Sušení odpadním teplem z bioplynové stanice

Bioplynové technologie produkují energii z obnovitelných zdrojů a jsou významné pro ochranu životního prostředí a k zužitkování biologických odpadů. Využitím odpadního tepla z bioplynové stanice urychlí provozovatel návratnost své investice.

Výroba energie z bioplynových stanic byla u nás doposud spíše podceňována, ale v budoucnosti má významný potenciál. Odpadní teplo z BPS lze využít například i k sušení diegestátu před jeho dalším zpracováním.

Podmínky pro sušení

Digestátu, vzniklý ve fermentoru při anaerobní digesci, se musí nejprve upravit: Tekutý digestát s podílem 6 – 10 % sušiny je nutné odseparovat na sítových nebo bubnových separátorech. Po odseparování tuhé části vznikne separát, který obsahuje přibližně 29,3 % sušiny (s₁) a fugát. Fugát má obsah sušiny 2 – 4 % a lze jej aplikovat jako tekuté hnojivo, nebo skladovat.

Separát pro výrobu pelet či briket je třeba dále sušit. Pro zpracování úsušků se obvykle požaduje konečná vlhkost v rozmezí 10 – 15 %, tj. konečná sušina (s₂) v rozmezí 90 – 85 %. Z energetického hlediska je výhodné držet se co nejblíže podílu sušiny 88 %, aby se materiál zbytečně nepřesoušel a byl stabilizován na skladování. V případě jeho využití pro lisování pelet nebo briket je ideální podíl sušiny 85 %. Při této hodnotě však již dosti záleží i na podmínkách uskladnění a vzrůstá nebezpečí rychlejšího rozkladu nebo množení plísní.

Energetická soběstačnosti

Systém sušení digestátu pomocí odpadního tepla je energeticky soběstačný. Vyplývá to z výpočtu provozních parametrů, provedeného na podkladě „Studie výstavby bioplynové stanice 500 kW“ firmy Farmtec („studie“):

• Ukazatele: počáteční podíl vlhkosti w₁ je podíl vlhkosti materiálu před zpracováním v sušičce. Konečný podíl vlhkosti w₂ je podíl vlhkosti materiálu po zpracování v sušičce, w₀ je podíl vlhkosti odsušený v sušárně. Zavedeme ještě ukazatel podíl sušiny (s) jako doplněk podílu vlhkosti do celku, tj. do 100 %: s = 100 – w (%). Analogicky označíme počáteční a konečný podíl sušiny s₁ a s₂.
• Výpočty: následující matematické vztahy jsou základem všech běžných sušárenských výpočtů: Abychom výpočty zjednodušili a lépe pochopili vliv vlhkosti materiálu, definujeme ještě bezrozměrnou veličinu „měrný odsušek“, vztaženou:

1. na jednotkové množství vlhkého materiálu: o₁ = w₀/w₁
2. na jednotkové množství usušeného materiálu: o₂ = w₀/w₂

Měrný odsušek o1 říká, kolik kilogramů vlhkosti (vody) je třeba odsušit z 1 kg vlhkého materiálu, zatímco o₂ udává, kolik kilogramů vlhkosti (vody) je třeba odsušit, aby se získal 1 kg úsušku. V obou případech se předpokládá počáteční a konečná sušina s₁ a s₂. Dosazením ze dvou základních rovnic bilance sušárny se snadno odvodí maximálně zjednodušené vztahy pro měrný odsušek:

o₁ = 1 – s₁/s₂ a o₂ = s₂/s₁ – 1

Pomocí těchto veličin můžeme snadno analyzovat vliv počáteční i konečné vlhkosti (sušiny) na potřebné množství odsušené vody bez ohledu na konkrétní výkonnost sušárny. Podle údajů z praxe můžeme vzít jako základ výpočtu:

S₁ = 27,93 %, v₁ = 72,07 %, S₂ = 85 %, v₂ = 15 %

Pak bude:

o₁ = 1 – s₁/s₂ = 0,67 kg H₂O z 1 kg vlhkého materiálu (kg/kg) a o₂ = s₂/s₁ – 1 = 2,04 kg H₂O odpařené k získání 1 kg úsušku (kg/kg). Pro sušení uvažujeme použití pásové sušárny Stela s měrnou spotřebou tepla na 1 kg odpařené vody 5 MJ/kg. Spotřeba tepla pak bude:

1. na 1 kg vlhkého materiálu: 0,671 kg/kg x 5 MJ/kg = 3,355 MJ/kg
2. na 1 kg suchého materiálu: 2,04 kg/kg x 5 MJ/kg = 10,2 MJ/kg

Spotřeba energie a náklady

Podle „studie“ máme při výstupu z bioplynové stanice s výkonem 500 kW denně k dispozici po separaci digestátu 10,4 tun materiálu s koncentrací sušiny s₁ = 27,93 %, což je za rok 3796 t vlhké hmoty pro sušení na cílovou sušinu s₂ = 85 %. Po vysušení to znamená za rok 1247 t suchého materiálu o vlhkosti 15 % (tj. 1060 t zcela suchého materiálu).

Potřeba energie:

Za předpokladu, že bude pro sušení využita pásová sušárna s měrnou spotřebou tepla na 1 kg odpařené vody 5 MJ.kg^-1 bude potřeba tepla:

Celková spotřeba energie pro mokrý materiál 3976 t: 3 796 000 kg x 3,355 MJ/kg = 12 743 172 MJ

Celková spotřeba energie pro suchý materiál 1 247,321 t: 1 247 321 kg x 10,217 MJ/kg = 12 734 387 MJ

Výpočty křížovou metodou dávají téměř totožný výsledek, tj. 12 743 GJ, tj. 3540 MWh. Podle „studie“ je možné využít 4000 MWh tepla.

Pro sušení substrátu lze tak využít přibližně 88,5 % tepla, které je při výrobě bioplynu k dispozici. Vzhledem k účinnosti procesů přenosu tepla a k tepelně-technickým vlastnostem substrátu je dobré mít rezervu, ale i tak je bilance pro sušení separátu příznivá.

Náklady na sušení:

Uvažujme tyto náklady na plyn: 1 MWh - cena 580 Kč, tj. 1 kWh cena 0,58 Kč, 1 m³ – cena 6,1074 Kč.

Ve „studii“ vyšlo, že máme 3540 MWh tepelné energie. Při ceně 580 Kč/MWh jsou tedy náklady 2 053 200 Kč.

Jednotkový náklad na sušení vypočítáme: 2 053 200 Kč/rozdíl v úsušku (75 - 15 %) x množství 3796 t = 9,01 Kč/t.%.

Různé technologie

Na sušení digestátu se používají pásové sušárny. Ty jsou konstruovány pro různé výkonové (kWh) velikosti bioplynových stanic. Regulace sušení se provádí rychlostí pohybu pásu. Pásové sušárny pracují jako nízkoteplotní, tj. s teplotou 80 – 120 °C, a jsou navrhované dle dominantního produktu.

Podle místa umístění je také možné využit předehřátý vstupní vzduch pro klasickou věžovou sušárnu. Během jedné sezóny lze tak ušetřit až 30 % nákladů na topení fosilním palivem. To přináší jak úspory z provozní činnosti, tak i z hlediska ochrany životního prostředí.

Pro menší a střední velikosti bioplynových stanic do 500 kW lze doporučit žlabové sušičky (typová řada HS). Fungují na principu pevného sušícího roštu s hrabičkovým mechanismem zajišťujícím pohyb materiálu po roštu. Na těchto sušičkách lze sušit materiál od zemědělských produktů až po dřevní štěpku. Nelze je ale použít pro sušení digestátu z bioplynové stanice.

Tabulka: Vzorové výkony sušiček Stela, využívajících odpadní teplo z bioplynové stanice

Typ sušičky	Výkon	Výkonnost	Při sušení	Materiál
PBT 2-2200-9	500 kW	450 kg/h	ze 75 % na 20 %	digestát
PBT 2-2200-18	1000 kW	900 kg/h	ze 75 % na 20 %	digestát
HS 10	500 kW	2,5 m3/h	z 50 % na 20 %	dřevní štěpka
HS 50	1000 kW	5 m3/h	z 50 % na 20 %	dřevní štěpka
HS 10	500 kW	1/3,4 t/h	z 35/19 % na 15 %	kukuřice/pšenice
HS 50	1000 kW	2/7,8 t/h	z 35/19 % na 15 %	kukuřice/pšenice

(Firmu Stela zastupuje v České republice firma Pawlica, s. r. o. Více než desetiletá zkušenost a množství instalací sušiček na obiloviny a zrniny dává záruku zvládnutí odborných problémů, servisu při uvádění do provozu i po celou dobu provozu sušičky. Podklady a výpočty pro případovou studii jsou od Ing. Jaroslava Káry, CSc., VÚZT Praha)

Tweet

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu