АГРОБИО ТЕХНИКА - растениевъдство, животновъдство, биоенергетикагодина IV, брой 1, 2016

Съоръжения за съхранение на биогаз

Съоръжения за съхранение на биогаз

Производството на биогаз поставя въпроси за съхраняването на продукцията. Всяка инсталация и стопанство с биогазово производство трябва да предвиди как ще съхранява количествата, които надвишават моментната консумация, за да са на разположение по-късно в рамките на обекта, както и количествата преди и след транспортиране за употреба на друго място. Един от най-лесните начини за съхраняване на биогаз за употреба в рамките на стопанствата са системите с ниско налягане. Системите с високо и средно налягане имат повече изисквания към пречистване, безопасност и енергийна консумация. Такива допълнителни разходи са по-добре обосновани за пречистен биогаз - биометан с високо енергийно съдържание, който е по-ценно гориво. Ще разгледаме какво предлагат различните технически решения за съхраняване на биогаз.


Областите с производство на биогаз се разширяват, обхващайки все повече сектори като пречиствателни станции за отпадни води, сметища, селско стопанство, хранително-вкусова промишленост и други. Заедно с тях нараства и необходимостта от решения за съхраняване на биогаза. Изборът на подходяща система за съхранение на биогаз има значителен принос за ефективността и безопасността на инсталацията. Има две основни причини за съхранение на биогаз: съхранение за ползване по-късно на място и съхранение преди и след транспортиране до точки извън производствения обект и разпределителни системи. Системите за съхранение на биогаз имат важната функция да компенсират разликите в производството и потреблението на биогаз, както и температурните промени, свързани с промени в обема.

В зависимост от разположението им има две основни категории системи за съхранение на биогаз. Едната група са вътрешни биогазови резервоари, интегрирани в горната част на анаеробния биореактор, а другата група представляват външни, отделни от ферментатора форми за съхранение, които са автономни компоненти на инсталацията. В тези групи се различават много разновидности в зависимост от конструктивното изпълнение, видовете покрития, обема (постоянен и изменящ се) и налягането.

Системи с ниско налягане с плуващ газхолдер
Газхолдери с плуващ (подвижен) купол от еластична газоплътна мембрана дават възможност за съхранение на биогаз при ниско налягане. Тези системи обикновено работят при налягания под 2psi. Газхолдерите могат да се изградят от стомана, фибростъкло и гъвкава материя. Имат цилиндрична или полусферична форма, която се поддържа от леки стоманени профили. Холдерът се интегрира в реактора като запушалка. Тя потъва под собствената си тежест, опирайки се на пръстен, който я задържа, а когато се синтезира биогаз, се изпълва с него, издига се и плува над повърхността на ферментационния субстрат в реактора.

Плуващите холдери се разполагат или направо върху ферментационната суспензия или в собствена водна риза. Тази конструкция позволява промяна в обема на съда и съхраняване на газа при постоянно налягане. Газоплътната мембрана се захваща към метален подвижен таван от една страна и към цилиндричния корпус от друга страна. Друго конструктивно решение е когато метален таван липсва и реактора е покрит само с газоплътната мембрана на газхолдера. Тази мембрана се задържа над суспензията или с водна риза или с поддържаща мрежа, закрепена за горния ръб на корпуса и за централния стълб.

Появата на нови полимерни материали и строителни технологии позволи налагането на пазара на газоплътни мембрани, които отделят съхранявания газ от атмосферата без необходимост от затваряне отгоре с метални профили. Това намали броя на подвижните елементи, направи системите по-прости, по-евтини, по-лесни за експлоатация и по-малко застрашени от корозия.

Леките металн профили предпазват газхолдера от накланяне и търкане в стените на реактора. Водната риза или мрежата пък предотвратяват засядане на газхолдера в субстрат с високо съдържание на твърди вещества. Ако газхолдерът трябва да се отстрани при повреда, това става само след изпускане на газа или източване на водната риза. При необходимост от замяна плуващият купол може да се подмени с балон за съхранение на биогаз над биореактора. Той ще намали конструктивните разходи, но създава практически проблеми, свързани със закрепването към биореактора и със защитата от механични повреди.

Могат да се използват отделни резервоари за съхраняване на вторичната биомаса и на суровия газ. Основно предимство на ферментатор с такъв компонент за съхранение на газ са намалените капиталови разходи на системата. Цената на холдера е около 40% от общата стойност на инсталацията. Най-евтиният и надежден газхолдер е с гъвкав, издуващ се при изпълване с газа купол, чиято материя не реагира със сероводорода в биогаза и е неразделна част от биореактора. Мембранните материали често включват полиетилен с висока плътност (HDPE), полиетилен с ниска плътност (LDPE), линеен полиетилен с ниска плътност (LLDPE) и хлорсулфониран полиетилен, покрит с полиестер. PVC не е подходящ, тъй като не е устойчив на UV светлина. Дебелината за покривни материали обикновено варира от 0,5 до 2.5mm. Други предимства на системата са, че строителството е сравнително лесно и налягането в газхолдера е постоянна величина.

Недостатък на системата е необходимостта от специална антикорозионна защита за металните части. Именно заради склонността им към ръждясване, те трябва периодично да се покриват със специализирани антикорозионни покрития. Във влажен климат, по крайбрежията например, срокът на експлоатация на металните части може да бъде значително съкратен (до 5 години), ако няма поддръжка. При адекватна защита обаче, експлоатацията е над 15 години. Водните ризи пък са лесни за поддръжка и с универсално приложение. Имат дълъг експлоатационен живот и са по-естетични и хигиенични, тъй като холдерът не се цапа.

Резервоарите за съхранение при ниско налягане обикновено са буфери за суров биогаз преди оборудването за обогатяване на газа. Те обикновено имат капацитет, който да съхрани произведения газ в рамките на 1-2 дни. След надграждането, полученият биометан има ниска енергийна плътност при атмосферно налягане. Ето защо е икономически по-изгодно, количествата, които няма да се консумират на място, да се подготвят за транспортиране в компресирана форма.

Системи със средно и високо налягане
Биогазът може да се съхранява също при средно налягане между 2 и 200psi. За да се предотврати корозия на компонентите на резервоара и да се гарантира безопасна работа, биогазът първо трябва да се пречисти чрез премахване на H2S. След пречистване биогазът трябва да бъде сгъстен преди съхранение в резервоари.

Типичният състав на суровия биогаз не отговаря на минималните изисквания за компресиран природен газ (CNG). По-специално, съдържанието на CO2 и сяра в непречистения биогаз е прекалено високо, за да бъде използван като гориво за превозни средства без допълнителна преработка. Биогазът, който е бил надграден до биометан чрез премахване на H2S, влага и СО2, вече може да бъде използван като гориво за превозни средства. Биометанът е по-малко корозивен от биогаза, а освен това е и по-ценен като гориво. Тъй като производството на такова гориво обикновено надхвърля моментното търсенето на място, биометанът трябва да се съхранява за бъдеща употреба, като това обикновено става под формата или на компресиран биометан (CBM) или на втечнен биометан (LBM).

Втечненият биометан може да се транспортирана сравнително лесно и е добър заместител като гориво за превозни средства на LNG (втечнен природен газ) и CNG. Транспортира се по същия начин, както LNG, тоест, чрез изолирани камиони танкери, предназначени за транспортиране на криогенни течности. За разтоварването на LBM се използват криогенни помпи. Един от основните недостатъци на LBM е, че като криогенна течност трябва да се държи на студено, за да остане в течна форма. В противен случай поема от околната топлина и известно количество се губи при изпарение. Има възможности изпареният газ да се втечни отново чрез компресор и кондензатор. Друг вариант за минимизиране на загубите е LBM да се използва бързо след транспортиране, например за около една седмица.

Биометанът може да се съхрани и като CBM, за да се спести място. Газът се съхранява в стоманени бутилки, каквито обикновено се използват за съхранение на други газове с комерсиално предназначение. Складовите съоръжения трябва да бъдат адекватно оборудвани със системи за безопасност. Разходите за компресиране на газ при високи налягания между 2000 и 5000psi са много по-големи от разходите за компресиране на газ за съхранение при средно налягане. Поради тези високи разходи, биогазът се пречиства до биометан преди компресиране.

Изходящият от надграждащото съоръжение биометан преминава през компресор, който ще покачи налягането на газа при зареждане в съоръженията за високо налягане. Компресорът трябва да е избран така, че да се справи със скоростта на потока газ на изхода от пречистващото съоръжение. Например в кравеферма с 1000 крави, ще се получи скорост на потока 2000ft3 за час. Редица производители предлагат компресори в този и в други диапазони, в зависимост от нуждите на инвеститора.

Системи с фиксиран купол
Биореакторите с фиксиран купол, за разлика от тези с плуващ, представляват ферментатори с неподвижно закрепен газхолдер на върха си. Когато започне производството на биогаз, суспензията се измества в компенсаторен резервоар. Налягането на газа се повишава с обема на съхранявания газ и разликата във височината между равнището на суспензията в биореактора и преливния резервоар. Изходът за газ трябва да се намира поне 10см по-високо от преливния резервоар, за да се избегне задръстване на газовите тръби. Разходите за газхолдер тип фиксиран купол са сравнително ниски. Решението е просто, тъй като не съществуват движещи се части. Също така няма стоманени части, податливи на корозия и затова се очаква по-дълъг живот на експлоатация (повече от 20 години).

Ферментаторът се изгражда под земята, което го предпазва от механични повреди и спестява пространство. Подземният биореактор също е защитен от ниски температури през нощта и през студените сезони, но пък при слънчево време и в топлите сезони са необходими повече време и енергия за затоплянето му. Към предимствата може да се добави липсата на големи денонощни температурни амплитуди, което влияе положително на бактериологичните процеси. Като недостатък трябва да се отбележи, че изграждането на такова съоръжение е трудоемко и изисква технически познания, за да не се допусне изтичане на газ. Газхолдерът трябва да е газонепропусклив, а останалата част от биореактора е водонепропусклива. За да се избегне напукване на холдера и изпускане на газ, се използва специален пръстен. Той е гъвкавата връзка между долната водонепропусклива и горната газонепропусклива част на съоръжението.

Системите с фиксиран купол имат производителност, равна на тази на системите с плуващ газхолдер. Въпреки това, при фиксирания купол използването на газа е по-малко ефективно, тъй като налягането му се променя значително. Ако е необходимо постоянно налягане на газа (например за двигатели), ще трябва да се предвиди регулиране на налягането или плуващ газхолдер.

Системи тип балон
Решенията тип балон се изработват от полимерни или гумени материали, като комбинират биореактора и газхолдера в едно или са външни (самостоятелни) резервоари. Газът се съхранява в горната част на балона. Входът и изходът са свързани директно към повърхността на балона. Налягането на газа може да се увеличи чрез поставяне на тежести върху балона. Ако налягането на газа надвишава лимита, който балона може да издържи, структурата на балона ще се увреди. Затова са нужни предпазни клапани за регулиране на налягането. Ако са необходими по-високи налягания на газа, ще трябва да се използва помпа за газ. Тъй като изграждащият балона материал трябва да бъде устойчив на атмосферни влияния и UV, специално стабилизирана, армирана пластмаса или синтетичен каучук са сред предпочитаните решения. Други материали, които са били използвани успешно включват полиестер или бутил, като полезният им живот обикновено не надвишава 2-5 години.

Предимства на такова решение са предварително сглобяване на ниска цена, лекота на транспортиране и плитко инсталиране, подходящо за използване в райони с високи подпочвени води. Инсталации за биогаз тип балон се препоръчват, ако наличната инсталация е в ремонт, а производството не трябва да се прекъсва при малки възможности за капиталовложения. Недостатъци са ниското налягане на газа, което може да изисква помпи и относително краткия живот заради податливост на механични повреди. Много често, когато има такава възможност, мембранните балони за съхранение на биогаз се поставят вътре в сгради, за да се предпазят от външните условия или им се поставят допълнителни защитни мембранни слоеве.

При двойна мембрана пространството под долната мембрана служи за газхолдер, а пространството между двете мембрани е изпълнено с въздух, който предпазва газхолдера от външни въздействия и повреди, а освен това упражнява допълнителен натиск върху вътрешната мембрана и служи за контрол на налягането. Мембранните газхолдери могат да се конструират интегрирано в реактора с полусферичен или силозен купол, а могат да се обособят и като самостоятелни балонни газхолдери, извън структурата на анаеробния биореактор, монтирани върху бетонна основа.