Sterowanie biogazownią

Biogaz jest mieszaniną metanu, dwutlenku węgla oraz niewielkich ilości azotu, wodoru, siarkowodoru i tlenu. Wytwarzany jest podczas beztlenowej fermentacji substancji organicznych. Przetwarzanie w procesie fermentacyjnym pozwala zagospodarować odpady z produkcji rolnej, przetwarzania płodów rolnych, produkcji biopaliw, jak również odpady komunalne. Wyprodukowany biogaz jest następnie przetwarzany na energię elektryczną oraz cieplną, co z kolei zmniejsza globalne zapotrzebowanie na paliwa kopalne. Obecnie trwają intensywne prace nad zwiększeniem wydajności biogazowni fermentacyjnych w celu maksymalizacji korzyści, zarówno dla środowiska naturalnego jak i ekonomicznej optymalizacji produkcji. Jednym z kierunków tych prac jest wykorzystanie tomografii pojemnościowej.

Utrzymanie stałej oraz jednakowej temperatury w całej objętości fermentowanej biomasy, wymaga montażu w zbiorniku instalacji grzewczej najczęściej w formie orurowania na wewnętrznych ścianach zbiornika (rys 1). Przy zastosowaniu tomografii pojemnościowej daną instalację grzewczą należy wbudować w ściany komory fermentacyjnej i umieścić za elektrodami tomograficznymi tak, aby zminimalizować jej wpływ na wyniki pomiarów.
Mieszanie zawartości fermentatora ułatwia odgazowanie, pozwala zapewnić stałą temperaturę oraz jednakowy rozwój mikroorganizmów w całej objętości komory fermentacyjnej, jak również zapobiega powstawaniu kożucha na lustrze biomasy. Możemy wyróżnić trzy główne metody mieszania: mechaniczne, hydrauliczne i pneumatyczne. Najbardziej rozpowszechnione jest mieszanie z użyciem pionowych, poziomych lub skośnych mieszadeł mechanicznych (rys. 2b). W przypadku zastosowania tomografii pojemnościowej do badania zawartości fermentatora posiada ograniczone zastosowanie ze względu na wprowadzoną do badanego środowiska niejednorodność, która stanowi znaczne utrudnienie w określeniu stanu biomasy. Drugą bardziej użyteczną metodą jest mieszanie hydrauliczne, w którym do mieszania zawartości fermentatora wykorzystuje się pompowaną biomasę (rys 2a). Ostatnią z wyżej wymienionych metod jest metoda mieszania pneumatyczne (rys. 2c), która wykorzystuje pompowany pod ciśnieniem w dolnej części reaktora fermentacyjnego biogaz. Mieszanie hydrauliczne oraz pneumatyczne nie wymagają montowania urządzeń wewnątrz fermentatora, a zatem nie wprowadzają punktowych zakłóceń do badanego obiektu, co korzystnie wpływa na jakość pomiarów tomograficznych.

Rys. 2. Mieszanie biomasy a) hydrauliczne, b) mechaniczne c) pneumatyczne

System sterowania

Zastosowanie tomografii pojemnościowej w badaniu biomasy (rys. 3) umożliwia monitorowanie procesu w sposób nieinwazyjny. Porównanie wyników uzyskanych z badań tomograficznych z wynikami uzyskanymi za pomocą tradycyjnych badań laboratoryjnych pozwoli wyznaczyć cechy wskazujące na problemy z procesem fermentacji. Warunkiem wyznaczenia takich zależności jest przygotowanie odpowiedniej sondy tomograficznej lub zespołu sond, zastosowanie wystarczająco czułych urządzeń pomiarowych oraz zastosowanie algorytmów rekonstrukcyjnych umożliwiających monitorowanie zmian parametrów zawartości reaktora fermentacyjnego w sposób ciągły oraz wyznaczenie zależności pomiędzy wynikami pomiarów, a stanem faktycznym ustalonym na podstawie danych zebranych w badaniach laboratoryjnych. Informacja o rozkładzie współczynnika przenikalności uzyskiwana jest przez wielokrotny pomiar pojemności na powierzchni obiektu, przy zmiennym położeniu elektrod pobudzających. Podstawowym problemem jest ustalenie na drodze eksperymentalnej zależności rozkładu przenikalności przy znanej i określonej budowie wewnętrznej badanego elementu. Mierzone pojemności są rzędu femtofaradów, co wymaga specjalnych technik pomiarowych. System pomiarowy składa się z czujnika, specjalizowanej elektroniki do pomiaru pojemności oraz systemu rekonstrukcji. Obecnie do rekonstrukcji najwygodniej jest zastosować komputer klasy PC. Elektryczna Tomografia Pojemnościowa umożliwia obserwację zachodzących zjawisk fizycznych i chemicznych bez potrzeby wnikania w ich wnętrze. Źródłem informacji są pojemności elektryczne pomiędzy elektrodami umieszczonymi na obwodzie czujnika pomiarowego. Na podstawie zebranych pomiarów pojemności elektrycznej – rozwiązując problem odwrotny dla pola elektrycznego, można uzyskać obraz rozkładu przenikalności elektrycznej wewnątrz obszaru czujnika pomiarowego. Bardzo ważną cechą pomiaru w przypadku Elektrycznej Tomografii Pojemnościowej jest brak konieczności fizycznej interakcji czujnika z badanym medium, dzięki czemu metoda ta jest bezinwazyjna; nie zaburza odbywającego się procesu przemysłowego. Inną zaletą tej techniki pomiarowej jest duża szybkość zbierania danych pomiarowych. Weryfikacja uzyskanych wyników zostanie przeprowadzona poprzez porównanie wyników symulacji z wynikami analizy analitycznej dla zestawu danych testowych. Mierzalnym efektem zadania będzie utworzony działający model symulacyjny, który pozwoli na dalsze badania w kierunku zastosowań praktycznych.