11.Tutunaru T. Producerea

8/10/2019 11.Tutunaru T. Producerea

1/6

Producerea biogazului i valorificarea lui n scopuri energetice 62

PRODUCEREA BIOGAZULUI I VALORIFICAREA LUI N SCOPURIENERGETICE

T. Tutunaru,

Universitatea Tehnica Moldovei

INTRODUCERE

Creterea preului la resursele energeticefosile, pe de o parte, i degradarea mediului, pe dealt parte, impun necesitatea integrrii tuturorformelor de energie regenerabil n consumul deenergie. n Republica Moldova biomasa, vis-a-visde alte surse regenerabile, are cel mai mare

potenial disponibil, care poate fi folosit n scopurienergetice, ce se cifreazla nivel de 550 mii tep. naceast lucrare este abordat problema producerii

biogazului i utilizrii ulterioare a lui la producereaelectricitii i cldurii. In plus, este considerat un

proiect de investiii ce privete: o staie colectiv de producere a biogazului ,

amplasatla margina unui centru raional; o centralde cogenerare a cldurii i electricitii

(mini-CET), alimentate cu biogaz; un sistem de sere agricole, existente n preajma

mini-CET i alimentate cu cldur.

Biomasa folosit pentru producerea biogazuluicuprinde: deeuri urbane solide i lichide, dejeciianimaliere i mas vegetal. Obinerea biogazuluidin materia prim presupune colectarea,transportarea, depozitarea i procesarea acesteia.In lucrare este: determinat necesarul de biogaz folosit la

alimentarea mini-CET-ului cu puterea instalatde 1050 kW,

calculat cantitatea de biomas pe tipurimaterie primfolosit,

dimensionat rezervorul pentru materia prim,

fermentatorul i camera de colectare a gazuluiprodus.

1. FERMENTAREA ANAEROB-PRINCIPALA CALE DE

PRODUCERE A BIOGAZULUI

Modalitatea de baz aplicat pentruproducerea biogazului este fermentarea anaerob abiomasei. Fermentarea anaerob reprezint un

proces microbiologic de descompunere a materieiorganice n lipsa aerului. Temperatura optim

pentru realizarea acestui proces este cuprins ntre

20-45C. n rezultatul fermentrii anaerobe seobine un produs gazos (format n principal dinmetan i bioxid de carbon) i o mas rezidual, cenu mai poate fi supus fermentrii. Aceast maseste de obicei folositca fertilizator pentru sol.

Fermentarea anaerobin lume este privitcao soluie foarte beneficdin doupuncte de vedere:a soluionrii problemei deeurilor i produceriienergiei. n medie, la o sta

ie de fermentare dintr-o

ton de amestec de deeuri se poate obine cca.400600 m3N de biogaz din care 50-70% s fiemetan. ntreg procesul de fermentare presupune

parcurgerea a patru faze principale dedescompunere a biomasei

Hidroliza: microorganismele hidroliticetransform moleculele organice grele n particulemai mici cum sunt zaharidele, acizii grai,aminoacizii , ap.

Acidogeneza: particulele formate la primafaz sunt destrmate n acizi organici, amoniac,

sulfit de hidrogen i bioxid de carbon.Acetogeneza: formarea hidrogenului i abioxidului de carbon n rezultatul transformriiamestecul complex de acizi grai n acid acetic.

Metanogeneza: formarea metanului,bioxidului de carbon i a apei.

Procesul de formare a metanului este sporit lanceputul fermentrii i practic se ncetinete lasfritul acesteia. n fig. 1 sunt prezentate cantitilede biogaz care pot fi obinute prin fermentareaanaeroba biomasei (la o tonmaterie prim).

Figura 1. Producia de biogaz pentru diferitematerii prime

Fermentarea anaerobeste consideratca fiind unadintre cele mai atractive soluii de producere aenergiei regenerabile din biomas. Numrul


2/6


fermierilor i agricultorilor care produc biogaz ninstalaii de fermentare este n continucretere.

2. INFRASTRUCTURA STAIEIDE BIOGAZ

Este considerat o staie de producere abiogazului ce include o serie de elemente, precumsunt (fig. 2-5):

instalaiile de transport;depozitul pentru materia prim,

mainile de mrunire a materiei prime,sistemul de alimentare cu materia prim

(dozatorul),pompele;bazinul de fermentare (fermentator sau

digestor, reactor);sistemul de colectare a biogazului;sistemul de colectare a reziduurilor;sistemul de utilizare a biogazului produs.

Figura 2. Vederea de ansamblu a unei staii deproducere a biogazului, (Firma german LutheGmbH Biogasanlagen)

Biomasa colectat din zon este adus idescrcat n depozitul pentru materia prim -rezervor. Aici ea se mrunete i se amestec, dupaceasta este indreptatspre dozator (fig. 3).

Figura 3.Dozatorul i transportatoare cu nec,Luthe GmbH Biogasanlagen

Dozatorul este dotat cu cuite i necuripentru transportarea fr blocaj a materiei primectre digestor/fermentator, in care are loc procesul

de fermentare a biomasei i producerea de biogaz(fig. 4).

Figura 4. Interiorul fermentatorului iamestectoarele folosite

Interiorul bazinului de fermentare este dotat cuamestectoare comandate automat. Pentruasigurarea temperaturii optime de fermentare,

pe pereii digestorului sunt montate elementepentru nclzirea biomasei. Deoarece mediuldin interiorul fermentatorului este unul extremde acid, toate elementele sunt realizate dinoeluri inoxidabile. n partea de jos afermentatorului se aeaz nmol, care esteevacuat ntr-un colector special, fiind mai apoiutilizat ca ngrmnt.

Biogazul produs se ridicn partea superioara fermentatorului (camera de colectare a gazului),din care este ndreptat spre instalaia de purificare ide uscare (fig. 5).O parte din biogazul curit

Figura 5. Instalaia de purificare a biogazuluii cea de uscare

merge ctre instalaia de cogenerare a energiei, iaralta este colectatntr-o camerspecial(fig. 6). n

dependen de materia prim folosit, biogazulpoate conine anumite cantiti de diveri compuicare necesit a fi eliminai. Pentru a garanta bunafuncionare a instalaiilor de ardere, biogazul trebuietratat. Astfel biogazul mai nti este supus unor

procese de epurare (de filtrare), de uscare idesulfurare, dup care este utilizat. Perioada defermentare a biomasei cuprinde de la 20 la 40 zile independen de tipul materiei prime. Alimentareastaiei cu biomas de regul se realizeaz ntr-unmod automatizat care asigur o funcionarenentrerupta unitilor de fermentare.


3/6


3. NECESARUL DE BIOGAZPENTRU ALIMENTAREA MINI-

CET

Considerm situaia implementrii unuiproiect de investiii n producerea biogazului cufolosirea acestuia pentru producerea de cldur ielectricitate n cadrul unui mini-CET, bazat pe

aplicarea motorului cu ardere intern. MiniCET-uleste dotat cu dou agregate cu puterea electricinstalatde 525 kW fiecare.

Tabelul 1.Datele tehnice ale instalaiei decogenerare JMS 312 GS - B.L

Parametri Notaie Uniti ValoriPuterea electricnominala unitii

Pe kW 526

Puterea termicmaxima unitii

Pt kW 558

Durata de utilizare aputerii maximeelectrice

Tm h/an 6000

Randament electric e % 40,4Randament termic t % 42,9Randament global % 83,3Gradul de utilizare a

puterii electricenominale

k % 90

Pentru a determina cererea anualde biogaz, folositla mini-CET, trebuie scunoatem volumul total de

energie produsanual la centralECET

QWECET += (1)

unde W reprezint cantitatea de energie electric,iar Q - cantitatea de cldur.

n particular, avem -

kTPW me =2 = 252660000,9=5,7 GWh/an (2)

kTP2Q = mt = 255860000,9 = 6 GWh (3)

CETE =5,7 + 6 = 11,7GWh/an (4)

Cunoscnd producia total de energie(electricitate i cldur), precum i randamentulglobal al instalaiei de cogenerare determinmcantitatea de energie nglobat n combustibil (in

biogaz) Qcomb -

/CETcomb EQ = =11,7/0,833=14GWh=50595 GJ/an (5)

Considerm cldura de ardere a biogazului

egalcu 22,4 MJ/m

3

.Cunoscnd cldura de ardere i energia nglobatnbiomas, determinm volumul de biogaz ceurmeaza fi produs din biomas:

biogazcombbiogaz LHVQV = = 2 259 mii m3/an (6)

Aadar producia i respectiv consumul de biogazconstituie:

pe an - 2 259 mii m3/an, pe zi - 2 259 mii m3/ 250 zile = 9 034,9 m3/zi,

pe or- 2 259 mii m

3

/ 6000 h = 376 m

3

/h.Pentru acest necesar de biogaz urmeaz sdeterminm cantitatea de biomaspe tipuri materie

primfolosit.

Figura 6.Flux tehnologic de producere a biogazului


4/6


5/6


2biogazV = 18,515+1515,6+760 = 893,4 m3/zi

n aa fel, valorificarea energetic adejeciilor animaliere ne permite de a produce cca.893,4 m3/zi, ceea ce reprezint apr. 10 % din

biomasa total necesar producerii de biogaz.Cunoscnd potenialul dejeciilor animaliere i adeeurilor municipale solide, urmeaz sdeterminm necesarul de mas vegetal pentrufermentare la staia de biogaz.

Dejeciile animaliere din regiune i deeurilemunicipale solide i lichide acoperaproximativ 31% din biomasa necesar, de aceea masa vegetaltrebuie s constituie cca. 69 % din total biomas

pentru fermentare. La fermentare se vor utiliza dou

tipuri de biomasa vegetal: silozuri de porumb i delucern.Pentru aprovizionarea staiei de biogaz cu

biomasvegetal, se ncheie contracte de vnzare -cumprare cu deintorii de pmnturi din regiune.n continuare determinm cantitatea de masverdecare urmeaz a fi fermentat pentru producerea a6 152,8 m3 /zi de biogaz, ceea ce reprezint 69 %din totalul materiei prime (biomasei).

Reieind din faptul cdintr-o tonde siloz deporumb se produce 185 m3biogaz, iar dintr-o tonde lucern 195 m3biogaz, vom achiziiona zilnic

cte 16 tone siloz de porumb i 17 tone de lucern.

lucernaporumbsilozverdemasa BBB += =16+17 =33 t/zi (14)

3biogazV = 6 275 m3/ zi

n continuare vom determina consumul totalde biomas necasar pentru fermentare la staia de

biogaz. Din totalul de biogaz care se cere de aproduce (9 034,9 m3/zi), 31 % se produce dindeeuri municipale i dejecii animaliere, iar restul

69 % se produce din biomas vegetal. Consumulde biomasla staie se determinastfel:

verdemasadejectiideseuribiomasa BBBB ++= , (15)

deseuriB = 10,54 t/zi;

dejectiiB = 38 t/zi;

verdemasaB = 33 t/zi.

biomasaB = 81,54 t/zi.

Consumul de biomas:pe zi - 81,54 t/zi;

pe lun- 81,54 t/zi 30 zi/lun= 2446,2 t/ lun;pe an - 81,54 t/zi 250 zi/an = 20 385 t/an.

Cunoscnd producia de biogaz i consumulacestuia, urmeaza dimensiona rezervoarele pentrumateria primi fermentatorul.

6. DIMENSIONAREA STAIEI DEPRODUCERE A BIOGAZULUI

6.1. Dimensionarea rezervoarelor i acamerei de colectare a gazului

Pentru stocarea celor trei tipuri de biomas -dejecii animaliere, deeuri municipale isilozurilor, la staie se prevd trei rezervoare.

n rezervoare se acumuleazcca. 2600 t de materieorganic, cantitate necesar pentru o ncrcare afermentatorului. Mai jos vom dimensiona cele treirezervoare.

Rezervor deeuri municipale:Masa deeuri -

totdeseuri m%m 21= = 0,21 2600 t = 546 t (16)

Volumul rezervorului -

deseurideseuri/mV = =546 t / 0,9 t/m3 = 606 m3 (17)

Rezervor dejecii animaliere:Masa dejecii -

totdejectii m%m 10= = 0,12600 t = 260 t (18)

Volumul rezervorului de dejecii

dejectiidejectiimV /= = 260 t/ 1 t/m3=260 m3 (19)

Rezervor silozuri de porumb i lucern

totsiloz mm %69= =0,69 2600 t = 1 794 t (20)

Volumul rezervorului

silozsilozmV /= = 1 794 t/0,4t/m3= 4 485 m3 (21)

Biogazul produs n fermentator, este evacuat

prin sistemul de colectare a gazului, curit i uscatn instalaii speciale, dupcare o parte este injectatdirect spre instalaia de cogenerare, iar o parte estecolectat n camera de colectare a gazului. Gazulcolectat n camer alimenteazmotorul n zilele ncare nu se produce biogaz la fermentator (la

ncrcarea fermentatorului cu materie organic).


6/6


innd cont cfermentatorul se ncarc1-2 zile, iarconsumul de biogaz pe zi este 9 034,9 m3, volumulcamerei de colectare a gazului este de 20 000 m3.Instalaia de cogenerare este plasatn cadrul staieide producere a biogazului. Biogazul curit i uscat

este injectat n motor, care antreneazgeneratorul iproduce energie electric; cldura se recupereazpeteri ci - din gazele de ardere, din sistemul de rcireal motorului i din sistemul de rcire a uleiului.

6.2. Dimensionarea fermentatorului

Fermentatorul reprezint un bazin defermentare n care se aduce volumul necesar de

biomas i n perioada de apr. 30 zile se degajbiogaz i se ridic n partea superioar afermentatorului. Pe lng camera de fermentare a

biomasei, n fermentator mai este i camera decolectare a gazului i de aezare a nmolului.

Volumul fermentatorului

sfc VVVV ++= (22)

unde Vc reprezintvolumul camerei de colectare

a gazului;Vf - volumul camerei de fermentare

a biomasei; (80% din V)

Vs - volumul camerei de aezarea nmolului.

Volumul fermentatorului poate fi determinatn urma cunoaterii volumului camerei defermentare, care depinde de masa materiei prime lao ncrctur a fermentatorului 2446 t.Lafermentare se utilizeaz deeuri municipale n

proporie de 21 % cu densitatea deseuri = 900 kg/m3,

dejecii animaliere 10 %, cu densitatea dejectii =1000 kg/m

3 i biomasa vegetal 69 %, cudensitatea mas vegetal = 400 kg/m

3, prin urmareputem determina densitatea total a biomaseifolositpentru fermentare.

%%% masaverdedejectiideseuribiomasa 691021 ++= (23)

biomasa = 900 kg/m3 0,21 + 1000 kg/m3 0,10 +

+ 400 kg/m3 0,69 = 565 kg/m3(24)

Volumul camerei de fermentarea biomasei -

fV = 2 446 000 / 565 = 4 330 m3 (25)

Volumul fermentatorului

V= Vf/ 0,8 = 4 330 /0,8 = 5 413 m3 (26)

Bibliografie

1.Arion, Valentin Biomasa i utilizareaei n

scopuri energetice/Valentin Arion, C. Bordeaianu,

A. Bocneanu, A. Capcelea [et al.], Ch.:Garomond Studio SRL, 2008.-268 p.

2.Programul Naional de valorificare a surselor

regenerabile de energie pentru anii 2006 2010. IE

AM, (proiect) Chiinu, 2006.

Recomandat spre publicare:16.01.2009.

11.Tutunaru T. Producerea

Documents

Transcript of 11.Tutunaru T. Producerea