Bioplynová stanica na spracovanie cielene pestovaných poľnohospodárskych plodín
Doc. Ing. Miroslav Hutňan, PhD., Ing. Andrej Kalina, Ústav chemického a environmentálneho inžinierstva, FCHPT STU, Radlinského 9, 812 37 Bratislava,
[email protected] 1
Ing. Štefan Štifner, CSc.1, STIFI, Zelený Háj 2652, 947 01 Hurbanovo
Poľnohospodárstvo je odvetvím, ktoré produkuje značné množstvo materiálu vhodného na anaeróbne spracovanie. Doposiaľ sa k tomuto účelu využíval najmä odpad zo spracovania poľnohospodárskych plodín a ich pozberové zvyšky resp. exkrementy hospodárskych zvierat. V súčasnosti sa už stretávame aj s anaeróbnym spracovaním nielen odpadu ale aj samotných plodín, ktoré sú cielene alebo necielene (napr. burinné trávy) pestované na energetické využitie. Filozofia cieleného pestovania poľnohospodárskych plodín na ich energetické využitie sa dostáva do popredia aj u nás v súvislosti so vstupom do Európskej únie a novou poľnohospodárskou politikou. Reálne sa očakáva reštrukturalizácia poľnohospodárskej výroby. Jednou z možných alternatív využitia poľnohospodárskej produkcie a zlepšenia ekonomiky poľnohospodárskeho podniku môže byť pestovanie „energetických“ plodín s cieľom produkcie bioplynu. Energia z neho môže byť použitá na zlepšenie energetickej bilancie samotného poľnohospodárskeho podniku alebo pri produkcii nadbytočnej energie poskytovaná ďalším odberateľom (napr. vo forme dodávky elektrickej energie do siete).Ako energetická plodina bola v tejto práci vybraná kukurica, ktorá vo forme siláže poskytuje pomerne zaujímavé výnosy (30 ton sušiny na hektár). V západnej Európe sú v súčasnosti v prevádzke stovky bioplynových staníc v ktorých je ako hlavný resp. vedľajší substrát spracovávaná kukuričná siláž. Napriek tomu je v odbornej literatúre málo informácií o anaeróbnom spracovaní kukurice a kukuričnej siláže. Všeobecne je možné konštatovať, že štúdie skúmajúce anaeróbne spracovanie čerstvých resp. silážovaných rastlinných materiálov nepreukázali výrazné rozdiely v produkcii bioplynu. Vyplýva to napr. z práce Zubra (1986). Výhoda použitia siláže vyplýva skôr z jej konzervačných vlastností a teda z možnosti jej celoročného využitia nezávisle od sezóny. Nepodstatné rozdiely v produkcii bioplynu z čerstvých resp. silážovaných materiálov sú zrejmé aj z tab.1, kde sú sumarizované údaje z práce Gunaseelana (1997). Častým prípadom je anaeróbne spracovanie siláže z trávy, ďateliny resp. lucerny siatej. Jedno- a dvoj-fázovým spracovaním siláže z týchto materiálov sa zaoberajú práce Jarvisa et al., (1995), Jarvisa, (1996), Jarvisa et al., (1997) a Nordberga, (1996). Dosiahnuté zaťaženie pri jednostupňovom spracovaní bolo do 3 kg/m3.d (kg straty žíhaním - SŽ) pri produkcii bioplynu 0,47 m3/kg (SŽ). Pri dvojstupňovom procese (I. stupeň acidifikácia, druhý metanogenéza) dosiahli autori zaťaženie 5,9 kg/m3.d a produkciu bioplynu 0,41 m3/kg. V uvedených prácach sú tiež diskutované problémy ako inhibícia procesu amoniakom a vplyv stopových prvkov na zlepšenie procesu.
Tab. 1 Porovnanie produkcie metánu z čerstvého resp. silážovaného materiálu (Gunaseelan, 1997) Materiál Cukrová repa – vňať Karfiol-listy Biela kapusta-listy Repka olejka-vňať Horčica biela-vňať Rebarbora-vňať Energetická trstina Artičok jeruzalemský-vňať
Stav čerstvý silážovaný čerstvý silážovaný čerstvý silážovaný čerstvý silážovaný čerstvý silážovaný čerstvý silážovaný čerstvý silážovaný čerstvý silážovaný
výťažok CH4 (m3/kg SŽ) 0,360 0,381 0,352 0,341 0,382 0,343 0,334 0,330 0,300 0,326 0,316 0,345 0,245 0,265 0,309 0,301
Spracovanie kukuričnej siláže uvádzajú vo svojej práci Zauner a Küntzel (1986). Vo vsádzkových modeloch dosiahli špecifickú produkciu metánu 0,270 - 0,289 m3/kg celkovej sušiny. V laboratórnom prietočnom reaktore bola špecifická produkcia metánu o niečo nižšia - 0,181 - 0,184 m3/kg celkovej sušiny. Produkciou bioplynu z energetických plodín - kukurice a ďateliny sa zaoberal komplexnejšie Amon et al. (2003). Vo svojej práci skúmal produkciu bioplynu zo siláže z rôznych odrôd kukurice v rôznych štádiách zrelosti (mliečna zrelosť, vosková zrelosť, plná zrelosť). Rôzne odrody dosahovali zberové optimum v rôznych štádiách zrelosti. Špecifická produkcia metánu sa pohybovala v rozmedzí 0,206 - 0,286 Nm3/kg SŽ a výťažok metánu bol od 5300 do 8530 Nm3/ha. Tieto výsledky boli získané z mezofilných (40 oC) jednorazových testov anaeróbnej rozložiteľnosti, ktorých dĺžka bola do 60 dní. Pri niektorých odrodách bol rozdiel v produkcii metánu v závislosti od štádia zberu minimálny, pri niektorých odrodách bol rozdiel vyše 25 % (odroda Saxxo, vosková zrelosť, Amon et al. 2003). Výsledky Amona et al. (2003) sa opierajú o jednorazové kinetické testy anaeróbnej rozložiteľnosti siláže, ktoré nemusia presne odzrkadlovať skutočnosť. Kinetické testy, trvajúce až 60 dní boli ukončené až po úplnom zastavení produkcie bioplynu, čo v prevádzkových podmienkach nie je možné. Preto sme sa v našich predchádzajúcich prácach zamerali na dlhodobú prevádzku laboratórnych modelov anaeróbneho spracovania kukuričnej siláže a kukurice a získanie technologických parametrov tohto procesu (Hutňan et al., 2004; Hutňan et al., 2005). Výsledky laboratórneho výskumu boli použité pri návrhu technológie bioplynovej stanice, ktorej nábeh a skúšobná prevádzka je predmetom tejto práce. BIOPLYNOVÁ STANICA Technologické parametre, získané v prácach (Hutňan et al., 2004; Hutňan et al., 2005) sú uvedené v tab. 2 a tab. 3. Na základe nich bola navrhnutá v spolupráci s firmou K&H Kinetic a.s. technológia bioplynovej stanice na spracovanie kukuričnej siláže uvedená na obr. 1.
Tab. 2 Dosiahnuté parametre laboratórneho spracovania kukurice a kukuričnej siláže Parameter
Rozmer
Hydraulická zdržná doba Vek kalu Objemové zaťaženie (SŽ) Teplota Koncentrácia kalu v reaktore Špecifická produkcia bioplynu Špecifická produkcia metánu Obsah metánu v bioplyne Špecifická produkcia kalu Odstránený materiál sušiny
d d kg/m3.d o C g/l m3/kg Nm3/kg % g/g %
Kukurica Siláž metanizácia acidifikácia metanizácia 4 33 100 4 33 100 58 6,3 4,46 35 35 35 30 80 0,659 0,391 0,324 0,189 55,5 54,5 0,13 0,165 86,7 83,5
Tab. 3 Zloženie bioplynu vyprodukovaného z kukurice a zo siláže Zložka CH4 CO2 H2 H2S
Bioplyn z kukurice 55,5 % 44,3 % 90 ppm 170 ppm
Bioplyn zo siláže 54,5 % 45,4 % 215 ppm 5 ppm
Celkový využiteľný objem anaeróbneho reaktora je 2455 m3. Bioplyn je spaľovaný v kogeneračnej jednotke s elektrickým výkonom 270 kW a tepelným výkonom 479 kW. Pri obsahu metánu v bioplyne cca 54,5 % (tab. 3) je na dosiahnutie takéhoto výkonu potrebné v kogeneračnej jednotke spaľovať cca 120 - 130 m3 bioplynu za hodinu. Približne 30 m3/h je potrebných na chod samotného motora kogeneračnej jednotky. Celková spotreba bioplynu pri plnom výkone kogeneračnej jednotky je teda cca 160 m3/h V plynovom hospodárstve je inštalovaný aj plynový kotol s výkonom 470 kW. Jeho hlavné využitie je počas nábehu bioplynovej stanice, v čase odstávky kogeneračnej jednotky resp. v prípade vyššej produkcie bioplynu či potreby väčšieho množstva tepla. Objem plynojemu je 80 m3. Z tohto objemu je zrejmé, že sa predpokladá plynulé spracovanie bioplynu a plynojem slúži najmä na udržiavanie prevádzkového tlaku. Denná produkcia bioplynu pre optimálny chod kogeneračnej jednotky je okolo 3840 m3, čo zodpovedá podľa tab. 2 teoretickému spracovaniu 9821 kg sušiny siláže.
Obr. 1 Bioplynová stanica v Hurbanove Na odstraňovanie sulfánu z bioplynu jeho parciálnou oxidáciou na síru je v reaktore inštalovaný vzdušný kompresor. Siláž je do reaktora dávkovaná reťazovým dopravníkom s kapacitou 8 m3/h. Teplo získané v kogeneračnej jednotke resp. v plynovom kotle je okrem udržiavania teploty v anaeróbnom reaktore využité najmä na ohrev skleníkov a budov podniku, v letných mesiacoch aj na sušenie produkovaných obilnín. Vyrobená elektrická energia je odvádzaná do verejnej energetickej siete. Prebytočný kal z anaeróbneho reaktora je vyvážaný v súčasnosti na polia. V blízkej budúcnosti bude miešaný so slamou na výrobu kompostu. NÁBEH A SKÚŠOBNÁ PREVÁDZKA Pre nábeh anaeróbneho reaktora sme mali niekoľko možností inokulačného média. Jednalo sa o anaeróbne stabilizovaný mezofilný kal z mestskej čistiarne odpadových vôd v Komárne resp. v Nových Zámkoch, o anaeróbne stabilizovaný psychrofilný kal z mestskej ČOV v Hurbanove a o aeróbne stabilizovaný kal z ČOV pivovaru v Hurbanove. Vzhľadom na to, že prebytočný kal z bioplynovej stanice bude využívaný ako hnojivo, chceli sme sa vyhnúť eventuálnej kontaminácii patogénnymi mikroorganizmami v kale z mestských ČOV. Navyše ČOV pivovaru Hurbanovo sa nachádza len cca 2 km od bioplynovej stanice. Preto sme sa rozhodli na inokuláciu použiť aeróbne stabilizovaný kal z ČOV pivovaru. Priemerná sušina
tohto kalu bola 33,7 g/l so SŽ 69,5 %. Hodnota pH kalu bola 7,1. Celkovo bolo navozených asi 1700 m3 kalu. Reaktor bol naplnený do výšky 3,5 m, kedy hladina dosiahla spodnú časť plniaceho hrdla a plynový priestor bol plynotesne uzavretý voči okoliu. Plnenie reaktora trvalo asi týždeň. Rovnako týždeň trvalo ohriatie reaktora na teplotu 37 oC. Kapacita kotla na zemný plyn aj teplovýmenného systému umožňovala aj rýchlejší ohrev. V období nábehu však bola v prevádzke aj sušiareň na sušenie zrnovej kukurice a kapacita plynovej prípojky zemného plynu neumožňovala plný výkon ohrevu kotla pri plnom výkone chodu sušiarne. Po vyhriati reaktora sme začali s postupným dávkovaním siláže. Priemerná sušina siláže bola 24 %. Priebeh veľkosti dennej dávky siláže za sledované obdobie je uvedený na obr. 3. 80 dávka siláže
Dávka siláže [t/d]
60 3000
40 2000
20
Produkcia bioplynu [m 3 /d]
4000
produkcia bioplynu
1000
0
0 0
40
80
120
160
200
Čas [d]
Obr. 2 Denná dávka siláže a produkcia bioplynu za sledované obdobie Prevádzka kogeneračnej jednotky bola spustená v 32. deň po začiatku dávkovania siláže. Je zrejmé, že v prvých týždňoch nebola plynulá, ale prerušovaná z rôznych technických dôvodov. Ako vidno z obr. 2 produkcia bioplynu verne kopírovala dávku siláže aj keď nulová dávka nepredstavovala nulovú produkciu bioplynu. Zásoba nespracovanej siláže v reaktore spôsobila, že aj pri 6-dňovom odstavení dávkovania medzi 150. a 155. dňom od začiatku dávkovania siláže bola priemerná denná produkcia bioplynu asi 2100 m3/d. Na obr. 3 sú uvedené koncentrácie nižších mastných kyselín (NMK) a hodnoty pH v reaktore za sledované obdobie. Pri dávke siláže 20 t za deň začala stúpať koncentrácia NMK v reaktore a pH klesať až na hodnotu 6,5. Nestabilita hodnoty pH pri dávkovaná samotnej siláže vyplýva už z nášho laboratórneho výskumu (Hutňan et al., 2005). Kým pri anaeróbnom spracovaní zrnovej kukurice sa pH udržiavalo na hodnote 7 bez úpravy, pri siláži bolo potrebné pH upravovať pomocou NaHCO3. Stabilitu pH v prípade zrnovej kukurice je možné vysvetliť vyššou koncentráciou NH4-N v kalovej vode, keďže kukurica obsahuje oproti siláži väčšie množstvo bielkovín. Kým priemerná koncentrácia NH4-N v kalovej vode zo spracovania siláže sa pohybovala okolo 300 mg/l, zo spracovania kukurice to bolo 600 mg/l.
8
10000
8000
NMK
6000
pH
pH
Dávka siláže [t/d]
6
4
4000
2000 2
0 0
40
80
120
160
200
Čas [d]
Obr. 3 Koncentrácia NMK a hodnoty pH v reaktore Približne do 117. dňa prevádzky reaktora sa hodnota pH pohybovala v rozmedzí hodnôt 6,8-7. V 120. deň prevádzky reaktora bola koncentrácia NH4-N v kalovej vode 450 mg/l. Na zvýšenie pH sa prevádzkovateľ obával použiť vápno z dôvodov možného vzniku inkrustov na teplovýmenných plochách a tvorbe vápenných kalov. Preto sme sa snažili pH stabilizovať zvýšením koncentrácie NH4-N dávkovaním močoviny. Po postupnom nadávkovaní 1 t močoviny vzrástla po týždni koncentrácia NH4-N v kalovej vode na 620 mg/l a pH na hodnotu 7. Vzrast pH však bol pravdepodobne kombináciou dávky močoviny a zníženia dávky siláže. Po zvýšení dávky siláže opäť postupne klesla hodnota pH na 6,5 a koncentrácia NMK vzrástla nad 7000 mg/l. Z toho dôvodu bolo odstavené dávkovanie siláže v už spomínanom období medzi 150. a 155. dňom. Ako zdroj dusíka na stabilizáciu hodnôt pH sme v tomto období začali využívať kal, ktorý bol použitý aj na inokuláciu reaktora pri jeho nábehu. Po šiestich dňoch bolo postupne obnovené aj dávkovanie siláže (obr. 2) a postupne sa zvyšovala aj dávka aeróbne stabilizovaného kalu z pivovaru. V súčasnosti je maximálna dávka tohto kalu 8 m3/d. Sušina v tomto kale sa pohybuje okolo hodnôt aké boli pri plnení reaktora približne 33 g/l. Po zavedení dávkovania aeróbne stabilizovaného kalu do reaktora sa koncentrácia NH4-N v kalovej vode pohybuje od 570 do 715 mg/l a pH v reaktore sa stabilizovalo na hodnote okolo 7,2. Priebeh koncentrácie sušiny kalu v anaeróbnom reaktore je uvedený na obr. 4. Z obrázku je vidieť, že sušina kalu sa postupne stabilizuje na hodnote medzi 50-60 g/l. Pred dávkovaním aeróbne stabilizovaného kalu bola špecifická produkcia bioplynu 0,66 -0,7 m3/kg sušiny siláže, po jeho zavedení 0,78 m3/kg. Ak tieto hodnoty porovnáme s údajmi, získanými z laboratórneho výskumu (tab. 2) vidíme, že oproti hodnote 0,391 m3/kg sú hodnoty získané z reálnej bioplynovej stanice podstatne vyššie. Približný okamžitý elektrický výkon kogeneračnej jednotky je možné vypočítať podľa vzťahu: Pe = 2 . (V - 30)
[kW]
kde V je okamžitá produkcia bioplynu [m3/h] a 30 predstavuje m3 bioplynu potrebné na chod samotného motora kogeneračnej jednotky. Približný okamžitý tepelný výkon sa potom určí podľa vzťahu: Pt = 2 . (V - 30) . 1,5
[kW] 60
Sušina kalu v reaktore [g/l]
50
40
30
20
10 0
40
80
120
160
200
Čas [d]
Obr.4 Priebeh koncentrácie sušiny kalu v reaktore Priemerný obsah bioplynu sa pohyboval okolo hodnoty, ktorá bola zistená v rámci laboratórneho výskumu (tab. 3). Zloženie bioplynu sa pohybovalo napr. v závislosti od času, ktorý uplynul od nadávkovania čerstvej siláže. Hneď po nadávkovaní obsah metánu mierne klesol a potom postupne narastal. Tieto zmeny však boli minimálne, predstavovali desatiny %. Obsah metánu napr. výrazne vzrástol v čase medzi 150. a 155. dňom, kedy nebola dávkovaná siláž - až na vyše 65 %. Množstvo sulfánu v bioplyne je minimálne. Jeho koncentrácia je podobne ako pri laboratórnych meraniach (tab. 3) do 170 ppm. Ako už bolo uvedené vyššie, vyrobená elektrická energia je odvádzaná do verejnej elektrickej siete. Podľa výnosu Úradu pre reguláciu sieťových odvetví č. 2/2005 je výkupná cena za 1 kWh elektrickej energie vyrobenej spaľovaním bioplynu 2,50 Sk. Pri tejto základnej cene sa nerozlišuje, či bol bioplyn vyrobený napr. na čistiarni odpadových vôd, kde producent nemá náklady na použitú surovinu, alebo bol vyrobený z cielene pestovanej biomasy. Pre prevádzkovateľa bioplynovej stanice bola preto výkupná cena stanovená na 3,0 Sk za 1 kWh. ZÁVER Doterajšie výsledky sledovania nábehu a skúšobnej prevádzky bioplynovej stanice v Hurbanove môžeme zhrnúť nasledovne: • Nábeh anaeróbneho reaktora preukázal, že použité inokulum - aeróbne stabilizovaný kal z čistiarne odpadových vôd pivovaru v Hurbanove bol vhodný materiál k tomuto účelu.
• •
•
Aj keď maximálne zaťaženie anaeróbneho reaktora bolo 2,35 kg SŽ/m3.d, čo je približne 50 % projektovanej kapacity, vzhľadom na vyššiu špecifickú produkciu bioplynu bol dosiahnutá jeho projektovaná hodnota. Denná produkcia elektickej energie je vyše 6000 kWh a produkcia tepla vyše 9000 kWh. Vyrobená elektrická energia je odvádzaná do verejnej elektrickej siete, teplo je využívané na ohrev samotného reaktora, na ohrev skleníkov poľnohospodárskeho podniku a bude už v tejto sezóne využívané na sušenie obilnín v čase ich zberu. V súčasnosti je hlavnou spracovávanou energetickou plodinou kukurica vo forme siláže. Perspektívne sa počíta aj so spracovaním ďalších materiálov ako ražná siláž, siláž zo slnečnice a pod.
