Un generator de biogaz, ca un set complet de echipamente care transformă biogazul produs din fermentația anaerobă a biomasei în energie electrică, are un design structural care îi afectează direct eficiența operațională, stabilitatea și performanța de mediu. În ansamblu, este format dintr-o unitate de preparare și purificare a gazelor, un sistem de alimentare cu gaz, o unitate de generare a energiei electrice, un dispozitiv de recuperare a căldurii reziduale, o unitate electrică și de control și un sistem de protecție de siguranță. Aceste componente lucrează împreună pentru a realiza întregul proces de conversie de la gaz brut la energie electrică calificată.
Unitatea de preparare și purificare a gazelor este partea frontală-a întregului sistem. Această unitate include în principal un digestor anaerob, un dispozitiv de agitare, un dispozitiv de încălzire și control al temperaturii și conducte de colectare a gazelor. Digestorul anaerob folosește în mod obișnuit o structură închisă din oțel sau beton, menținând o temperatură medie (35–38 grade ) sau înaltă (55–58 grade ) mediu intern pentru a facilita metanogeneza eficientă de către microorganisme. Dispozitivul de agitare asigură un contact suficient între material și microorganisme, în timp ce dispozitivul de încălzire și control al temperaturii menține o temperatură stabilă de reacție. Biogazul brut generat este transportat prin conducte către unitatea de purificare pentru a îndepărta impuritățile dăunătoare, cum ar fi hidrogenul sulfurat, umiditatea, particulele și siloxanii. Echipamentul de purificare include de obicei un turn de desulfurare (proces uscat sau umed), un separator de condens, un filtru de particule și un dispozitiv de adsorbție cu cărbune activ pentru a se asigura că compoziția și curățenia gazului care intră în unitatea de generare a energiei îndeplinesc cerințele unității.
Sistemul de alimentare cu gaz este responsabil pentru livrarea stabilă a biogazului purificat în camera de ardere. Acest sistem constă dintr-un compresor sau o suflantă de gaz, o supapă de reglare a presiunii, un dispozitiv de măsurare a debitului și o supapă de închidere-de siguranță. Supapa de reglare a presiunii reglează automat presiunea de alimentare cu gaz în funcție de modificările sarcinii unității și ale presiunii gazului pentru a asigura arderea stabilă; dispozitivul de măsurare a debitului monitorizează alimentarea cu gaz în timp real, oferind o bază pentru potrivirea și controlul sarcinii; supapa de închidere de siguranță-poate întrerupe rapid alimentarea cu gaz atunci când detectează scurgeri de gaz, presiune anormală sau stingerea flăcării pentru a preveni escaladarea accidentului.
Unitatea de generare a energiei este nucleul generatorului de biogaz. În prezent, abordarea principală este utilizarea unui set generator de motoare cu ardere internă pe gaz, cu turbine cu gaz sau motoare Stirling utilizate în câteva cazuri. Motorul cu ardere internă pe gaz constă dintr-un cilindru, piston, mecanism de biela, tren de supape și sistem de aprindere. Designul camerei de ardere trebuie adaptat la puterea calorică scăzută și la caracteristicile de compoziție fluctuante ale combustibilului biogaz. Sistemul de aprindere folosește în principal aprindere electronică de-energie mare pentru a asigura o aprindere fiabilă chiar și cu modificări ale concentrației de gaz. Arborele cotit al motorului cu ardere internă este conectat la rotorul generatorului printr-un cuplaj, transformând mișcarea alternativă în energie mecanică de rotație, care este apoi transformată în energie electrică de către generator. Unele modele sunt echipate cu turbocompresoare cu gaze de eșapament pentru a crește densitatea aerului de admisie și puterea de ieșire.
Dispozitivul de recuperare a căldurii reziduale utilizează căldura transportată de gazele de evacuare la-înaltă temperatură de la motorul cu ardere internă și apa de răcire a căptușelii cilindrului, transformând-o în energie termică utilizabilă prin schimbătoare de căldură. Schimbătorul de căldură pentru gazele de eșapament recuperează cea mai mare parte a căldurii sensibile din gazele de eșapament pentru încălzirea și izolarea digestoarelor anaerobe sau a încălzirii urbane; schimbătorul de căldură cu apă a căptușelii cilindrului elimină căldura din apa de răcire pentru a fi utilizată ca apă caldă pentru producția casnică sau încălzirea procesului, îmbunătățind astfel semnificativ eficiența energetică a sistemului general.
Unitatea electrică și de control include tabloul de ieșire al generatorului, regulatorul automat de tensiune, dispozitivul de control al conexiunii la rețea și sistemul central de monitorizare. Regulatorul automat de tensiune menține tensiunea de ieșire stabilă, iar dispozitivul de control al conexiunii la rețea asigură sincronizarea și conectarea în siguranță cu rețeaua electrică sau sarcini independente. Sistemul central de monitorizare, bazat pe un PLC sau un computer industrial, colectează și afișează date-în timp real despre presiunea gazului, temperatură, debitul, viteza unității, puterea de ieșire și indicatorii de emisie. De asemenea, oferă alarme de eroare, oprire automată și capabilități de comunicare la distanță.
În fiecare unitate este integrat un sistem de protecție de siguranță, echipat cu detectoare de scurgeri de gaz combustibil, detectoare de flacără, senzori de temperatură, dispozitive de protecție a presiunii și butoane de oprire de urgență. La detectarea unei stări periculoase, sistemul implementează imediat măsuri de urgență, cum ar fi oprirea gazului-, oprirea și ventilarea pentru a asigura siguranța personalului și a echipamentului.
În general, designul generatorului de biogaz reflectă integrarea mai multor discipline: de la reacții biochimice la energie termică și apoi la automatizarea electrică și protecția siguranței, toate aspectele sunt strâns legate. Structura proiectată științific nu numai că asigură o putere eficientă și stabilă, ci oferă și suport tehnic de încredere pentru utilizarea resurselor și producerea curată a deșeurilor organice.