Co je hlavní složkou bioplynu?
Zkušenosti s výrobou a využitím bioplynu v zemědělství.
Co je to bioplyn?
V poslední době přitahují stále více pozornosti netradiční, z technického hlediska, energetické zdroje: sluneční záření, mořské přílivy a vlny a mnoho dalšího. Některé z nich, například vítr, byly v minulosti hojně využívány a dnes zažívají znovuzrození. Jednou ze „zapomenutých“ surovin je bioplyn, který se používal ve staré Číně a v naší době znovu „objevil“.
Co je to bioplyn? Tento termín označuje plynný produkt získaný v důsledku anaerobní fermentace (přehřívání) organických látek různého původu probíhající bez přístupu vzduchu. V každé rolnické farmě se po celý rok sbírá značné množství hnoje, vršků rostlin a různého odpadu. Obvykle se po rozkladu používají jako organické hnojivo. Málokdo však ví, kolik bioplynu a tepla se při kvašení uvolňuje. Ale tato energie může dobře sloužit i obyvatelům venkova.
Bioplyn je směs plynů. Jeho hlavní složky: metan (CH 4) – 55-70 % a oxid uhličitý (CO 2) – 28-43 %, dále další plyny ve velmi malých množstvích, například sirovodík (H 2 S).
V průměru 1 kg organické hmoty, která je ze 70 % biologicky odbouratelná, vyprodukuje 0,18 kg metanu, 0,32 kg oxidu uhličitého, 0,2 kg vody a 0,3 kg nerozložitelného zbytku.
Faktory ovlivňující produkci bioplynu
Vzhledem k tomu, že k rozkladu organického odpadu dochází v důsledku činnosti některých druhů bakterií, má na něj značný vliv životní prostředí. Množství vyrobeného plynu tedy do značné míry závisí na teplotě: čím je teplejší, tím vyšší je rychlost a stupeň fermentace organických surovin. To je pravděpodobně důvod, proč se první zařízení na výrobu bioplynu objevila v zemích s teplým klimatem. Použití spolehlivé tepelné izolace a někdy i ohřáté vody však umožňuje zvládnout stavbu bioplynových generátorů v oblastech, kde teplota v zimě klesá až k -20°. Na suroviny jsou kladeny určité požadavky: musí být vhodné pro vývoj bakterií, obsahovat biologicky odbouratelné organické látky a velké množství vody (90–94 %). Je žádoucí, aby prostředí bylo neutrální a bez látek, které narušují činnost bakterií: například mýdlo, prací prášky, antibiotika.
K výrobě bioplynu lze využít rostlinný a domovní odpad, hnůj, splašky atd. Během fermentačního procesu má kapalina v nádrži tendenci se rozdělit na tři frakce. Horní kůra, tvořená velkými částicemi unášenými stoupajícími bublinkami plynu, může po určité době ztvrdnout a bude bránit uvolňování bioplynu. Ve střední části fermentoru se hromadí kapalina a vysráží se spodní frakce podobná bahnu.
Bakterie jsou nejaktivnější ve středním pásmu. Proto je třeba obsah nádrže pravidelně promíchávat – alespoň jednou denně, nejlépe až šestkrát. Míchání lze provádět pomocí mechanických zařízení, hydraulických prostředků (recirkulace čerpadlem), pod tlakem pneumatického systému (částečná recirkulace bioplynu) nebo pomocí různých metod samomísení.
Zařízení na výrobu bioplynu
V Rumunsku jsou generátory bioplynu široce používány. Jedna z prvních samostatných instalací (obr. 1A) byla uvedena do provozu v prosinci 1982. Od té doby úspěšně poskytuje plyn třem sousedním rodinám, každé s klasickým plynovým sporákem se třemi hořáky a troubou.
Fermentor je umístěn v jámě o průměru cca 4 ma hloubce 2 m (objem cca 25 m 3 ), zevnitř vystlané pokrývačským plechem, dvakrát svařované: nejprve elektrickým svařováním a poté pro spolehlivost se svařováním plynem. Pro antikorozní ochranu je vnitřní povrch nádrže potažen pryskyřicí. Mimo horní hranu fermentoru je vytvořena kruhová betonová drážka o hloubce cca 1 m, která slouží jako vodní uzávěr; v této drážce, naplněné vodou, klouže svislá část zvonu, který uzavírá nádrž. Zvon vysoký asi 2,5 m je vyroben z dvoumilimetrového ocelového plechu. V jeho horní části se shromažďuje plyn.
Autor tohoto projektu zvolil možnost odběru plynu na rozdíl od jiných instalací potrubím umístěným uvnitř fermentoru se třemi podzemními větvemi – do tří farem. Navíc voda v drážce vodního těsnění teče, což zabraňuje námraze v zimě.
Fermentor je zatížen cca 12 m 3 čerstvého hnoje, na který je nasypána kravská moč (bez přidání sody). Generátor začne pracovat 7 dní po naplnění.
Další instalace má podobné uspořádání (obr. 1b). Jeho fermentor je vyroben v jámě čtvercového průřezu o rozměrech 2X2 a hloubce cca 2,5 m Jáma je vyzděna železobetonovými deskami o tloušťce 10-12 cm, omítnutá cementem a pokrytá pryskyřicí pro těsnost. Vodotěsná drážka o hloubce cca 50 cm je rovněž betonová, zvon je svařen ze střešního plechu a může se volně posouvat na čtyřech „uších“ po čtyřech svislých vodítkách instalovaných na betonové nádrži. Výška zvonu je přibližně 3 m, z toho 0,5 m je zapuštěno do drážky.
Při prvním plnění bylo do fermentoru naloženo 8 m 3 čerstvého kravského hnoje a nahoru bylo nasypáno přibližně 400 litrů kravské moči. Po 7-8 dnech instalace plně zajistila vlastníkům plyn.
Vyvíječ bioplynu určený pro příjem 6 m 3 směsného hnoje (od krav, ovcí a prasat) má podobnou konstrukci. To stačilo k zajištění běžného provozu plynového sporáku se třemi hořáky a troubou.
Další instalace se vyznačuje zajímavým designovým detailem: vedle fermentoru jsou umístěny tři velké komory traktoru, které jsou k ní připojeny pomocí hadice ve tvaru T a navzájem propojeny (obr. 2). V noci, kdy se bioplyn nevyužívá a hromadí se pod zvonem, je nebezpečí, že se zvon převrhne v důsledku přetlaku. Gumový zásobník slouží jako přídavná kapacita. Fermentor o rozměrech 2x2x1,5 m postačí pro provoz dvou hořáků a zvýšením užitečného objemu zařízení na 1 m 3 získáte dostatečné množství bioplynu pro vytápění vašeho domova. Zvláštností této možnosti instalace je konstrukce zvonu o průměru 138 cm a výšce 150 cm z pogumované tkaniny, používaného pro výrobu nafukovacích člunů. Fermentor je plechová nádrž Ø140×300 cm a má objem 4,7 m 3 . Zvon se vkládá do hnoje umístěného ve fermentoru do hloubky minimálně 30 cm, aby vytvořil hydraulickou bariéru pro únik bioplynu do atmosféry. V horní části bobtnající nádrže je kohout připojený k hadici; Přes něj proudí plyn do plynového sporáku se třemi hořáky a sloupem na ohřev vody. Pro zajištění optimálních podmínek pro fermentor se kejda míchá s horkou vodou. Instalace vykazovala nejlepší výsledky při vlhkosti suroviny 90% a teplotě 30-35°.
Skleníkový efekt se využívá i k ohřevu fermentoru. Nad nádobou je zabudován kovový rám, který je potažen plastovou fólií: za nepříznivých povětrnostních podmínek zadržuje teplo a může výrazně urychlit proces rozkladu surovin.
V Rumunsku se generátory bioplynu používají také ve státních nebo družstevních farmách. Tady je jeden z nich. Má dva fermentory o objemu 200 m 3 zakryté rámem s polyetylenovou fólií (obr. 3). V zimě se hnůj ohřívá horkou vodou. Produktivita instalace je 300-480 m 3 plynu za den. Toto množství zcela postačuje k pokrytí všech potřeb místního zemědělsko-průmyslového komplexu.
Praktické rady
Jak již bylo zmíněno, teplota hraje rozhodující roli ve vývoji fermentačního procesu: zahřátí suroviny z 15 na 20° může zdvojnásobit produkci energie. Některé generátory proto mají speciální systém ohřevu surovin, ale většina instalací jím není vybavena; využívají pouze teplo vznikající při procesu rozkladu organických látek. Jednou z nejdůležitějších podmínek pro normální provoz fermentoru je přítomnost spolehlivé tepelné izolace. Navíc je nutné minimalizovat tepelné ztráty při čištění a plnění násypky fermentoru.
Je také nutné pamatovat na nutnost zajištění biochemické rovnováhy. Někdy je rychlost produkce kyselin bakteriemi vyšší než rychlost jejich spotřeby bakteriemi druhé skupiny. V tomto případě se kyselost hmoty zvyšuje a produkce bioplynu klesá. Situaci lze napravit buď snížením denní dávky suroviny, nebo zvýšením její rozpustnosti (pokud možno horkou vodou), nebo nakonec přidáním neutralizační látky – např. vápenného mléka, praním či pitím soda.
Produkce bioplynu se může snížit kvůli nerovnováze mezi uhlíkem a dusíkem. V tomto případě se do fermentoru zavádějí látky obsahující dusík – moč nebo malé množství amonných solí, obvykle používaných jako chemická hnojiva (50 – 100 g na 1 m 3 surovin).
Je třeba si uvědomit, že vysoká vlhkost a přítomnost sirovodíku (jehož obsah v bioplynu může dosáhnout 0,5 %) stimulují zvýšenou korozi kovových částí zařízení. Proto by měl být stav všech ostatních prvků fermentoru pravidelně sledován a pečlivě chráněn v místech poškození: nejlépe červeným olovem – v jedné nebo dvou vrstvách a pak ještě dvěma vrstvami jakékoli olejové barvy.
Jak potrubí (kovové nebo plastové), tak i pryžové hadice lze použít jako potrubí pro dopravu bioplynu z výstupního potrubí v horní části instalačního zvonu ke spotřebiteli. Je vhodné je vést v hlubokém výkopu, aby nedošlo k prasknutí v důsledku zamrznutí kondenzované vody v zimě. Pokud je plyn přepravován pomocí hadice vzduchem, pak je potřeba speciální zařízení k vypouštění kondenzátu. Nejjednodušším schématem takového zařízení je trubka ve tvaru U připojená k hadici v jejím nejnižším bodě (obr. 4). Délka volné trubkové větve (x) musí být větší než tlak bioplynu vyjádřený v milimetrech vody. Když kondenzát z potrubí odtéká do trubky, voda vytéká jejím volným koncem bez úniku plynu.
V horní části zvonu je také vhodné zajistit trubku pro instalaci tlakoměru, aby bylo možné posuzovat množství akumulovaného bioplynu podle hodnoty tlaku.
Zkušenosti z provozu zařízení ukázaly, že při použití směsi různých organických látek jako suroviny vzniká více bioplynu než při plnění fermentoru jednou ze složek. Vlhkost surovin se doporučuje v zimě mírně snížit (až 88-90 %) a v létě ji zvýšit (92 – 94 %). Voda použitá k ředění by měla být teplá (nejlépe 35-40°). Suroviny se podávají po částech, minimálně jednou denně. Po prvním naložení fermentoru se často stává, že se nejprve vyrobí bioplyn, který obsahuje více než 60 % oxidu uhličitého, a proto nehoří. Tento plyn je odstraněn do atmosféry a po 1-3 dnech začne instalace normálně fungovat.
Na základě materiálů z časopisu Technium, SRR
„Modelář-konstruktér“, č. 1/1987