Ile biogazu wytwarza fermentacja osadów: wydajność, HRT i wytyczne dotyczące doboru wielkości zbiornika
Utworzono 09.09
Ile biogazu wytwarza fermentacja osadu: wydajność, HRT i wskazówki dotyczące doboru wielkości zbiornika
Beztlenowy rozkład osadów ściekowych zazwyczaj daje 0,3–0,5 m³ CH₄ na kg rozłożonych substancji lotnych lub 0,5–0,6 m³ biogazu na kg dodanych substancji lotnych, w temperaturze mezofilnej. Rzeczywista ilość gazu jest określana przez cztery zmienne: stężenie substancji stałych w wsadzie, udział substancji lotnych, hydrauliczny czas retencji i stabilność temperatury. Komora fermentacyjna o pojemności 10 000 m³ w temperaturze 35–38 °C przy HRT wynoszącym 20–30 dni jest zazwyczaj wymiarowana na szczytowe, a nie średnie, tempo wytwarzania gazu, ponieważ retencja gazu i granica ciśnienia dachu muszą przetrwać weekend ze zmniejszonym zasilaniem i nagłe obciążenie deszczem. Niniejszy przewodnik pokazuje, jak przekształcić bilans masowy w objętość zbiornika i specyfikację dachu.
Większość inżynierów procesowych styka się z pytaniem o dobór wielkości komory fermentacyjnej dopiero po zatwierdzeniu zakładu i w momencie wyceniania robót budowlanych. Umowa na dostawę osadu jest podpisana, kierunek zagospodarowania pofermentu ustalony, a nagle ktoś pyta, ile metrów sześciennych objętości komory fermentacyjnej potrzeba, aby utrzymać pracę kotła przez zimę. Na to pytanie nie odpowiada sama reguła praktyczna: wydajność biogazu zależy od tego, ile substancji lotnych znajduje się w wsadzie, jak długo ciecz pozostaje w zbiorniku i czy temperatura jest utrzymywana w wąskim zakresie. W tym artykule omówiono bilans masowy, który na to odpowiada, a następnie pokazano, gdzie liczba ta zamienia się w średnicę zbiornika, konstrukcję dachu i wartość nastawy zaworu bezpieczeństwa. Ile biogazu wytwarza fermentacja osadu staje się bezpośrednim obliczeniem inżynierskim, gdy znany jest charakter wsadu.
Skąd faktycznie pochodzi liczba dotycząca gazu
Produkcja gazu w komorze fermentacyjnej jest funkcją rozkładu substancji lotnych, a nie objętości zbiornika. Standardowe wyrażenie projektowe wychodzi od obciążenia substancjami lotnymi: wytworzony biogaz równa się ilości usuniętych substancji lotnych pomnożonej przez jednostkowy uzysk gazu dla danego substratu. Dla komunalnych osadów wstępnych i mieszanych praktyczna wartość planistyczna wynosi 0,5–0,6 m³ biogazu na kg dodanych substancji lotnych, a około 60 procent tej objętości stanowi metan. Strumienie odpadów spożywczych i fermentacyjnych, takie jak ścieki z gorzelni lub przetwórstwa fasoli, są zwykle bogatsze i można je planować w górnej części tego zakresu lub powyżej niego, po zweryfikowaniu bilansu ChZT za pomocą badań laboratoryjnych, a nie wartości literaturowych.
Pierwszym krokiem jest zawsze test charakterystyki rzeczywistego osadu. Ciała stałe ogólne, ciała stałe lotne jako frakcja TS oraz stosunek ChZT do VS mówią, czy obiekt plasuje się na poziomie 0,4 czy 0,7 m³/kg. Oczyszczalnia przyjmująca wyłącznie zagęszczony nadmierny osad czynny będzie znajdować się na dolnej granicy tego przedziału; oczyszczalnia importująca lub współfermentująca strumień o wysokim ładunku organicznym będzie znajdować się na jego górnej granicy. Projektanci, którzy pomijają ten krok, rutynowo przewymiarowują zbiornik gazu o 20 do 30 procent, co później objawia się pracą fermentatora powyżej ciśnienia projektowego w pierwszym tygodniu wysokiego obciążenia.
Przeliczenie wydajności na objętość fermentatora
Obciążenie substancjami lotnymi i hydrauliczny czas retencji określają objętość reaktora. Gdy znana jest dzienna masa VS, objętość reaktora wynika z wybranego współczynnika obciążenia organicznego. Praca mezofilna w temperaturze 35–38 °C jest powszechnym punktem odniesienia, przy hydraulicznym czasie retencji wynoszącym 20–30 dni dla osadów komunalnych i 15–20 dni przy wyższym stężeniu substancji stałych. Obciążenie objętościowe jest zwykle utrzymywane w zakresie 1,5–4,0 kg VS na metr sześcienny objętości komory fermentacyjnej na dzień. Podziel dzienne obciążenie VS przez projektowy współczynnik obciążenia i otrzymasz objętość roboczą; dodaj wolną przestrzeń na pianę, kożuch i przestrzeń gazową, a otrzymasz wysokość płaszcza zbiornika.
Pojemność objętościowa nie jest jedynym ograniczeniem. Zbiornik musi również utrzymywać stabilny poziom cieczy przez warstwę kożucha tworzącą się na górze oraz pozostawiać miejsce na przestrzeń gazową nad linią cieczy. Komora fermentacyjna eksploatowana w temperaturze 35–38 °C bez mieszania mechanicznego wytwarza pływający kożuch, który może osiągnąć grubość kilkuset milimetrów; kożuch ten zajmuje objętość, której model procesu nie uwzględniał. Dodanie jednego lub dwóch mieszadeł mechanicznych albo zastosowanie cyrkulacji biogazu do mieszania utrzymuje kożuch cienki i pozwala, aby objętość efektywna odpowiadała obliczeniom.
Dach, granica ciśnienia i gospodarka gazem
Dach komory fermentacyjnej to niskociśnieniowa granica gazowa, a nie zbiornik ciśnieniowy. Małe i średnie komory fermentacyjne są prawie zawsze eksploatowane przy ciśnieniu zbliżonym do atmosferycznego, z przestrzenią gazową utrzymywaną na poziomie zaledwie kilku kilopaskali. Zazwyczaj wybiera się dachy dwumembranowe lub z tkaniny szklanej: zewnętrzna membrana narażona na warunki atmosferyczne i wewnętrzna membrana przenosząca nominalne ciśnienie gazu wynoszące około 2–3 kPa, z systemem odciążającym i odcinaczem płomienia na przewodzie gazowym. Nazwij zbiornik tym, czym jest na spotkaniu projektowym — niskociśnieniową konstrukcją ograniczającą z elastycznym dachem — ponieważ specyfikacja konwertera sztywnego prowadzi do niewłaściwej ścieżki kodowej i niewłaściwych kosztów.
Korozja to drugi temat dotyczący dachu. H₂S w gazie fermentacyjnym atakuje stal na linii cieczy oraz w strefie kondensacji przestrzeni gazowej, ale wykładzina ze szkła spiekanego ze stalą jest sama w sobie chemicznie obojętna w całym zakresie pH, co eliminuje wykładzinę jako tryb awarii i pozostawia do inspekcji jedynie połączenia śrubowe, uszczelki i powłokę zewnętrzną. Panele śrubowe z uszczelkami EPDM, test iskrowy 1500 V DC po montażu oraz okresowe kontrole momentu dokręcenia śrub to praktyczny interwał inspekcji dla fermentatora GFS. Odsiarczanie poprzez dozowanie FeCl₃ lub suchą warstwę tlenku żelaza chroni kotły i agregaty prądotwórcze znajdujące się poniżej w ciągu technologicznym, niezależnie od tego, co może tolerować wykładzina zbiornika.
Specyfikacja techniczna
Parametr | Typowa wartość / zakres | Uwaga |
Temperatura robocza fermentatora | 35–38 °C (mezofilna) | 50–55 °C termofilna, gdy ciepło jest tanie |
Hydrauliczny czas retencji | 20–30 dni przy tempie mezofilnym | 15–20 dni przy wyższej zawartości substancji stałych |
Specyficzna wydajność metanu | 0,3–0,5 m³ CH₄ na kg zniszczonego VS | Zweryfikuj poprzez testy laboratoryjne osadu z miejsca |
Wydajność biogazu (wszystkie składniki) | 0,5–0,6 m³ biogazu na kg dodanego VS | Udział metanu zazwyczaj ~60 procent |
Ciśnienie przestrzeni gazowej | ±3–5 kPa, membrana wewnętrzna ~2–3 kPa | Wymagany zawór bezpieczeństwa i odcinacz płomienia |
Temperatura topnienia emalii | 820–930 °C | Szkło stapiane ze stalą w jednym cyklu termicznym |
Grubość warstwy emalii | 0,25–0,45 mm | Test iskrowy 1500 V DC po montażu |
Wytrzymałość na ściskanie warstwy emalii | powyżej 3450 N/cm² | Atestowane dla samej warstwy emalii |
Chropowatość powierzchni | Ra < 0,8 µm | Stabilna, łatwa do czyszczenia powierzchnia wewnętrzna |
Odporność wykładziny na pH | 1–14 | Obojętny w całym zakresie pH fermentacji |
Projektowany okres eksploatacji | co najmniej 30 lat | W określonych warunkach chemicznych |
Dobór rozmiaru zbiornika do rzeczywistej pracy instalacji
Weźmy opracowany przypadek. Zakład komunalny dostarcza 1200 m³ dziennie osadu o zawartości 5 procent substancji stałych ogółem i udziale substancji lotnych wynoszącym 0,70. Daje to 60 ton substancji stałych suchej na dobę, 42 tony substancji lotnych na dobę. Przy obciążeniu 2,5 kg substancji lotnych na metr sześcienny na dobę wymagana objętość robocza wynosi około 16 800 m³, co przy 20-dniowym czasie retencji hydraulicznej jest spójne. Dodaj około 15 procent na wolną przestrzeń, kożuch i przestrzeń gazową, a objętość płaszcza zbliża się do 19 000–20 000 m³. Produkcja gazu na poziomie 0,55 m³ na kg substancji lotnych daje około 23 100 m³ biogazu na dobę, średnio około 960 m³ na godzinę, przy czym szczyt może być o około 30 procent wyższy, gdy cykl zasilania jest skoncentrowany.
Ten szczytowy przepływ określa średnicę rurociągu, dmuchawę i wielkość pochodni. Średni przepływ określa kocioł. Objętość zbiornika określa zakres robót budowlanych. Pomylenie któregokolwiek z tych trzech elementów to najczęstsza przyczyna przekroczenia budżetu projektu fermentacji. Zbiornik ze stali szkliwionej skręcany śrubami, o szerokości paneli około 1,2 m, jest praktycznym rozwiązaniem przy tej wielkości, ponieważ płaszcz można dostarczyć w modułowych przesyłkach, wysokość można dostosować do obliczonej objętości bez ponownego projektowania fundamentu, a zbiornik można później rozbudować, jeśli zakład się powiększy.
Studium przypadku
Projekt | Lokalizacja | Produkt | Wydajność | Zakres |
Sekcja obróbki beztlenowej dla ścieków z przetwórstwa fasoli | Chiny, Hebei | Zbiorniki fermentacyjne GFS z gazoszczelnym dachem membranowym | dostarczona sekcja procesu beztlenowego | dostawa zbiornika wraz z integracją sekcji beztlenowej |
Zbiorniki na ścieki przemysłowe, 27 sztuk | Chiny, Xinjiang | Zbiorniki GFS | łącznie 30 469 m³ | dostawa i nadzór |
Zbiorniki na ścieki browarnicze | Chiny, Syczuan | Zbiorniki GFS | 14 655 m³ | dostawa zbiornika skręcanego i dachu |
Zbiorniki na ścieki komunalne, 10 jednostek | Chiny, Syczuan | Zbiorniki GFS | 17 420 m³ łącznie | dostawa i montaż na miejscu |
Zdolności inżynieryjne Center Enamel
Center Enamel (Shijiazhuang Zhengzhong Technology Co., Ltd) projektuje i wytwarza zbiorniki magazynowe skręcane od 2008 roku. Jako pierwszy w Chinach producent zbiorników ze szkła emaliowanego na stal (GFS), firma posiada blisko 200 patentów związanych z emalią, produkuje około 300 000 stalowych płyt pokrytych emalią rocznie, zrealizowała ponad 30 000 zainstalowanych projektów i dostarcza swoje zbiorniki do ponad 100 krajów. Nowa baza produkcyjna o powierzchni 150 000 m² została dodana w celu zwiększenia zdolności produkcyjnych, a pojedyncze zbiorniki są dostarczane o pojemności do 60 000 m³. Produkcja odbywa się zgodnie z ISO 9001 i ISO 45001, z certyfikacją produktów obejmującą NSF/ANSI 61, WRAS, FDA, LFGB, CE (EN 1090), ISO 28765, FM, BSCI i EUROCODE, a projektowanie opiera się na AWWA D103-09, AWWA C550 i NFPA, gdy wymaga tego zastosowanie.
W przypadku usługi fermentacji zdolność ta obejmuje sprzęt istotny dla procesu: integrację gazoszczelnego dachu dwumembranowego, granicę ciśnienia i opisane powyżej punkty nastawy zaworów bezpieczeństwa oraz wykładzinę emaliową, która jest obojętna wobec kwaśnej cieczy zawierającej amoniak, którą faktycznie zawiera fermentator.
Często zadawane pytania
P1: Ile biogazu wytwarza fermentacja osadu na tonę mokrego osadu?
O1: To zależy od zawartości substancji stałych. Przy 5 procentach substancji stałych ogółem i 70 procentach substancji lotnych, tona mokrego osadu dostarcza około 35 kg VS, co przy 0,5–0,6 m³ na kg VS daje około 17–21 m³ biogazu na tonę wprowadzonego mokrego osadu.
P2: Czy zwiększenie temperatury fermentatora zwiększa wydajność gazu?
A2: Tylko marginalnie. Mezofilne 35–38 °C i termofilne 50–55 °C usuwają podobną frakcję VS. Praktyczna różnica to szybkość: fermentacja termofilna skraca czas retencji przy tym samym obciążeniu, więc objętość zbiornika maleje, podczas gdy koszty energii na ogrzewanie i mieszanie rosną.
P3: Dlaczego ten sam osad daje różne objętości gazu w dwóch oczyszczalniach?
A3: Ponieważ wydajność jest podawana na kilogram substancji lotnych, a nie na metr sześcienny wsadu. Różnice w zagęszczaniu, w proporcji osadu zgarnianego do osadu wstępnego, w dodatku osadu wstępnego oraz w wieku osadu szczepionego – wszystko to wpływa na tę liczbę.
P4: Czy zbiornik GFS może być używany do fermentatora beztlenowego?
O4: Tak. Zbiorniki ze szkła spiekanego ze stalą są konstrukcjami ciśnieniowymi od atmosferycznego do niskiego ciśnienia, a warstwa emalii jest obojętna w zakresie pH 1–14, co odpowiada środowisku amoniaku i siarczków w fermentatorze. To system dachowy, a nie płaszcz, stanowi granicę gazową.
P5: Jak dobrać rozmiar zbiornika gazu względem fermentatora?
O5: Rozmiar zbiornika należy dobrać na podstawie szczytowej godzinowej produkcji gazu plus margines, a nie średniej dziennej. Weekendowe spadki zasilania, wstrząsy termiczne i wahania obciążenia ze strumienia współfermentowanych odpadów spożywczych to warunki, które zbiornik i system nadmiarowy muszą absorbować.
P6: Jaki jest zwykły interwał inspekcji dachu fermentatora?
A6: Wizualna kontrola dachu i membrany przy każdym wyłączeniu, sprawdzenie momentu dokręcenia uszczelki i śrub w tym samym cyklu oraz test iskrowy wykładziny po każdej wymianie panelu. Większość właścicieli przeprowadza coroczne kontrole strukturalne i krótszy przegląd membrany powiązany z bezpieczeństwem wyłączenia linii gazowej.
Wydajność biogazu z fermentacji osadów jest możliwa do określenia przed zamówieniem zbiornika: scharakteryzować substancje lotne, wybrać obciążenie, utrzymać temperaturę na poziomie 35–38 °C i przełożyć bilans masowy na objętość, natężenie przepływu gazu i ciśnienie w dachu. Trzy liczby, które mają największe znaczenie dla nabywcy, to obciążenie substancjami lotnymi (VS), szczytowe godzinowe natężenie przepływu gazu oraz ciśnienie, na które ustawiony jest system dachowy. Jeśli te wartości są prawidłowe, objętość zbiornika wynika z nich. Określanie samej objętości płaszcza, bez szczytowego natężenia przepływu gazu i nastawy zaworu ulgowego, jest tym, co sprawia, że oczyszczalnie mają niedobór gazu podczas pierwszej zimowej wysokiej нагрузki.
Jeśli możesz przesłać charakterystykę osadu, projektowy przepływ dzienny i wymagany czas retencji, inżynierowie Center Enamel zwrócą obliczenia doboru zbiornika, propozycję dachu i granicy ciśnieniowej oraz pakiet rysunków do przeglądu.
Porozmawiaj z inżynierem
Prześlij nam charakterystykę osadu zasilającego, dzienny przepływ, docelowe stężenie ciał stałych oraz zapotrzebowanie na gaz lub ciepło, które musisz pokryć, a nasi inżynierowie procesu i zbiorników dobiorą objętość fermentatora, wydajność uzdatniania gazu i granicę ciśnieniową dachu, a następnie udostępnią pakiet dokumentacji technicznej do przeglądu. Bez zobowiązań, tylko liczby inżynieryjne, które możesz przedstawić swojemu konsultantowi procesowemu.
WhatsApp