszania składającego się z mieszadeł szybko oraz wolnoobrotowych. Badania nad tą techniką mieszania odbyły się w dwóch równolegle pracujących komorach fermentacyjnych A i B.

Rysunek 1. Komora fermentacyjna wyposażona w mieszadła wolno i szybkoobrotowe – system mieszania zoptymalizowany energetycznie.

Średnica zbiornika 25 m / poziom napełnienia 5,5 m
Komora fermentacyjna Ilość mieszadeł (moc) Wirnik ø Obroty
A 4 mieszadła szybkoobrotowe (13 kW) 766 mm 365 obr./min.
B 2 mieszadła szybkoobrotowe (13 kW) oraz

2 mieszadła wolnoobrotowe (5,7 kW)

766 mm

 

2500 mm

365 obr./min.

 

42 obr./min.

Tabela 1. Dane komór fermentacyjnych do próby porównawczej.

Parametry Jednostka A B Redukcja w %
Moc zainstalowana W/m³ 21,4 15,0 30
Obciążenie komory fermentacyjnej Kg TS/m³d 6,5 7,7 Zwiększona produkcja gazu
Zużycie energii Wh/m³d 129 73 43
Zużycie energii Wh/kg 19,8 9,4 52

Tabela 2. Dane mieszadła ze zużyciem energii w próbie porównawczej.

Jak widać w Tabeli 2, zużycie energii przeznaczonej na proces mieszania można zredukować o ok. 50%. przy systemie składającym się z mieszadeł wolnoobrotowych oraz mieszadeł szybkoobrotowych. Kombinacja tych urządzeń opiera się na różnym podziale zadań. Mieszadła wolnoobrotowe odpowiadają za efektywny przepływ masowy dzięki wysokiej wydajności w odniesieniu do niskiego poboru energii. Mieszadła szybkoobrotowe, dzięki generowaniu przepływu turbulentnego, odpowiadają za prawidłowe wymieszanie górnej oraz dolnej objętości komory fermentacyjnej tzn. zapobieganiu powstawania kożucha na powierzchni i sedymentacji na dnie zbiornika.

Nasze prace badawcze są nadal kontynuowane. W laboratorium firmy Xylem w Sztokholmie trwają badania nad dokładnym sklasyfikowaniem substratów pod względem ich właściwości reologicznym. W celu optymalizacji doboru i pozycjonowania mieszadeł, szeroko wykorzystywana jest analiza CFD (Computational Fluid Dynamics) służąca między innymi do modelowania przepływu płynu w komorze fermentacyjnej.

Źródło: Materiały Xylem Water Solutions Polska Sp. z o.o.