Спосіб обробки біогазу з ферментації і біогазова установка

1. Спосіб обробки біогазу з ферментації, за яким біогаз розділяють на безпосередньо придатний для використання газовий потік, який містить в основному газ метан, і потік відпрацьованого газу, який містить домішки і який піддають термічному або каталітичному окислюванню, який відрізняється тим, що потік відпрацьованого газу перед окислюванням пропускають через закриті проміжні резервуари і/або сховища для залишкового бродіння. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що відпрацьований газ послідовно пропускають через проміжні резервуари і/або сховища для залишкового бродіння або розділяють на декілька частин, які роздільно пропускають відповідно через промі 2 (19) 1 3 ловним чином метан, який можна підводити безпосередньо в газову мережу. При обробці неочищених біогазів з ферментації необхідно робити знесірчення біогазу, осушку біогазу і, особливо, відділення діоксиду вуглецю. Відділення діоксиду вуглецю відповідно до рівня техніки можна виконувати, наприклад, за допомогою абсорбційного очищення газів промивною рідиною (наприклад, водою, полігликолем, промиванням МЕА), за допомогою адсорбції зміною тиску (АЗТ), за допомогою способу мембранного поділу (мокрий або сухий спосіб) або за допомогою зрідження діоксиду вуглецю. З екологічної й економічної точки зору при обробці неочищеного біогазу втрати метану необхідно зводити до мінімуму. Необхідно також виключати викиди метану або діоксиду вуглецю в атмосферу відповідно до вимог угоди про захист клімату від впливу парникових ефектів. При здійсненні відомих способів відділення діоксиду вуглецю відповідно до рівня техніки виникає технічно обумовлена втрата метану, що у залежності від використовуваного способу відділення СО2 складає від 2 до 6 об'ємних % (тому щодо всіх присутніх у біогазовій установці газах мова йде значною мірою про «ідеальні гази», то в зв'язку з цим показання в об'ємних % можна дорівняти до мольних %). З цієї причини потік відпрацьованого газу при здійсненні майже всіх способів обробки біогазів необхідно піддавати обробці. У колі фахівців існує принципова різниця між втратою метану, отже, кількістю метану, яку не можна подавати в газову мережу, і концентрацією метану в потоці відпрацьованого газу. Наприклад, при обробці біогазу з вмістом метану 53 об'ємних % і втратою метану в кількості З об'ємних %, а також з вмістом метану в подаваному газі, що утворюється, у кількості 96 об'ємних %, концентрація метану в відпрацьованому газі складає 3,42 об'ємних %. Для зведення до мінімуму викиди метану з біогазової установки в навколишнє середовище законодавець вжив фінансових заходів заохочення (наприклад, «Технологічний бонус» на підставі EEG (Закон про поновлювані джерела енергії) у Німеччині), відповідно до якого все-таки максимальний вміст метану в відпрацьованому газі з біогазової установки обмежений до 0,5 об'ємних % від виробленої при здійсненні біопроцесу маси метану. Для того щоб скоротити концентрацію метану, що зазначена в наведеному вище прикладі, до необхідного значення 0,5 об'ємних %, відпрацьований газ піддають звичайно термічному або каталітичному окислюванню. Для цієї мети використовують так звані відомі пальники на рідкому кисні, тобто є пальники з безполуменевим окислюванням, або каталітичне вторинне окислювання (КВО). Для того, щоб можна було зробити вторинне окислювання, потрібно при необхідності додавати біогаз, природний газ або зріджений газ. Поряд з цим відповідно до рівня техніки відомо також, що використовувані для бродіння органічні речовини піддають перед бродінням підготовці або проміжному збереженню. Так, наприклад, цілком прийнятно, якщо тверді речовини або за 97073 4 вантажують безпосередньо прямо в ступінь бродіння, або промивають через різні системи, у той час як рідкі сировинні речовини, наприклад, гнойова рідина або інші органічні відходи, що піддаються перекачуванню, буферізують у більшості випадків в одному або декількох проміжних резервуарах. У такі проміжні резервуари можуть відводитись також рециркуляти, тобто субстрати з різних ділянок установки і/або з сепарації, перш ніж їх подадуть в один або кілька ферментерів і на закінчення в наявні резервуари для вторинного бродіння. Наявний залишок бродіння відправляють на проміжне збереження в так звані сховища для залишкового бродіння або резервуари для залишкового бродіння, або резервуари для збереження субстрату, або ж кінцеві сховища для подальшої переробки або для внесення на сільськогосподарські угіддя. У проміжних резервуарах і в сховищах для залишкового бродіння утворюються гази, вигляд і склад яких залежать від біологічної активності і від органічного ступеня розщеплення в резервуарах субстанцій, що зберігаються. У той час як утворення біогазу в ферментерах або у резервуарах для залишкового бродіння є доцільним і за допомогою попередньо відрегульованих умов стимулюється, утворення газу в проміжних резервуарах і сховищах для залишкового бродіння має негативний вплив. Також за допомогою додавання свіжих і відносно сухих органічних речовин, наприклад, силосної маси з вмістом активних ферментів, або за допомогою початку рідкої фази з розподілу твердих речовин/рідини активних ферментів у процес ферментації в резервуарах для попереднього збереження і заключного збереження відбувається негативне утворення газу. Відповідно до відомого дотепер рівня техніки проміжні резервуари і/або сховища для залишкового бродіння є частково відкритими, частково виконані без герметичної кришки, так що гази, що утворюються, безперешкодно витікають в атмосферу. Емітовані газові суміші містять не тільки гази з інтенсивним запахом, наприклад, сірководень, аміак і меркаптани і, відповідно, тіоспирт, але також і, особливо, діоксид вуглецю і метан, які хоча і не мають запаху, однак представляють собою головних винуватців антропогенного кліматичного потеплення. Метан представляє собою газ, що створює парниковий ефект, який приблизно в 25 разів більш активний у порівнянні з діоксидом вуглецю і, таким чином, всесвітньо вважається одним з відповідальних газів за виникнення парникового ефекту. Вже окислювання метану до діоксиду вуглецю і води призводить до зниження парникового ефекту на фактор 25. У цьому криється також і причина того, чому відповідно до нових законодавчих положень потрібно знизити частку викидів метанового газу з біогазових установок. Частково спонукання для вживання законодавчих заходів по зниженню викидів метану було засновано на тому, що в іншому випадку відпадала необхідність у дозволених підйомно-транспортних засобах, оскільки біогазова установка не була забезпечена резервуарами з герметичними криш 5 ками. Однак герметичні кришки сховищ для залишкового бродіння і проміжних резервуарів служать причиною виникнення нових проблем, тому що метанові гази, які утворюються, при нормальному тиску в контакті з повітрям при температурі навколишнього середовища, починаючи з визначеної концентрації, є вибухонебезпечними, так що необхідно приймати додаткові заходи щодо захисту від вибуху. Найбільша небезпека полягає в тому, що під час вивозу залишків бродіння відбувається спорожнення сховища для залишкового бродіння так, що в результаті такого спорожнення простір, що утворюється, може прийняти великий обсяг вибухонебезпечних газів. Однак законодавчі вимоги до біогазових установок у відношенні запобігання вибухів призводять до того, що заходи для захисту від вибуху служать в остаточному підсумку причиною подорожчання виробництва біогазу. Так, наприклад, у Німеччині у відношенні біогазових установок необхідно дотримуватись наступних адміністративних постанов: - «Четверта адміністративна постанова щодо виконання федерального закону про захист атмосфери від викидів шкідливих речовин (Постанова про установки, які потребують дозволу, 4.BImSch) »; - «Дванадцята адміністративна постанова щодо виконання федерального закону про захист атмосфери від викидів шкідливих речовин (Постанова про несправності - 12.BImSch)» і - «Правила з техніки безпеки для сільськогосподарських біогазових установок», безпечні відстані згідно п. 2.4.5.4 балонних і подушкових накопичувачів, а також плівкових накопичувачів над сховищами для гнойової рідини або над резервуарами для бродіння. В інших країнах діють постанови подібного роду. Задача даного винаходу спрямована на створення способу обробки біогазу, а також біогазової установки, що забезпечує достатній захист від вибуху і, незважаючи на це, володіє простим конструктивним виконанням, завдяки чому забезпечується оптимальна економічна експлуатація. Ця задача вирішується за допомогою способу згідно п. 1, а також біогазової установки за п. 4 формули винаходу. Вдосконалені варіанти описані в залежних пунктах формули винаходу. Основна думка даного винаходу полягає в тому, що потік відпрацьованого газу з установки обробки біогазу перед заключним окислюванням пропускається через закритий проміжний резервуар і/або сховище для залишкового бродіння. Цей потік відпрацьованого газу, що містить в основному діоксид вуглецю і включає тільки незначну частину метану, служить, таким чином, для створення атмосфери інертного газу в газових об'ємах проміжного резервуара і/або сховища для залишкового бродіння. Таким чином, через ці вільні об'єми пропускається потік відпрацьованого газу, який запобігає утворенню вибухонебезпечних газових сумішей і, відповідно, перевищенню таких концентрацій, що стимулювали б вибухи. Цей ефект продувки можна здійснювати без великих витрат і виключати інвестиції для здійснен 97073 6 ня заходів для захисту від вибухів, які необхідно виконувати відповідно до запропонованих положень з захисту від вибухів. Потік відпрацьованого газу може послідовно пропускатися через наявні проміжні резервуари і/або сховища для залишкового бродіння, що, втім, герметично закриті. Таке конструктивне виконання має перевагу, яка полягає в тому, що тільки в останньому резервуарі, через який протікає газ, необхідно акумулювати об'єм газу (робочий об'єм), який необхідний для керування термічним або каталітичним окислюванням з можливістю спостереження за рівнем заповнення. Наступна перевага полягає в тому, що газові камери всіх резервуарів безупинно промиваються загальним потоком відпрацьованого газу і в результаті цього виключається утворення ділянок, в яких може виникати концентрація метану. Отже, даний винахід включає спосіб обробки біогазу, відповідно до якого біогаз з ферментації розділяється на газовий потік, безпосередньо використовуваний і який містить головним чином метан, і на потік відпрацьованого газу, який містить домішки, який піддається термічному або каталітичному окислюванню. Потік відпрацьованого газу перед окислюванням пропускається через закриті проміжні резервуари і/або сховища для залишкового бродіння. Під поняттям «газовий потік, який містить головним чином метан» у рамках даного винаходу мається на увазі газовий потік, який містить щонайменше 90 об'ємних % метану, переважно щонайменше 95 об'ємних % метану. Звісно зрозуміло, що можна використовувати і паралельне пропущення через резервуари, а це вимагає, щоб потік відпрацьованого газу з біогазової установки розділявся на таку відповідну кількість часткових потоків, яка необхідна для проходження через резервуари, так щоб у кожний проміжний резервуар і/або резервуар для залишкового бродіння забезпечувалося підведення відповідного газу в достатній кількості. Випуски для газу всіх наявних резервуарів заходять у загальний трубопровід для відпрацьованого газу, що веде до стадії термічного або каталітичного окислювання. Відпрацьований газ на закінчення переважно спалюється, а теплота згоряння використовується для покриття потреби в теплоті біогазової установки і, при необхідності, зовнішніх споживачів тепла. На противагу способам, які відомі з рівня техніки, потік відпрацьованого газу, який містить головним чином СО2, а також невеликі кількості метану, пропускається не через ферментаційні резервуари, резервуари для вторинного бродіння або біореактори, які служать для вироблення біогазу, а тільки лише через герметично закриті резервуари біогазової установки, як проміжний резервуар і/або сховище для залишкового бродіння, у яких утворення метану й газу, який містить СО2, в принципі є небажаним, тому що в результаті цього виникали б проблеми, взаємопов'язані зі шкідливими для клімату викидами в навколишнє середовище, а також проблеми, взаємопов'язані з 7 технікою безпеки. Потік відпрацьованого газу, який містить головним чином СО2, а також невеликі кількості метану, підводиться не в рідкі фази з часткою твердої речовини, що включає субстрат, а підводиться тільки через інші газоподібні фази, щоб у відповідності зі способом згідно даного винаходу змінити концентрацію присутніх там газових сумішей. Обробка потоку відпрацьованого газу відповідно до винаходу хоча і служить не для підвищення виходу метану у виробленому в процесі ферментації біогазі, однак позитивний вплив на енергетичний баланс всієї установки виникає в результаті того, що метан, який міститься в потоці відпрацьованого газу, а також утворений у проміжних резервуарах і в сховищах для залишкового бродіння може перетворитися через ступінь окислювання, що знаходиться нижче по технологічному ланцюжку, у теплову енергію, яку також можна використовувати (наприклад, для покриття потреби у теплоті самої біогазової установки). Зменшення в проміжних резервуарах і в сховищах для залишкового бродіння згідно даного винаходу маси пальних і швидко займистих газів скорочує дорогі заходи для захисту від вибуху. Потік відпрацьованого газу з біогазових установок містить, як правило, від 2,3 до 6,4 об'ємних % метану і від 96,7 об'ємних % до 93,6 об'ємних % діоксиду вуглецю. До залишків відносяться невеликі частки азоту, кисню, водню і сірководню. Суміші метанового газу при нормальному тиску і при 20°С з вмістом метану 4,3 об'ємних % може бути вибухонебезпечними з нижньою межею вибухонебезпечності і з 16,3 об'ємних % з верхньою межею вибухонебезпечності (при 100°С нижня межа 4,0 %, верхня межа 17,3 %), розуміється тільки в тому випадку, якщо частка інертного газу (наприклад, СО2) буде складати менш 30,5 об'ємних % (при 100°С частка інертного газу складає мінімум 33,5 об'ємних %). Додаткові дані про межі вибухонебезпечності сумішей метанового газу фахівцю відомі з діаграм із зображенням трикутних координат. Відпрацьований газ установки обробки біогазу з високим вмістом інертного газу більш 90 об'ємних % не є вибухонебезпечним і може використовуватися для створення атмосфери інертного газу вільних просторів у проміжних резервуарах і в сховищах для залишкового бродіння. Витиснення наявного повітря через потік відпрацьованого газу для створення атмосфери інертного газу вільних просторів у проміжних резервуарах і в сховищах для залишкового бродіння проводиться вже до заповнення відповідних резервуарів субстратом для бродіння. У процесі експлуатації установки безперервне створення атмосфери інертного газу газових ділянок у проміжних резервуарах і сховищах для залишкового бродіння служить для того, щоб біогаз, який утворюється в них у невеликій кількості, розбавити газом з невеликим вмістом метану і для підтримки відповідно високого вмісту інертного газу (тут СО2), у результаті чого можна забезпечити захист від вибуху. Граничне значення 17,5 об'ємних % метану, при якому суміш метанового газу при нормальному тиску після контактування з 97073 8 повітрям, і внаслідок цього розведення, запалюється при температурі навколишнього середовища, постійно значною мірою занижується. Конструктивне виконання резервуара, відповідно до якого він залишається закритим до надходження і відводу потоку відпрацьованого газу, запобігає поряд з цим поширенню запаху, а також витіканню метану і/або діоксиду вуглецю. Потік відпрацьованого газу, що паралельно або послідовно протікає через проміжні резервуари і сховища для залишкового бродіння, на закінчення окислюється, зокрема, спалюється. При цьому метан, який утворюється в резервуарі, а також витік метану служить у процесі обробки в якості палива. Надлишкова теплова потужність екзотермічної реакції в процесі обробки відпрацьованого газу відбирається в системі опалення і може використовуватися, наприклад, для покриття потреби в теплоті біогазової установки і, при необхідності, інших споживачів тепла. При цьому у відповідності до способу згідно даного винаходу використовується не тільки енергетична цінність частки метану з потоку відпрацьованого газу, отже, у принципі втрата метану при обробці біогазу, але також і енергетична цінність частки метану з додаткового - порівняно незначного - виробництва біогазу в проміжних резервуарах і в сховищах для залишкового бродіння. Використання цих часток метану є з економічної точки зору доцільним, тому що використання згідно даного винаходу потоку відпрацьованого газу можна здійснювати без великих технічних витрат. Приклади виконання даного винаходу приведені на прикладених кресленнях, а також на інших прикладах здійснення для технічного виконання. Показано: На фіг. 1 і 2 - відповідно блок-схеми проходження біогазу і відпрацьованого газу, На фіг. 3 - схема біогазової установки потужністю 6,5 МВт згідно з даного винаходу. Як показано на фіг. 1, біогаз з ферментації 10 підводиться в установку 11 обробки біогазу, у якій здійснюється поділ виробничого газового потоку 12, що містить головним чином метановий газ, від потоку 13 відпрацьованого газу, що містить головним чином СО2. Виробничий газовий потік можна подавати в газову мережу 14. Потік відпрацьованого газу у відповідності до схеми розташування на фіг. 1 послідовно підводиться в проміжний резервуар 15, а також у сховища 16, 17 і 18 для залишкового бродіння, що проходять послідовно, перед тим, як потік відпрацьованого газу буде поданий у термічну або каталітичну ступінь 19 окислювання (послідовне розташування). Показане на фіг. 2 розташування відрізняється від описаного вище розташування тим, що потік 13 відпрацьованого газу розділяється на кілька часткових потоків 13а, 13b, 13с і 13d, що підводяться відповідно роздільно в резервуари 15-18 (паралельне розташування). Ці резервуари містять разом з підвідним трубопроводом для газу відвідний трубопровід для газу, причому відвідні трубопроводи для газу з різних резервуарів 15, 16, 17 і 18 заходять у загальний трубопровід, що веде до термічного або каталітичного ступеню 19 9 окислювання. Отримані з термічного або каталітичного ступеню окислювання відпрацьовані гази 20 можна випускати в атмосферу або подавати для подальшої обробки або використання. Теплота 21, яка утворюється в термічному або каталітичному ступені окислювання, може використовуватися для покриття потреби в теплоті біогазової установки і, при необхідності, зовнішніх споживачів тепла. Незалежно від того, чи виберуть для використання установку згідно фіг. 1 або фіг. 2, кількість пальних або швидко займистих газів, які утворюються в проміжних резервуарах і в сховищах для залишкового бродіння, можна сприятливим чином звести до такого мінімального вмісту, що уже не є вибухонебезпечним. Закрите виконання всіх резервуарів 15-18 запобігає дифузійній емісії газу. Емісію метану запобігають за допомогою вторинного окислювання. Вся установка і керування процесом побудовані простим чином і виконують вимоги нормативних документів. В наведеному на фіг. 3 варіанті виконання показано яким чином можна здійснити в реальному технічному виконанні біогазову установку потужністю 6,5 МВт, яка працює відповідно до зображеного на фігурі 1 способу відповідно даного винаходу з послідовним пропущенням потоків відпрацьованого газу. Вироблений у реакторі 1 для ферментації біогазу біогаз надходить газопроводом 2 (об'ємна 3 витрата 1,200 м /годину, вміст метану 53%) в установку 3 для обробки біогазу. Після обробки біогазу (знесірчення, спалювання діоксиду вуглецю за допомогою АЗТ) потік виробничого газу 3 (об'ємна витрата 643 м /годину, Вміст метану 96%) трубопроводом 4 надходить в установку 5 для подачі виробничого газу. Потік відпрацьованого газу, який містить головним чином інертний 97073 10 газ СО2, трубопроводом 6 (об'ємна витрата 572 3 м /годину, вміст метану 3,3%) подається послідовно через герметично закриті сховища 7, 8 і 9 для залишкового бродіння, а також на закінчення через герметично закритий проміжний резервуар 10 для створення атмосфери інертного газу. Між сховищами 7, 8 і 9 для залишкового бродіння 3 утворюються потоки 6а (об'ємна витрата 580 м 3 /годину) і 6b (об'ємна витрата 588 м /годину) відпрацьованого газу між останнім сховищем 9 для залишкового бродіння і проміжним резервуаром 10 утворюється потік 6с (об'ємна витрата 596 3 м /годину, вміст метану 5,3%) відпрацьованого газу і після проміжного резервуара 10 утворюєть3 ся потік 6d (об'ємна витрата 601 м /год, зміст метану 5,8%) відпрацьованого газу. Потік 6d відпрацьованого газу надходить трубопроводом у відомий пальник на рідкому кисні і котельну установку 11, у якій відбувається безполуменеве окислювання. З відомого пальника на рідкому кисні і котельної установки 11 залишковий відпрацьований газ трубопроводом 12 відводиться в навколишнє середовище. Як в установці 3 для обробки біогазу, так і у відомому пальнику на рідкому кисні і котельній установці 11 утворюється теплота, що каналами 13а і 13b знову підводиться в біогазову установку. При цьому через теплообмінник здійснюється зарядка теплового акумулятора (буферний накопичувач), з якого здійснюється відбір теплоти для біогазової установки. В якості передапередавального середовища використовується при цьому, як правило, вода або суміш води/гліколю. Для окремих газових потоків описаної з посиланнями на фіг. 3 біогазової установки визначають характеристичні величини, що зведені в таблиці 1. 11 Об'ємні витрати відпрацьованого газу, використовуваного для створення атмосфери інертного газу, визначають відповідно до даних таблиці 2. 97073 12 Нумерація компонентів біогазової установки позначена тими ж позиціями, як і на фіг. 3. 13 У балансі маси утворених газів із всієї установки витікає зведена в таблиці 3 кількість газу з їх відповідним пропорційно долі участі складом газів метану, кисню, азоту, сірководню і діоксиду 97073 14 вуглецю. При цьому виходили з можливої роботи установки протягом 365 днів у році і відповідно по 24 години на день. 15 97073 16 Таблиця 3. Баланс маси газу і склад газу для біогазової установки потужністю 6,5 МВт відповідно до фігури 3. Газ Неочищений біогаз Виробничий газ Інертний газ Утворення газу в резервуарі для залишкового бродіння Утворення газу в проміжному резервуарі Використання газу у пальнику на рідкому відомому кисні Кількість 3 [м /а] 10.643.400 5.629.395 5.014.005 СН4 [%] 52,3 96,0 3,3 O2 [%] 0,26 0,25 0,28 N2 [%] 0,98 0,92 1,04 H2S [ppm]