Dávkování suché biomasy do fermentačního procesu

V následujícím článku se zaměříme na možnosti dávkování suché biomasy do procesu. Občas bývá u bioplynových stanic (BPS) obtížné suché substráty řádně nadávkovat, zamíchat a poté zvodnatělé odčerpat. Do tzv. suchých substrátů řadíme vše, co se dá v BPS zužitkovat a není v kapalném stavu. Čím větší obsah sušiny vstupní substrát má, tím většinou vzrůstají i problémy s dobrou funkcí technologie. 

Sušina přitom není jediný faktor ovlivňující zpracování, protože např. obilí má nízké procento vody a přitom problémy s technikou nezpůsobuje. Zaměříme se tedy na vstupní materiály, které výrazně omezují míchatelnost a čerpatelnost směsného substrátu. Substrát vykazující 12% sušiny v bioplynce, zpracovávající pouze kukuřičnou siláž a kejdu, je velmi rozdílný oproti substrátu se stejnou sušinou z bioplynky, zpracovávající převážně travní senáž a kejdu. Rozdíl spočívá ve viskozitě obou substrátů. Substrát z kukuřice ještě nemá snahu příliš držet tvar, ze senáže už je substrát tvarovatelný do úhledných hromádek. Rozdíl vlastností způsobuje i velký rozdíl v chování celého technologického celku. Dochází k výraznější technologické spotřebě, větší zátěži dávkovacího zařízení, míchadel a čerpadel, ale i k prodloužení doby chodu těchto komponentů. Pro lepší zpracování substrátu je nutné déle míchat, čerpadlo dokáže transportovat o třetinu až polovinu hmoty hodinově méně atd.

Vstupní substráty dělíme na běžně zpracovatelné a hůře zpracovatelné a různí se i názory na jejich použití v bioplynkách. Někdo jednoznačně upřednostňuje kukuřici, druzí zase tvrdí, že kukuřice je drahá, a že je škoda ji do BPS dávat už jen proto, že v některých oblastech je současně i nedostupná. Představíme si tři možnosti úpravy dávkování suchých substrátů, které částečně nebo úplně popisované problémy řeší.

Dávkování substrátu hluboce pod hladinou ve fermentoru

Každé dávkovací zařízení je osazeno zásobníkem tuhých substrátů (denním skladem), a to jak s vertikálními či horizontálními šneky, pohyblivým čelem, podlahou atd. Některé typy mají účinnější rozdružení a promíchání, jiné mají menší spotřebu a vyšší životnost. Ve skutečnosti mají na úroveň a kvalitu zpracování vstupního substrátu v bioplynce jen malý vliv. Jak se říká, není problém substrát do fermentoru dostat, je ale problém jej poté dostat ven. Z těchto dávkovačů jde hmota do fermentoru sestavou šnekových dopravníků, kterých bývá dle provedení dva až tři. Substrát musí překonat výškový rozdíl z dávkovače nad hladinu a posléze je natlačen z nejvyššího bodu šikmo pod hladinu ve fermentoru. Pouze občas, když to terénní podmínky umožní, je cesta substrátu kratší. V drtivé většině bioplynek je však dráha šnekových dopravníků delší než výška fermentoru. Existuje možnost výměny série šnekových dopravníků za jeden. Ten pak z dávkovače tlačí vstupní substrát téměř ve vodorovné poloze přímo přes stěnu fermentoru hluboko pod hladinu. Při dávkování vstupních substrátů je v činnosti míchání, které má delší čas na zapracování čerstvé hmoty dříve, než vyplave na hladinu. Na první pohled toto řešení vypadá dost nebezpečně a často je možné se setkat s obavami z možnosti vytečení fermentoru přes šnekový dopravník. Ve skutečnosti je tento systém plnění dlouho používán s několika bezpečnostními variantami. Havárie jsou ojedinělé, stejně jako u běžného systému dávkování. O bezpečnost se stará havarijní uzávěr, který bývá v podobě nožového šoupěte či pístové ucpávky. Výhodou tohoto řešení je omezení počtu šnekových dopravníků, odstranění ostrých předávacích úhlů mezi dopravníky, zkrácení trasy a zapravení hmoty hluboko pod hladinou. Celý proces funguje na jednoduchém principu vytvoření ucpávky na konci šnekového dopravníku ze vstupního substrátu. Správně navržený šnekový zapravovač vytváří spolehlivou ucpávku odolávající 4x většímu tlaku, než je u zemědělských fermentorů běžné (dáno výškou hladiny). Další výhodou je i omezení výbušné zóny v okolí šikmého zapravovacího šneku, čímž se zamezí úniku bioplynu. Nevýhodou je neustálé zaplnění šneku, které může při delší odstávce v zimním období způsobit jeho zamrznutí. Při běžných krmících cyklech se tento problém nevyskytuje. Pěkné je na tomto řešení i to, že je vyráběno a dodáváno českou firmou JK Mont z Přelouče, která  má se šnekovými dopravníky bohaté zkušenosti.

Kombinovaná mokro-suchá cesta

Začátek technologie je opět stejný, pro dávkování suchých substrátů slouží různé jednodenní sklady tak, jak bylo již popsáno v prvním příkladu. Rozdíl nastává hned za dávkovací fází, kdy je suchá biomasa drcena a smíchána s recirkulujícím substrátem z fermentoru. Dále již recirkulující substrát, obohacený o namixovanou suchou biomasu, pokračuje rovnou do fermentoru. Je několik variant řešení a pravděpodobně v tuto chvíli na trhu nejlepší je zařízení EnergyJet, které odstraňuje slabé místo, jakým bylo čerpadlo směsného substrátu. Toto čerpadlo bylo velmi zatěžováno z důvodu vysokého podílu sušiny v čerpané hmotě a také kvůli přítomnosti nežádoucích příměsí. Nová koncepce se bez tohoto čerpadla obešla tak, že je jen jedno čerpadlo na straně recirkulujícího substrátu z fermentoru. Toto čerpadlo tlačí recirkulát do míchací komory, kde dojde k přimíchání suché vstupní biomasy. Tato směs dále odchází do macerátoru a dále je vytlačována až do fermentoru. Aby substrát z míchací komory nebyl místo do macerátoru a fermentoru tlačen do cesty suché biomasy, vytváří vstupní materiál opět tlakovou ucpávku. Suchá biomasa je šnekem natlačena do komory, kde takovouto ucpávku utvoří a jako píst postupuje k hrubému řezání. Pomaluběžný nůž odřezává ucpávku z biomasy a pracuje již zaplaven recirkulátem. Napomáhá tak ke vzájemnému promíchávání obou složek. Následně macerátor proud obohaceného recirkulátu zhomogenizuje jemným řezáním pevné biomasy. Takto upravená hmota již nemá problémy se zapravením ve fermentoru a výrazně snižuje potřebu míchání a zátěž čerpadel. Mokro-suchá cesta je vhodná pro všechny druhy suché vstupní biomasy, ale největší přínos dosahuje při zpracování problematických vstupů jako např. senáže, a to i s velmi vysokým obsahem sušiny. Částečně dojde i k lepší rozložitelnosti biomasy z důvodu lepší předúpravy a je možné i počítat se zkrácením doby zdržení při stejné míře rozkladu. Je tedy možné fermentační prostor lépe využít a dosahovat většího výkonu na jednotku objemu. Přínosem zařízení je i separace nežádoucích příměsí v odkalovací komoře před macerátorem, kam řezný nůž „odhazuje“ předměty, které nedokáže pořezat. Celé zařízení je velmi robustní a dokáže jím projít koule až o průměru 100 mm. Navíc se vyrábí v několika konfiguracích, které se dají přizpůsobit každé bioplynce. EnergyJet může nahradit stávající krmnou cestu a zlepšit tak zpracovatelnost problémových substrátů a snížit celkovou technologickou spotřebu.

Užití extrudoru

Třetí varianta je logickým vyústěním těch předchozích. První varianta řešila zjednodušení šnekových dopravníků dávkující suchou biomasu do fermentoru a zlepšila zapracování substrátu jen tím, že jej dávkuje hluboko pod hladinu. Druhá varianta úplně nahradila šnekové dopravníky a důkladně homogenizovala vstupní substrát za současného promíchání s recirkulátem z fermentoru. Nabídla tedy mnohem lepší přípravu vstupních substrátu, zlepšení míchání a zkrácení doby rozkladu. Jde o nejdražší a nejnáročnější variantu přípravy vstupních substrátů. Kromě toho, že extrudor dokonale rozdruží a homogenizuje vstupní suchý substrát, způsobuje porušení buněčných stěn a dochází tak i k rozkladu hmoty, která by běžně procesem fermentace prošla téměř bez povšimnutí. Tato úprava vstupních substrátů cílí právě na biomasu, která se běžně v bioplynkách nezpracovává, nebo způsobuje velké komplikace při většinovém zastoupení. Jde především o GPS s vysokým podílem sušiny (obilí ve voskové zralosti), travní senáže nízké kvality (nebo provoz BPS na senáž s nízkou potřebou ředění), apod. Nasazení extrudoru na kukuřičnou siláž má zanedbatelný přínos, nižší než spotřeba energie na její úpravu. U travní senáže a GPS dochází k výrazně lepším přínosům a na jednotku sušiny je produkováno větší množství bioplynu a to v rozsahu 7-18%. Zvýšení produkce bioplynu je dáno hlubším rozkladem biomasy a to hlavně celulózy. Hlavním důvodem pro nasazení extrudoru je zásadní změna vstupních substrátů (omezení dodávek siláže a výrazné navýšení senáže či GPS) a snaha dosáhnout původních hodnot výkonu. Toto řešení je vhodné pro BPS s malým objemem fermentoru na jednotku výkonu kogenerace. Díky extrudoru je rozklad biomasy výrazně zkrácen, viskozita substrátu a tím i práce na míchání je výrazně snížena. Z pohledu funkce existuje několik druhů extrudorů. Jedná se hlavně o mechanické, tlakové, teplotní a utrazvukové extrudory. Cílem všech extrudorů je rozbití buněčných stěn. Mechanické toho dosahují silným stlačením ve šnekovnici, kde dochází k nárůstu teploty úměrné se zvyšujícímu se tlaku a následně dojde k vytlačení takto připraveného substrátu do volného prostoru. Vlivem rychlé změny tlaku dojde k expanzi vodní páry, která buněčnou strukturu roztrhá. Stejný princip využívá tlaková extruze jen s tím rozdílem, že tlak už nemusí být vyvinut mechanicky, ale pneumaticky či hydraulicky. Teplotně tlaková extruze pak zvýšení tlaku podporuje ohřevem substrátu, který je často realizován párou. V obou případech opět dochází k expanzi do volného prostoru s výrazným rozdílem výše tlaku. Poslední ultrazvuková extruze je založena také na tlakovém narušení buněčné stěny, ale jde o tlakové vlnění v pásmu ultrazvuku. Ultrazvukové extrudory se používají jako doplněk technologie a pracují jako recirkulační smyčka nezávislá na technologii krmení. Mechanické a teplotně tlakové extrudory se používají pro úpravu vstupního substrátu a výrazně mění konzistenci vstupů. Takto upravený substrát je nutné co nejrychleji transportovat do fermentoru, protože velmi rychle reaguje s kyslíkem. Tato reakce zvyšuje teplotu substrátu, současně však způsobuje ztráty ve výtěžnosti bioplynu. Rychlá oxidace je důkazem změn, které v substrátu nastaly. Výhodou mechanických extruderů je ještě fakt, že pracují přímo se surovou vstupní biomasou bez nutnosti předchozí úpravy či smíchání s vodou nebo digestátem. Nevýhodou jejich instalace je vysoká pořizovací cena, zvýšení technologické spotřeby a zvýšení nákladů na údržbu. Mechanické díly extrudoru jsou silně namáhané a i přes použití kvalitních materiálů dochází k jejich opotřebení. Na druhou stranu se extrudory odvděčí zvýšenou produkcí bioplynu u méně kvalitních substrátů a mnohdy jsou jediným řešením, jak přechodem na levnější substrát udržet u BPS maximální výkon.

Výše uvedená řešení jsou sice technicky možná a přinášejí řešení problémů se zpracováním substrátů či mícháním nebo dosažením výkonu, vždy však znamenají zásah do technologie a je třeba tento krok řádně zvážit. Pro bioplynky jednoznačně platí, že „objem ničím nenahradíš“. Takže nedisponuje-li BPS dostatečným objemem pro řádný rozklad biomasy a provozovatel se nehodlá smířit se snížením výkonu, je třeba pro dosažení dobrých výsledků zvolit některou z technologií úpravy vstupního substrátu. Přejeme vám, ať zvolíte tu správnou, která vám přinese očekávané výsledky.

Článek vyšel původně v časopise Biom 1/2015 (Bioplyn: Zaostřeno na technologie a legislativu).

Autorem fotografií je autor článku Adam Moravec.

Tweet

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

Biometan se vyplatí a má budoucnost