Experimentální bioplynová stanice – zkušenosti z provozu a výsledky
V rámci výzkumného projektu „Poloprovozní-experimentální BPS" (dále jen ExBPS), který byl spolufinancován z programu IMPULS Ministerstva průmyslu a obchodu ČR byla navržena, zkonstruována a provozována experimentální bioplynová stanice. Rozbory substrátů a vzorků odebraných z fermentorů a výpočty hlavních technologických parametrů byly prováděny v laboratoři, jejíž vybavení a provoz bylo také zajištěno pomocí programu IMPULS MPO ČR. Projekt v letech 2007 - 2010 realizovala společnost BIOPROJECT.
Celková koncepce stanice vycházela ze snahy v rámci možností napodobit experimentální model skutečné bioplynové stanici a reálným provozním podmínkám. Zatímco laboratorní fermentory mají obvykle objem 5 - 100 litrů, my jsme zvolili užitečný fermentační objem řádově vyšší, 1 m3. ExBPS byla provozována v exteriéru, kde se podmínky provozu významně mění v závislosti na počasí na rozdíl od konstantních podmínek v laboratoři. Svou velikostí, umístěním a možnostmi rychle modifikovat provozní režim představuje ExBPS unikátní zařízení, které tvoří ideální mezistupeň mezi laboratorními fermentory a velkoobjemovými reaktory na reálných BPS. Podstatnou výhodou je možnost provádět experimenty, které na reálné BPS nejsou možné, neboť při překročení parametrů v hraničních oblastech technologie dochází k ohrožení až k úplnému zastavení fermentace.
Hlavní části experimentální bioplynové stanice byly tvořeny těmito částmi:
Fermentory 1 a 2
Jako fermentory sloužily izolované nerezové válcové nádrže s plochým dnem cca 1,2 m a výškou 1,5 m.
Obr. č. 1 Technologické schéma ExBPS
Fermentory byly zastřešeny odnímatelným víkem s průzory z plexiskla a dále vybaveny pomaluběžnými i rychloběžnými míchadly, topením a měřícími čidly, přičemž příkon topného systému umožňoval provoz v mezofilním i v termofilním režimu.
Tabulka 1 Charakteristika substrátů
Plnění obou fermentorů bylo prováděno centrálním kalovým čerpadlem, což zajišťovalo jednoduchý provoz a umožňovalo sériový i paralelní režim.
Zapracování ExBPS a použité substráty
ExBPS byla zapracována přídavkem cca 200 litrů fermentačního kalu z dobře pracující BPS, přičemž hrubá suspenze byla odstraněna přecezením přes hrubé síto. Poté bylo zahájeno dávkování substrátů, v prvé etapě převážně cukrovarských řízků, v další etapě směsi substrátů.
Tabulka 2 Technologické parametry
Tabulka 3 Složení bioplynu
Pro živení ExBPS jsme použili substráty, jejichž základní vlastnosti jsou shrnuty v následující tabulce č. 1. Uvedeny jsou hodnoty sušiny TS v %, hmotnostní podíly organické sušiny (OS/TS) a celkového dusíku (KN), vztažené k celkové sušině TS a předpokládaná produkce bioplynu (KBP) vyjádřená jako objem suchého bioplynu za standardních podmínek v m3 při fermentaci 1 kg TS.
Tabulka 4 Dávky substrátů
Tabulka 5 Celková dávka substrátů
Jak je zřejmé, v použitých substrátech převládají dobře rozložitelné substráty s dominantní sacharidickou a polysacharidickou složkou. Volba těchto substrátů nebyla náhodná, ale jejich složení a použitá dávka vycházela z hodnot, používaných na některých BPS, jejichž činnost jsme se snažili simulovat. Po celou dobu provozu v prvé etapě byly oba fermentory provozovány paralelně v mezofilním režimu, přičemž F1 se provozoval při nižší teplotě (Ø 36,3 °C), F2 při vyšší (Ø 39,8 °C). Rozdíly v produkci i ve složení bioplynu byly minimální.
Do fermentoru 1 byly nadávkovány ve sledovaném období cukrovarské řízky v množství 78 kg sušiny, celková produkce 31,5 m3 bioplynu. Za stejné období byla dávka sušiny do fermentoru 2 75 kg a produkce plynu 30,8 m3.
Poměrně zajímavá je změna složení bioplynu v závislosti na zatížení. Cukrovarské řízky se rozkládají velice rychle, podle sledování objemu bioplynu na plynoměru je podstatný podíl produkce bioplynu v několika hodinách bezprostředně po nadávkování, pak se snižuje a po zhruba 16 hodinách končí. Současně jsme analyzovali složení bioplynu přenosným analyzátorem. Při rychlé produkci je produkován velký objem bioplynu s nízkým podílem methanu, tak jak objemová produkce klesá, stoupá podíl methanu. Bioplyn z fermentoru F1, který měl nižší teplotu, měl vyšší obsah methanu ve srovnání s fermentorem 2. V další etapě jsme dávkovali směs substrátů, uvedenou v tabulce č. 4.
Obdobně jako na běžných BPS bylo použito uspořádání, při kterém se celková dávka přidává do základního fermentoru, kde probíhají hlavní reakce, navazující druhý fermentor je živen přepouštěním asi 10 % objemu hlavního fermenoru (doba zdržení cca 10 dní) a slouží pro dokončení fermentace a stabilizaci fermentačního zbytku.
Tabulka č. 5 udává celkové množství substrátů, nadávkovaných do obou fermentorů ve sledovaném období (150 dní). Celková dávka sušiny (262 kg a 251 kg) i organické sušiny (239 kg) je u obou fermentorů prakticky stejná. V průběhu tohoto období pomalu rostla koncentrace sušiny (TS) ve fermentoru 1 z 10 g/l na 15 g/l a u fermentoru 2 z 5 g/l na 15 g/l. Podíl organické sušiny v obou fermentorech byl prakticky stejný, 65 %. Objemové zatížení obou fermentorů bylo standardní, mezi 2 - 3,5 kg/m3,den TS (2 - 3 kg/m3,den OS). Průběh zatížení, vyjádřený jako týdenní průměr, je znázorněn na obrázku č. 2
Důležitou hodnotou, charakterizující stabilitu anaerobní fermentace je bezrozměrný parametr FOS/TAC. Je to poměr mezi koncentrací nižších mastných kyselin (flüchtige organische säuren) a koncentrací hydrogenuhličitanů (totale anorganische carboneum).
Obr. č. 2 Průběh zatížení
Obr. č. 3 FOS/TAC v F1
Obr. č. 4 FOS/TAC v F2
Tento parametr zavedli v Německu, kde se počítá jako poměr hodnot CH3COOH a CaCO3, obě vyjádřené v mg/l. Jak doporučil prof. Dohanyos, logičtější je obě hodnoty, koncentrace Ʃ NMK a HCO3- vyjádřit v mmol/l. Hodnoty takto vypočteného bezrozměrného parametru (mmol/mmol) jsou znázorněny na grafech 6 a 18. Jak je vidět, do 80 dne má FOS/TAC stabilní hodnoty 0,2 - 0,8 u F1 a o něco vyšší, ale stále ještě stabilní hodnoty 0,5 - 1 u F2. Po 80 dnu se FOS/TAC prudce zvýší v obou fermentorech na 1 - 2 u F1 a 2 - 3 u F2 a zůstane na vyšších hodnotách po celý zbytek experimentů.
Tabulka 6 Průměrné složení bioplynu (% objemová)
Tabulka 7 Celková produkce bioplynu (m )
Produkce bioplynu se rozběhla po 16 dnech od zapracování fermentorů poměrně rychle a poté byla vcelku stabilní, průměrně 0,86 m3/m3,den v období 16 - 80 den a 0,62 m3/m3,den v období 81 - 150 den u fermentoru 1. Obdobné hodnoty pro fermentor 2 jsou 0,74 m3/m3,den (16 - 80 den) a 0,31 m3/m3,den (81 - 150 den). Jak je vidět, přetížení a nedostatečné topení způsobilo pokles produkce bioplynu v obou fermentorech, přičemž u F2 byl pokles výraznější. Průměrné složení bioplynu (v % objemových reálného teplého a vlhkého plynu) je uvedeno v tabulce č. 6.
Velice zajímavé je porovnat celkovou produkci bioplynu s teoretickou hodnotou, získanou výpočtem ze sušiny nadávkovaných surovin. Naměřenou produkci bioplynu jsme přepočetli na standardní podmínky 0 °C a tlak 101,325 kPa. Hodnoty jsou uvedeny v tabulce č. 7.
Závěr
Experimentální bioplynová stanice, pořízená v rámci projektu IMPULS, je spolehlivé modelové zařízení, schopné provozu i v nepříznivých povětrnostních podmínkách. ExBPS umožňuje testování chování a produkce nových substrátů při jejich anaerobní fermentaci, simulaci nabíhání a provozu reálné bioplynové stanice a výzkum odolnosti anaerobní fermentace v hraničních technologických podmínkách.
Projekt byl realizován za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu.
Text a foto: Jan Koller, Karel Tomášek,
Michal Vršecký, Pavel Koman,
František Lehar
Pridať komentár
Aktuálne vydanie
Partnerské periodiká
Copyright © 2008 TechPark, o.z. | Všetky práva vyhradené | Realizácia: Webmax