15.3 Применение

 

Биогаз используют в качестве топлива для производства: электроэнергии, тепла или пара, или в качестве автомобильного топлива. В Индии, Вьетнаме, Непале и др. странах строят малые (односемейные) биогазовые установки. Получаемый в них газ используется для приготовления пищи.

Биогазовые установки могут устанавливаться как очистные сооружения на фермах, птицефабриках, спиртовых заводах, сахарных заводах, мясокомбинатах. Биогазовая установка может заменить ветеринарно-санитарный завод, т. е. падаль может утилизироваться в биогаз вместо производства мясо-костной муки.

Больше всего малых биогазовых установок находится в Китае – более 10 млн (на конец 90-х ХХ в.). Они производят около 7 млрд м³ биогаза в год, что обеспечивает топливом примерно 60 млн крестьян. В Индии с 1981 года было установлено 3,8 млн малых биогазовых установок.

В конце 2006 года в Китае действовало около 18 млн. биогазовых установок. Их применение позволяет заменить 10,9 млн тонн условного топлива.

Среди промышленно развитых стран ведущее место в производстве и использовании биогаза по относительным показателям принадлежит Дании – биогаз занимает до 18 % в её общем энергобалансе. По абсолютным показателям по количеству средних и крупных установок ведущее место занимает Германия - 8000 тыс. шт. В Западной Европе не менее половины всех птицеферм отапливаются биогазом.

Фирмы Volvo и Scania (Швеция) производят автобусы с двигателями, работающими на биогазе. Такие автобусы активно используются в городах Швейцарии. По прогнозам Швейцарской Ассоциации Газовой Индустрии к 2010 году 10 % автотранспорта Швейцарии будет работать на биогазе.

Шведская компания Svensk Biogas построила первый в мире поезд на биогазе - продукте переработки органических отходов. Эта машина может вместить до 54 пассажиров. С сентября 2005 года она курсирует на 80 километровой линии вдоль восточного побережья страны. Пробег поезда на одной заправке составляет 600 километров, а максимальная скорость - 130 километров в час. В движение этот вагон приводят два автобусных двигателя, приспособленных к работе на биогазе.

Компания Svensk Biogas потратила $1,3 миллиона для создания этого "зеленого" поезда.

Нужно добавить, что в Швеции уже работает около тысячи автобусов на биогазе и тысячи "бинарных" легковых машин, потребляющих и бензин, и биогаз.

 

 Сырье для получения

 

Используются разнообразные органические отходы: навоз, зерновая и меласная послеспиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки, каныга), трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов – лактоза, молочная сыворотка, отходы производства биодизеля – технический глицерин от производства биодизеля из рапса, отходы от производства соков – жом фруктовый, ягодный, виноградная выжимка, водоросли, отходы производства крахмала и патоки – мезга и сироп, отходы переработки картофеля, производства чипсов – очистки, шкурки, гнилые клубни и т. п.

Выход биогаза зависит от содержания сухого вещества и вида используемого сырья. Вода, содержащаяся в биомассе, не даёт газа. Из 1 кг сухого вещества в среднем получают от 300 до 500 литров биогаза. Из 1 тонны навоза крупного рогатого скота получается 30–50 м³ биогаза с содержанием метана 60 %, 150–500 м3 биогаза из тонны различных видов растений с содержанием метана до 70 %. Максимальное количество биогаза – это 1300 м3 с содержанием метана до 87% – можно получить из жира.

Кроме отходов, биогаз можно производить из специально выращенных энергетических культур, например, из силосной кукурузы или сильфия. Выход газа может достигать до 500 м3 с 1 тонны.

Свалочный газ – одна из разновидностей биогаза. Получается на свалках из муниципальных бытовых отходов.

 

 

 Технология получения

 

Всего в мире в настоящее время используется или разрабатывается около 60 разновидностей технологий получения биогаза. Наиболее распространённый метод – анаэробное сбраживание в метантенках, или анаэробных колоннах (в русском языке термин не устоялся). Часть энергии, получаемой в результате сжигания биогаза, направляется на поддержание процесса (до 15—20 % зимой). В странах с жарким климатом нет необходимости подогревать метантенк. Бактерии перерабатывают биомассу в метан при температуре от 25°С до 70°С.

Получение биогаза экономически оправдано при переработке постоянного потока отходов, например на животноводческих фермах.

В анаэробных условиях бактерии разлагают органический субстрат, а биогаз является промежуточным продуктом их обмена веществ.

Для успешной жизнедеятельности и хорошей работы всех микроорганизмов внутри реактора необходимо обеспечить специальные условия. Обязательными факторами в этом случае являются:

Анаэробные условия - бактерии могут активно работать только в условиях отсутствия кислорода. В конструкции изначально предусмотрено соблюдение этого условия.

Влажность - бактерии могут жить, питаться, размножаться и производить биогаз только во влажной среде.

Температура - оптимальным режимом для всех групп бактерий будет диапазон 35-40оС. Человеку не под силу это проконтролировать, потому этот процесс берет на себя система автоматического контроля.

Период брожения - количество произведенного газа постепенно увеличивается по мере увеличения длительности брожения, вначале оно происходит быстрее, по мере возрастания продолжительности брожения - медленнее. Наступает такой момент, когда дальнейшее пребывание в ферментаторе будет нецелесообразно с экономической точки зрения.

Конечным продуктом биологической обработки отходов являются:

биогаз (метан не менее 55%, оксид углерода не более 45%, сероводород не более 2%, водород не более 1%);

переброженный субстрат как остаток брожения, состоящий из воды, остатков целлюлозы, незначительной массовой части бактерий и питательных органических элементов (азот, фосфор, калий и т.д.).

 

 Биогазовые установки

 

Рассмотрим схему биогазовой установки ZORG™ (Германия) рис. 15.1.

 

Жидкие биоотходы перекачиваются на биогазовую установку насосами. Твердые отходы доставляются по транспортерной ленте, грузовиками или другим способом. Жидкие отходы попадают не прямо в реактор, а в предварительную емкость. В этой емкости происходит гомогенизация массы и подогрев (иногда охлаждение) до необходимой температуры. Обычно объем такой емкости на 2-3 дня. Твердые отходы могут сгружаться в емкость с жидкими отходами и перемешиваться с ними. Либо твердые отходы загружаются в специальный шнековый загрузчик.

Из емкости гомогенизации и загрузчика твердых отходов биомасса поступает в реактор (ферментатор). Реактор является газонепроницаемым, полностью герметичным резервуаром из кислотостойкого железобетона. Это конструкция теплоизолируется слоем утеплителя. Внутри реактора поддерживается фиксированная для микроорганизмов температура 30-41°С. В отдельных случаях применяются реакторы с режимом около 55°С. Внутри реактора производится перемешивание биомассы механическое или гидравлическое.

Подогрев реактора ведется теплой водой. Температура воды на входе в реактор 60°С. Температура воды после реактора около 40°С. Система подогрева - это сеть трубок, находящихся внутри стенки реактора, либо на ее внутренней поверхности. Если биогазовая установка комплектуется когенерационной установкой (теплоэлектрогенератором), то вода от охлаждения генератора используется для подогрева реактора. Температура воды после генератора 90°С. Теплая вода с температурой 90°С смешивается с водой 40°С и поступает в реактор с температурой 60 °С. Вода специально подготовленная и рециркуляционная. В зимний период биогазовой установке требуется до 70% вторичного тепла, отведенного от теплоэлектрогенератора. В летний - около 10%. Если биогазовая установка работает только на производство газа, тогда теплая вода берется от специально установленного водогрейного котла. Затраты тепловой и электрической энергии на нужды самой установки составляют от 5 до 15% всей энергии, которую дает биогазовая установка.

Время гидравлического отстаивания внутри реактора (в зависимости от субстратов) – 20-40 дней. На протяжении этого времени органические вещества внутри биомассы метаболизируются (преобразовываются) микроорганизмами. Для кукурузного силоса период брожения составляет 70-160 дней. Период брожения определяет объем реактора.

Всю работу по сбраживанию отходов проделают микроорганизмы. В реактор микроорганизмы вводятся один раз при первом запуске. Дальше никаких добавок микроорганизмов и дополнительных затрат не требуется. Введение микроорганизмов производится одним из трех способов: введением концентрата микроорганизмов, добавление свежего навоза или добавление биомассы с другого действующего реактора. Обычно используется 2-й и 3-й способы из-за дешевизны. В навозе микробы присутствуют и попадают в него еще из кишечника животных. Эти микроорганизмы полезны и не приносят вреда человеку или животным. К тому же реактор - это герметичная система. Поэтому реакторы, а точнее их назвать ферментерами, располагаются в непосредственной близости от фермы или производства.

На выходе имеем два продукта: биогаз и биоудобрения (компостированный и жидкий субстрат).

Биогаз сохраняется в емкости для хранения газа - газгольдере. Здесь в газгольдере выравниваются давление и состав газа. Газгольдер ZORG™ - это высокопрочная растягивающаяся мембрана. Материал мембраны стоек к солнечному свету, осадкам и испарениям в реакторе. Газгольдер герметически накрывает реактор сверху. Над газгольдером накрывается дополнительно тентовое накрытие. В пространство между газгольдером и тентом закачивается воздух для создания давления и теплоизоляции. В отдельных случаях газгольдер представляет собой многокамерный мешок. Такой мешок в зависимости от проектного решения может крепиться сверху бетонного свода ремнями либо в специальной бетонной емкости. Запас объема газгольдеров обычно 0,5-1 день.

Из газгольдера идет непрерывная подача биогаза в газовый или дизель-газовый теплоэлектрогенератор. Здесь уже производится тепло и электричество. 1 м3 газа дает 2 кВт∙ч электрической и 2 кВт∙ч тепловой энергии. Крупные биогазовые установки имеют аварийные факельные установки на тот случай, если двигатели не работают и биогаз надо сжечь.

Всей системой управляет система автоматики. Система контролирует работу насосной станции, мешалок, системы подогрева, газовой автоматики, генератора. Для управления достаточно всего 1 человека 2 часа в день. Этот человек ведет контроль с помощью обыкновенного компьютера.

Переброженная масса - это биоудобрения, готовые к использованию. Жидкие биоудобрения отделяются от твердых с помощью сепаратора и сохраняются в емкости для хранения биоудобрения. В Германии этот субстрат - аммиачная вода, в основном используется как удобрение из-за высокой концентрации аммиака (NH4). Твердые удобрения хранятся на специальном участке. Из емкости хранения жидких удобрений насосами масса перекачивается в бочки-прицепы и вывозится на поля или на продажу.

В случае, когда предприятию требуется не электроэнергия, а газ для заправки автомобилей, биогазовая установка комплектуется системой очистки и метановой заправочной станцией. Система очистки биогаза - устройство по отделению CO2 из биогаза. Например, если требуется техническая углекислота, то по принципу абсорбера- десорбера. Содержание углекислого газа доводится с 40% до 10% (и даже 1%, если требуется).

Биогазовая установка - это строительный объект с оборудованием и с живыми микроорганизмами внутри. Правильней называть биогазовые установки биогазовыми станциями или биогазовыми комплексами. Строительная часть по стоимости составляет около 50-60%. Затраты на эксплуатацию установки мизерны и составляют 1,5-2% от ее стоимости в год.

Длительное время проводились исследования, направленные на интенсификацию и оптимизацию процесса метанового сбраживания, а также конструктивное оформление технологии. С использованием результатов этих исследований в 1984 г. совместно с Сумским НПО им. М.В. Фрунзе в содружестве с кафедрой химической техники и промышленной экологии НТУ «ХПИ» была спроектирована и построена в г. Сумы биогазовая установка «Биогаз-301С» для переработки отходов свинофермы на 3000 голов животных. Она производила в сутки 450 м3 биогаза, который утилизировали в котельной с получением горячей воды для нужд фермы. Общий вид установки представлен на рис. 15.3, а технологическая схема – на рис. 15.2.

Последовательность технологических операций следующая. Из помещений свинофермы с помощью скребков и воды навоз поступает в сборник 1, откуда насосом 2 через ловушку 3 подается в подогреватель 4. В подогревателе, снабженном мешалкой и системой обогрева, исходный навоз выдерживается в течение не более 8-9 часов при постоянном перемешивании и нагреве, и насосом 5 подается в метантенк 6, содержимое которого термостатируется при 39±2°С в анаэробных условиях и периодически перемешивается насосом 6 и специальным перемешивающим устройством. Выгрузка отферментированной массы осуществляется через специальное переливное устройство в сборник-аэратор 7, где происходит насыщение ее кислородом с целью прекращения процесса анаэробной ферментации и улучшения санитарно-гигиенических показателей стоков. Из сборника 7 масса самотеком подается на центрифугу 8 для разделения на фракции. Обезвоженный шлам транспортером 9 подается на автотранспорт для вывоза, а жидкая фракция - в сборник 10, откуда насосом 11 направляется на поля в качестве жидкого удобрения или для промывки трубопроводов, а при соответствующей доочистке - на гидросмыв в свиноферму. Образующийся в метантенке биогаз поступает в газгольдер 12, входной и выходной патрубки газгольдера блокированы гидрозатворами и огнепреградителем.

В Сумском НПО им. М.В. Фрунзе также производится компрессор для компремирования биогаза 2ГМ10-25/1,05-70 (рис. 15.4) производительностью 25 м3/мин.

Конструктивное исполнение - установка, состоящая из оппозитного поршневого компрессора с приводным электродвигателем, межступенчатых аппаратов, газопроводов, вспомогательных систем, запорной, регулирующей и предохранительной арматуры, смонтированных на единой раме. Устанавливается и работает на открытой площадке под навесом с температурой окружающей среды от 0°С до +40°С.

Компрессор - горизонтальный, трехступенчатый на оппозитной базе 2М10. Привод компрессора - синхронный взрывозащищенный электродвигатель. Смазка механизма движения - циркуляционная под давлением. Смазка цилиндров и уплотнений штоков - принудительная под давлением. Система охлаждения газа и масла - закрытая водяная с напорным сливом.

Автоматизированная система контроля, управления и защиты обеспечивает контроль основных параметров, предупредительную и аварийную сигнализацию и блокировку по предельным значениям жизненно важных параметров.

 

Контрольные вопросы к теме 15

1 Что такое биогазы, каково их происхождение?

2 Примерный состав и основные свойства биогазов.

3 Технологии применения биогазов в мировой практике.

4 Какое сырье применяется для получения биогаза?

5 В чем суть технологии получения биогаза из отходов животноводческих ферм?

6 Принципиальная схема биогазовой установки.

7 В чем суть комплексной переработки жидких биоотходов?

 

Список литературы

1. Семененко И.В. Проектирование биогазовых установок/И.В. Семененко. – Сумы, 1996.

2. Зинченко М. Г. Переработка осадков сточных вод и твердых бытовых отходов с получением биогаза и органо-минеральных удобрений (по материалам 4-ой Международной конференции "Сотрудничество для решения проблемы отходов", 31 января - 1 февраля 2007 г., Харьков, Украина)/М.Г. Зинченко, Б.И. Адамчук, И. В. Семененко, Ю. Е.Малюга.

3. Некрасов В.Г. "Микробиологическая анаэробная конверсия биомассы"/В.Г. Некрасов.

4. Научно-теоретический журнал украинской академии аграрных наук. – Киев, 2005. – 88 с.