Co je hlavní složkou bioplynu?

Růst cen a systematické snižování vyčerpatelných přírodních zásob uhlovodíků nás nutí stále více přemýšlet o výrobě a využívání alternativních palivových metod. Jedním z nejoblíbenějších je dnes tzv. bioplyn získávaný z organického odpadu.

Co je bioplyn a jaké jsou jeho výhody?

Bioplyn je směs 55–75 % metanu, 25–45 % oxidu uhličitého a malého množství vodíku, sirovodíku a dalších plynů, získávaná v důsledku činnosti bakterií při rozkladu biomasy. Hlavní užitečnou složkou tohoto biopaliva je metan, při jehož spalování se uvolňuje 20–25 MJ energie, přibližně stejně jako při spalování 1,5 kg uhlí.

Hlavní výhodou bioplynu je, že se získává z organického odpadu. Tím jsou vyřešeny dva problémy najednou: recyklace potravinového odpadu a získávání relativně levného a energeticky náročného paliva. Odpad vznikající při výrobě bioplynu se využívá také jako hnojivo. Další výhodou tohoto přístupu je úspora přírodních zdrojů a snížení vypouštění škodlivých skládkových plynů do atmosféry.

Technologie bioplynu

Dnes je známo více než 60 různých technologií výroby bioplynu, lišících se druhy a poměry použitých složek, ale i schématem zpracování a konstrukcí zařízení. Tak či onak je založen na procesu, jehož podstatou je sekvenční rozklad biomasy třemi skupinami bakterií – hydrolytické, kyselinotvorné a metanotvorné.

Hlavním prvkem každé bioplynové stanice je reaktor – uzavřená nádoba, ve které probíhá výše popsaný proces. V tomto případě v důsledku reakce v horní části nádrže vzniká bioplyn, ze kterého se následně uvolňuje metan a ve spodní části se hromadí odpadní hmota vhodná k použití jako hnojivo.

Aby proces tvorby bioplynu proběhl úspěšně a efektivně, jsou nutné určité podmínky. Zejména je nutné udržovat teplotu v nádobě minimálně 30 C. Hmota v ní musí být neustále promíchávána a odstraněná odpadní část musí být neprodleně nahrazena novým odpadem. Důležité je také složení biomasy dodávané ke zpracování.

Jaký odpad se používá k výrobě bioplynu

Poměr látek ve složení biomasy přímo ovlivňuje množství a rychlost produkovaného bioplynu a také obsah metanu v něm. Nejlepšího efektu se dosáhne kombinací fekálních kalů, potravinového a rostlinného odpadu ze zemědělského a dřevozpracujícího průmyslu. Nejjednodušší zařízení na výrobu bioplynu však lze vyrobit a použít v soukromém domě nebo venkovském domě. Takzvané rodinné bioplynové stanice se aktivně využívají v Indii, Nepálu, Vietnamu a dalších zemích. Jde vlastně o modernější verzi kompostovacích jímek, do kterých se ukládá odpad vzniklý v domácnosti v důsledku činnosti hospodářských zvířat a lidí.

V Evropě se bioplyn vyrábí v průmyslovém měřítku. Tato možnost je zajištěna vytvořením vhodné infrastruktury v zemědělských podnicích a čistírnách odpadních vod. Lídrem v této oblasti je Dánsko, kde biopaliva zajišťují 18 % veškeré spotřeby energie. Bioplyn pohání více než polovinu evropských drůbežích farem, kde se vyrábí, a ve Švýcarsku se používá jako palivo pro více než 10 % veřejné dopravy.

V Rusku se bioplynové stanice zatím aktivně nevyužívají, přestože zdrojů na výrobu biopaliva je dostatek: v zemi se ročně vyprodukuje až 300 milionů tun organického odpadu. Jejich zpracování potenciálně umožňuje vyrobit asi 90 miliard metrů krychlových bioplynu.

Přitom na některých místech u nás se tato myšlenka již ujala. V čistírnách Kuryanovsky tak veškerý kal uvolňovaný z odpadních vod fermentuje v metanových nádržích při teplotě 53 C, což umožňuje získat bioplyn s obsahem metanu až 65 %. Toto palivo se používá v místních mini-CHP. Aby tak pomohli zvýšit množství biopaliva vyrobeného v Ruské federaci, nemusejí Moskvané montovat vlastní zařízení – stačí zlikvidovat co nejvíce organického odpadu kanalizací instalací drtiče potravinového odpadu na adrese Domov.

CLEAN-BGAS UPGR je technologie zaměřená na modernizaci bioplynu na výrobu biometanu. V technologii jsou různé fáze a jsou založeny na chemickém procesu, který zahrnuje chemickou pračku s aminy. Technologie má různé moduly:

Čištění bioplynu
Odstraňování CO2 / produkce biometanu
Regenerace rozpouštědla
Sušení plynem/biometanem

Naše vybavení

Modernizace bioplynu. Od bioplynu po zemní plyn.

Potřeba energie roste. Energie je potřebná nejen pro život, ale také pro různé procesy a průmyslová odvětví, která uspokojují životně důležité potřeby společnosti.

Bioplyn z různých zdrojů je cenným materiálem pro výrobu energie, chemikálií a biopaliv. Protože se jedná o obnovitelnou energii, je nevyčerpatelná, čistá a samopoužitelná, což umožňuje výrobu plánovat a přizpůsobovat potřebám spotřeby. Využívání bioplynu způsobuje menší znečištění životního prostředí a představuje schůdnou alternativu vzhledem k výraznému vyčerpání fosilních paliv, jejichž ceny v současnosti rostou.

Současným trendem je zaměřit se na výrobu bioplynu jako náhradu zemního plynu, pro vstřikování do sítě nebo pro pohon motorových vozidel.

Zemní plyn se v přírodním prostředí nachází v podzemí v „plynových kapsách“ pokrytých nepropustnými vrstvami, které brání jeho úniku do atmosféry. Spolu s ropou ji lze nalézt také v ropných vrtech nebo výhradně nalezištích zemního plynu. Hlavní složkou zemního plynu je vždy metan (CH4), který tvoří 83 % až 97 % celkové směsi. Dalšími plynnými uhlovodíky, které jsou vždy přítomny v zemním plynu, i když v menším množství, jsou ethan (C2H6), butan (C4H10) a propan (C3H8). Konečně, neuhlovodíkové složky zemního plynu typicky zahrnují dusík, oxid uhličitý, sirovodík, helium a argon.

Vývoj v oblasti bioplynu dospěl do bodu, kdy je trend ke stále většímu důrazu na využití bioplynu jako náhrady zemního plynu prostřednictvím výroby biometanu. K dosažení této konverze se na trhu objevují různé technologie.

CLEAN-BGAS UPGR

Čištění bioplynu: Cílem je oddělit všechny nečistoty z bioplynu před tím, než vstoupí do procesu odstraňování CO2. Tento krok odstraňuje nežádoucí sloučeniny, jako jsou siloxany, vlhkost, částice, halogenované uhlovodíky a NH3, které mohou kontaminovat rozpouštědlo používané k čištění.

Odstraňování CO2 / biometanu. Odstraňování CO2 / produkce biometanu: To se provádí chemickou absorpcí. Bioplyn se promyje vhodným chemickým rozpouštědlem (alkanoaminem), aby se z proudu odstranilo až 100 % CO2, stejně jako veškeré stopy H2S, které se mohou v bioplynu nacházet. Tento proces produkuje proud bioplynu s vysokým obsahem CH4, podobný zemnímu plynu.

Regenerace rozpouštědla: Regenerace rozpouštědla se provádí destilací. Tím se odstraní proud CO2 z rozpouštědla zachyceného z bioplynu. Rozpouštědlo se opět používá v absorpčním provozu, zatímco CO2 může být určeno pro jiné účely (plnění hasicích přístrojů, suchý led, pěstování mořských řas, petrochemie atd.).

Sušení plynem/biometanem: Účelem této operace je poskytnout suchý plyn pro kompresi a skladování. Tato operace zahrnuje chlazení a sušení adsorpcí. Pro poslední operaci se používají látky s vysokou absorpční schopností.

Výhody

Nízká spotřeba energie
Minimální investice do stavebních prací
Ekologické palivo
Nízkotlaký provoz
Selektivní rozpouštědlo s minimální ztrátou metanu

Aplikace

Biopaliva pro vozidla
Vtláčení zemního plynu do sítě
Suroviny pro výrobu metanolu a vodíku
Vysoká čistota CO2
Jako zemní plyn

Instalace

Ventilátor
Chladiče
Uhlíkový filtr
Prachový filtr
Absorpční věž
Sušící věže
Regenerace sušících věží
Odsolovací věž
Destilační věž

Technické vlastnosti

Vhodné pro jakýkoli typ bioplynu.
Kompaktní zařízení instalované v upravených přepravních kontejnerech.
Modulární vybavení v závislosti na vozidlech.
Pracuje při nízkých tlacích.
Inteligentní řízení vyrobené energie.
Plně automatický systém.
Produkuje proud CO2 o vysoké koncentraci užitečný pro trh.

Technologie zušlechťování bioplynu pro výrobu biometanu

V současné době můžeme mluvit o dvou hlavních typech bioplynu. První je bioplyn, který se vyrábí řízeně. Tato metoda je založena na technologii anaerobní digesce, obvykle zahrnující různé typy bioreaktorů v závislosti na zpracovávaném materiálu. Druhým je bioplyn produkovaný přirozeně (nekontrolovaně) a v současnosti se nejčastěji vyskytuje na skládkách.

Tabulka 1 ukazuje typické složení bioplynu podle jeho původu, tedy zpracovávaného materiálu.

Plyny	Zemědělský odpad (%)	Kal z úpravny vody (%)	Průmyslový odpad (%)	Skládky pevného odpadu (%)	Efekt
Metan	50-80	50-80	50-70	45-65	hořlavý
CO₂	30-50	20-50	30-50	34-55	inertní
Vodní pára	Nasycení	Nasycení	Nasycení	Nasycení	škodlivé
H₂	0-2	0-5	0-2	0-1	hořlavý
H₂S	100-7000 ppm	0-1	0-8	0,5-3000 ppm	korozívní
NH₃	50-100 mg/m2	Skladby	Skladby	Skladby	korozívní
CO	0-1	0-1	0-1	Skladby	hořlavý
N₂	0-1	0-3	0-1	0-20	inertní
0₂	0-1	0-1	0-1	0-5	korozívní
Siloxany	Neregistrovaný	0-100 mg/m2	Neregistrovaný	0-50 mg/m2	Abrazivní
HCH	Neregistrovaný	Skladby	Neregistrovaný	10-4000 mg/m2	škodlivé

Přestože jsou pro výrobu biometanu vhodné všechny druhy bioplynu, bioplyn z řízených procesů je kvalitnější s cílem přeměnit se na plyn s vlastnostmi podobnými NG. To je způsobeno koncentrací metanu (CH4), které lze dosáhnout, a nižší koncentrací znečišťujících látek, jako je O2. Tabulka 1 ukazuje typické složení produkovaného bioplynu podle druhů odpadu.

Na trhu se nyní objevuje řada technologií pro zušlechťování bioplynu nebo jeho přeměnu na biometan (vysoká a konstantní výhřevnost), díky čemuž se tento plyn stává látkou s velkým aplikačním potenciálem. Mezi tyto metody patří:
Chemická absorpce: Je založena na acidobazické reakci, která využívá selektivní činidlo k minimalizaci ztráty metanu (CH4). Tato technologie pracuje při nízkých tlacích.

Mytí tlakovou vodou. Tato operace je založena na principu rozpustnosti plynů ve vodě, která závisí na teplotě a tlaku. V tomto případě existují dva typy technologií: s recyklací vody a bez recyklace. Tyto technologie pracují pod vysokým tlakem.

Adsorpční metody: Molekulární síta. Jsou založeny na molekulárních přitažlivých silách mezi adsorbátem a adsorbentem (van der Waalsovy síly), kde dochází k určité chemické reakci a důležitou roli hraje poměr velikosti molekul k velikosti pórů adsorbentu. V této kategorii existuje řada různých metod, z nichž nejběžnější je založena na adsorpci tlakovým výkyvem (PSA). Tato technologie se vyznačuje provozem při vysokých tlacích.

Kryogenní separace: Základem je kontinuální stlačování, chlazení a expanze (destilace za studena) bioplynu. Tyto operace oddělují CO2 od bioplynu, čímž se zvyšuje koncentrace metanu (CH4) v tomto plynu. To je založeno na znalosti trojného bodu každé složky a podmínek, za kterých lze tohoto bodu dosáhnout (T a P). Tato technologie pracuje pod vysokým tlakem.

Separace membrán: Založena na principu propustnosti různých složek. Propustnost je schopnost materiálu umožnit průtok skrz sebe, aniž by se změnila jeho vnitřní struktura. Typicky se používají membrány typu dutých vláken. Tento proces vyžaduje vysoký tlak.

Tabulka 2 ukazuje typické složení zemního plynu, bioplynu a obohaceného bioplynu (biometan). V tomto případě se obohacený bioplyn získává promýváním vodou pod tlakem.

Komponenty	zemní plyn (%)	Bioplyn (%)	biometan (%)
CH4	86-93	50-75	89-98
CO₂	9,5-13	25-50	0,5-2
propan	0,4	0	0
butan	0,09	0	0
H₂S	0	0-5000 ppm	0
NH₃	0	0-500 ppm	0
VH 0	0	0,1-5	0
Inertní částice	0	> 5 um	0,1
N₂	0,68	0-14	0-5
Siloxany	0	0-100 mg/m2	0
HCH	0	0-4000 mg/m2 2	0

Na Obr. Obrázek 1 ukazuje povahu odhadovaných investičních nákladů v závislosti na kapacitě zpracování surového bioplynu pro různé dostupné technologie výroby biometanu.

Na Obr. Obrázek 2 ukazuje současný rozsah aplikace různých technologií zušlechťování bioplynu k dosažení kvality zemního plynu. Podle tabulky jsou tři nejpoužívanější metody čištění tlakovou vodou, chemické čištění a adsorpce tlakovým výkyvem (PSA). Vzhledem k vývoji membránových charakteristik se v tomto sektoru stále více používá membránová separace.