I miejsce w konkursie Automation Scholarship – Mobilna fermentacja metanowa

Wzrost temperatury na Ziemi w ostatnich dwóch dekadach XX wieku sprawił, że rządy krajów uprzemysłowionych starają się przeciwdziałać globalnemu ociepleniu. Jednym z pierwszych dokujentów międzynarodowych o zapobieganiu globalnym zmianom klimatu jest protokół z Kioto. Zobowiązuje on do racjonalnego wykorzystania surowców naturalnych nieodnawialnych, zaś kładzie nacisk na pozyskiwanie odnawialnych źródeł energii. Wiąże się to ściśle z ograniczeniem emisji gazów cieplarnianych pochodzących z produkcji energii z surowców nieodnawialnych. Opisany w artykule proces fermentacji metanowej zmniejsza emisję metanu z odchodów zwierząt hodowlanych. Poza tym zgromadzony metan wykorzystywany jest do celów energetycznych. Dużym atutem jest mobilność instalacji, która umożliwia oszczędności inwestycyjne. Wiąże się z tym fakt, że ta sama instalacja może być użytkowana przez kilkunastu hodowców. 

Do gazów cieplarnianych zalicza się: dwutlenek węgla, ozon, freony, metan, tlenki azotu (NOx), halony. Metan (CH4) jest najprostszym węglowodorem nasyconym. W przyrodzie powstaje w wyniku beztlenowego rozkładu materii organicznej. Występuje w postaci złóż rodzimych, często ze złożami ropy naftowej i węgla kamiennego. Obecnie metan pozyskiwany jest z gazu ziemnego przez jego oczyszczenie i rozfrakcjonowanie. Złoża gazu ziemnego powstały w wyniku rozkładu materii organicznej roślinnej, jak też zwierzęcej. 

Istnieją stacjonarne systemy otrzymywania metanu ze ścieków bytowych. Najczęściej zlokalizowane są przy oczyszczalniach ścieków dużych aglomeracji miejskich. W niniejszym opracowaniu proponowana jest instalacja przenośna do produkcji metanu. Technicznie i ekonomicznie nieuzasadnionym byłoby przewożenie odchodów od hodowców zwierząt do punktów produkcji metanu. Hodowca traciłby również cenny nawóz pod uprawę roślin. Można więc zbudować mobilną instalację mieszczącą się w zespole dwóch kontenerów. Instalacja ustawiana byłaby u hodowcy, pobierany byłby zgromadzony surowiec. Po zakończeniu trwającego około 30 dni procesu kontenery przetransportowane byłyby do innego hodowcy, zaś zgromadzony metan mógłby służyć do celów grzewczych. 

W projekcie założono, że w kontenerze pierwszym mieścić się będzie: zbiornik fermentacji metanowej, kolumny absorpcyjne, osuszacze, kompresor oraz ciśnieniowy zbiornik magazynowy metanu. Ze względu na produkcję w instalacji gazu palnego ? metanu, wszystkie urządzenia w kontenerze pierwszym wykonane są w klasie Ex (przeciwwybuchowej). W kontenerze drugim znajduje się zespół prądotwórczy z silnikiem spalinowym na metan i generatorem synchronicznym oraz układ zasilania i sterowania. Po uruchomieniu układu kontrolę nad procesem może sprawować wykwalifikowany serwis poprzez witrynę WWW za pomocą modułu serwera internetowego w układzie sterowania.

Proces fermentacji metanowej w mobilnej instalacji składa się z sześciu operacji jednostkowych i trzech procesów jednostkowych. Proces można podzielić na dwa główne etapy. Pierwszym jest przygotowanie wsadu do bioreaktora i fermentację właściwą. Drugi to oczyszczanie biogazu z zanieczyszczeń i wytworzenie z jego części energii elektrycznej do zasilenia instalacji. Nadmiar metanu gromadzony jest w części na instalacji do ponownego uruchomienia w innym gospodarstwie, zaś główna część jest oddawana do celów grzewczych gospodarstwa, dla którego pracuje instalacja. Na rys. 1. przedstawiono schemat ideowy działania instalacji. 

Schemat technologiczny instalacji fermentacji metanowej przedstawiono na rys. 2. Założono, że surowiec zgromadzony został u hodowcy w podziemnym zbiorniku [ZB1]. Umieszczenie zbiornika podziemią pozwoli na utrzymanie niskiej temperatury gromadzonego surowca i ograniczenie fermentacji metanowej. Gdy kontenerowa instalacja zostanie ustawiona u hodowcy, pobierany jest surowiec ze zbiornika [ZB1] do zbiornika fermentacji metanowej [ZB3] poprzez pompę zanurzeniowo-rozdrabniającą [P1] i otwarty zawór [Z1]. Następnie uruchomiony zostaje proces fermentacji poprzez zaszczepienie w bioreaktorze odpowiednich szczepów bakterii metanowych, usunięcie powietrza oraz utrzymanie odpowiedniej temperatury. Manualnie uruchomiony zostaje zespół prądotwórczy [ZP]. Silnik tłokowy [ST] pracuje wykorzystując jako paliwo pozostawiony wcześniej metan w zbiorniku magazynującym [ZB6]. 

Zespół prądotwórczy [ZP] jest funkcjonalną całością z wewnętrznym sterowaniem niepodlegającym analizie w niniejszym opracowaniu. Wygenerowana moc elektryczna służy do zasilenia urządzeń elektrycznych instalacji oraz układu sterowania procesem [UZS]. Po uruchomieniu zespołu prądotwórczego [ZP] zostaje uruchomiony układ zasilania i sterowania [UZS]. Budowa [UZS] przedstawiona zostanie w dalszej części opracowania. Chłodnica silnika tłokowego [UCH] połączona jest równolegle z układem grzewczym [UG] zbiornika fermentacji metanowej [ZB3]. Wygenerowana energia cieplna medium chłodzącego silnik tłokowy [ST] wykorzystywana jest częściowo na ogrzanie zbiornika fermentacji metanowej [ZB3]. Dane z czujnika temperatury [CT2] mają na celu niedopuszczenie do zbyt wysokiej temperatury wejściowej układu grzejnego [UG] (maks. 450°C). W przypadku przekroczenia wspomnianej temperatury dojdzie do stopniowego zmniejszania populacji bakterii metanowych w okolicach wężownicy układu grzewczego [UG] zbiornika fermentacji [ZB3]. 

Pomiar temperatury [CT1] oraz [CT2] stanowi podstawę wysterowania trójdrogowego zaworu proporcjonalnego [ZP]. Zawór ten steruje kierunkiem przepływu medium chłodzącym silnik tłokowy [ST] pomiędzy układem chłodzenia [UCH] a układem grzewczym [UG] zbiornika fermentacji metanowej [ZB3], tak aby utrzymać optymalną temperaturę 37390°C zawartości zbiornika [ZB3]. Zawór zwrotny [ZZ] ma za zadanie kierować przepływ tylko w jednym kierunku. W zbiorniku fermentacji metanowej [ZB3] realizowany jest: pomiar temperatury [CT1], pomiar ciśnienia [CP1] oraz pomiar poziomu cieczy [CH1]. Niewielka część zawartości zbiornika [ZB3] przepompowywana jest za pomocą pompy [P3] przez komorę ultradźwiękową [KU]. Generowane ultradźwięki mają za zadanie rozbijać ściany komórkowe drobnoustrojów i uwalniać więcej pożywienia dla bakterii metanowych. 

Powstający w wyniku fermentacji metanowej biogaz przepływa przez osuszacz gazów nieoczyszczonych [OS1] ? w celu usunięcia mgły wodnej i piany, która mogłaby zanieczyścić roztwory absorpcyjne. Następnie wpływa na wejście kolumny absorpcyjnej z wypełnieniem (pierścieniami Białeckiego) [KA1], w celu oczyszczenia kwaśnego. Oczyszczanie kwaśne ma na celu usunięcie ze strumienia gazu amoniaku i lotnych amin. Analogicznie działa kolumna absorpcyjna z wypełnieniem (pierścieniami Białeckiego) [KA2] ? oczyszczanie alkaliczne. Oczyszczanie alkaliczne ma na celu usunięcie ze strumienia gazów: ditlenku siarki, siarkowodoru, tlenków azotu oraz lotnych kwasów karboksylowych. Oczyszczony gaz wędruje do osuszacza gazów oczyszczonych [OS2], który poprzez oziębienie gazu wykrapla wilgoć w nim zawartą. 

Dokonywany jest pomiar zawartości tlenu za pomocą czujnika zawartości tlenu [CO]. Zbyt duża zawartość tlenu może doprowadzić do przekroczenia granicy wybuchowości tlenu i metanu. Zawór bezpieczeństwa [Z3] służy do upuszczania powstałego gazu do atmosfery, gdy przekroczona zostanie dopuszczalna zawartość tlenu. Zawartość tlenu może być przekroczona, gdy rozpoczynany jest proces fermentacji (do zbiornika [ZB3] dostało się powietrze podczas pobierania surowca) lub gdy powstanie nieszczelność instalacji. Otwierając zawór [Z4] oraz [Z3] można przedmuchać instalację. Gdy ponownie przekroczony zostanie poziom tlenu, proces zostanie zatrzymany. Przed kompresorem przeprowadzany jest pomiar ciśnienia w rurociągu czujnikiem podciśnienia [CP2]. Na jego podstawie sterowana jest prędkość obrotowa kompresora tłokowego [K], tak aby układ rurociągu ? począwszy od zbiornika fermentacji [ZB3] do kompresora [K] ? pracował na podciśnieniu rzędu 0,9 bar (ciśnienie bezwzględne). Sprężony metan gromadzony jest w zbiorniku magazynowym [ZB6]. Przeprowadzany jest pomiar ciśnienia w zbiorniku [ZB6] za pomocą czujnika ciśnienia [CP3]. Zawór bezpieczeństwa [ZC1] oraz [ZC2] stanowi zabezpieczenie zbiorników [ZB6] i [ZB3] przed nadmiernym, niekontrolowanym wzrostem ciśnienia. 

Po zakończeniu trwającego około 30 dni procesu fermentacji metanowej działanie układu jest zatrzymywane. Powstały w zbiorniku [ZB3] osad pofermentacyjny wypompowywany jest za pomocą pompy [P2] i przy otwartym zaworze [Z2] do stacjonarnego zbiornika osadu [ZB2]. Objętość zbiornika [ZB3] wypełniana jest równocześnie zgromadzonym metanem przy otwieranym zaworze [Z4]. Zgromadzony kompost w zbiorniku [ZB2] służy dalej jako nawóz pod uprawę roślin, po uprzednim jego kompostowaniu. 

Układ sterowania opierał się będzie na modułowym zestawie sterownika systemu Q firmy Mitsubishi Electric.

Skład układu został przedstawiony na rys. 3. 

W system sterowania wchodzi:

? Q38B ? płyta bazowa (8 slotów), 

? Q63P ? zasilacz sterownika, 

? Q01CPU ? jednostka centralna, 

? QX80 ? moduł 16 wejść cyfrowych, 

? QY80 ? moduł 16 tranzystorowych wyjść cyfrowych, 

? Q68ADI ? moduł 8 wejść przetwornika AC, 

? Q62DA ? moduł 2 wyjść przetwornika CA, 

? QJ61BT11N ? moduł sieciowy CC-Link, 

? QJ71WS96 ? moduł serwera internetowego, 

? GT1562-VNBA ? pulpit operatorski, 

? GT15-QC30B ? kabel Q-Bus (komunikacja sterownika z pulpitem operatorskim), 

? FR-E-540-1,5 kEC ? przetwornica silnika kompresora z kartą CC-Link (FR-E5NC), 

? S-N10CX ? styczniki, 

? TH-12KPCX ? zabezpieczenia termiczne. 

Wyjścia cyfrowe służą do załączania przekaźników, które z kolei sterują załączeniami styczników. Z racji założenia niewielkich mocy silników instalacji (rzędu pojedynczych kW) wybrano styczniki S-N10CX z zabezpieczeniem termicznym TH-12KPCX firmy Mitsubishi Electric. Zabezpieczenie termiczne wykorzystano tylko w układach zasilenia silników pomp instalacji oraz mieszadła ramowego. Sterowane jest załączanie silników pomp [P1, P2, P3, P4, P5], mieszadła [MK] oraz otwarcie zaworów hydraulicznych [Z1, Z2, Z3, Z4]. 

Wejścia cyfrowe zbierają informację o: stanie normalnie otwartych (NO) styków pomocniczych styczników, normalnie zamkniętych (NC) styków pomocniczych zabezpieczeń termicznych, styku pomocniczego rozłącznika pływakowego pompy zanurzeniowej [P1] oraz normalnie zamkniętych styków pomocniczych zaworów sterowanych. Moduł wyjścia analogowego steruje trójdrogowym zaworem [ZP], co umożliwia proporcjonalny rozpływ medium chłodzącego silnik [ST] pomiędzy chłodnicą [UCH] oraz układem grzewczym [UG]. Założono standard 420 mA sygnału sterującego i dla wartości 4 mA przepływ medium chłodzącego silnik kierowany jest w całości do chłodnicy [UCH], dla 20 mA do układu grzejnego [UG]. Dwa moduły wejść analogowych zbierają informacje z czujników [CT1, CT2, CH1, CH2, CH3, CpH1, CpH2, CO, CP1, CP2, CP3]. Modułsieci CC-Link QJ61BT11N służy do komunikacji sterownika i przetwornicy. Regulowana jest prędkość obrotowa kompresora, tak aby układ pracował na podciśnieniu. Pulpit operatorski z modułem komunikacyjnym Q-Bus, połączony z płytą bazową sterownika kablem GT15-QC30B, służy do ustawiania parametrów procesowych, wizualizacji procesu, wyświetlania komunikatów o błędach i ostrzeżeniach. Do zmiennych procesowych możliwy jest również dostęp dzięki modułowi serwera internetowego. Dzięki temu powiadomienia ? o np. planowanej potrzebie wymiany odczynnika zbiorników [ZB4] czy [ZB5] ? mogą być wysyłane do serwisu drogą mailową.