10. Применение биогаза

В последнее десятилетие большое внимание уделено развитию в нашей стране использованию нетрадиционых и возобносляемых источников энергии в связи с дефицитом собственных топливно-энергетических ресурсов. Одним из нетрадиционных и возобновляемых источников энергии может служить энергия получаемая из биомассы. Именно полученый в хозяйствах республики биогаз и выработка энергии из него позволит экономить природные н сжиженные газы.

 

Энергетический потенциал водных растений довольно высок . Так , например свежие морские водоросли 29,2 т.н.э/га/год; водяной гиацинт -53,6 т.н.э/га/год, а сахарный тростник 40,0 т.н.э/га/год /21/, /26/.

 В зависимости от влажности и степени биоразлагаемости биомасса перерабатывается термохимическими методами (прямое сжигание , газификация, пиролиз, ожижение) или биологическиеми (анаэробная переработка, этапольная ферментация). С их помощью, из биомассы можно получить различные конечные энергетические продукты, включая тепло, пар, низко- и высококалорийные газы и различные жидкие топлива. Одним из самых широко используемых методов переработки биомассы остаётся прямое сжигание с целью получения тепла или электроэнергии. Наиболее перспективным процессом превращения биомассы являются термохимическая газификация, ферментация и анаэробная переработка, в результате которых получают синтез-газ (метан). Для Беларуси перспективным может стать развитие биоэнергетики на основе обновляемого энергетического ресурса, такого как древесина. Сюда можно отнести и выращивание быстрорастущих сортов древесины. В Беларуси уже ведутся исследования по выращиванию энергетических плантаций канадской ивы и сахалинского горца Вейриха. Эти деревья способны обновляться в течении 25 лет, а обрубку и сбор топлива проводят через 3 года, причём один гектар плантации способен дать в среднем 20 м3 древесины. Так же изучаются возможности выращивания и целесообразности выращивания в наших климатических условиях сахалинского бамбука и Сильвии широколистной. Разрабатывается и получает широкое применение технология сжигания древесных гранул.

Одним из способов получения биогаза является способ анаэробного (без доступа кислорода), сбраживании или ферментации (перепревании) органических веществ биологической массы самого различного происхождения при температуре 30÷370 °С, а так же при постоянном перемешивании загруженного сырья, переодической загрузке исходного сырья в ёмкость для ферментации и выгрузке сброженного материала /17, с.357-364/. Емкость, в которой происходит процесс сбраживания, называется метантенком или реактором. При соблюдении всех оговоренных выше условий под действием имеющихся в биомассе бактерий органические вещества разлагаются и образуют смесь газов, которая называется биогаз. Для получения биогаза могут быть использованы отходы обработки сельскохозяйственных культур — силос, солома, пищевые и другие отходы ферм, навоз, птичий помёт, сточных вод и тому подобное сырьё содержащее органические вещества. Важно, чтобы среда сырья была нейтральной, без веществ которые мешают действию бактеррий, например мыла, стиральных порошков, антибиотиков / 20/.

Биогаз содержит 50÷80 % метана (СН4), 50÷20 % диоксида углерода (СО2), 0÷3 % сероводорода (Н2S), а так же примесей: водорода, аммиака и окислов азота. Биогаз не имеет неприятного запаха. Теплота сгорания 1 м3 биогаза достигает 21÷29 МДж, что примерно эквивалентно сжиганию 0,6 л бензина, 0,85 л спирта, 1,7 кг дров или использованию 1,4÷1,6 кВт*ч электроэнергии. Эффективность сбраживания зависит от соблюдения анаэробных условий, температурного режима и продолжительности сбраживания. Сбраживание навоза возможно при температуре 30÷35 °С (мезофильный режим брожения) и 50÷60°С и выше (термофильный режим).

Продолжительность сбраживания навоза зависят от вида биомассы. Для навоза крупного рогатого скота и куриного помета продолжительность составляет 20 суток (сут), свиного навоза - 10 сут. Активность микробной реакции в значительной мере определяется соотношением углерода и азота. Наиболее благоприятные условия при соотношении С/N == 10:16.

С 1 м3 реактора выход биогаза достигает 2÷3 м3 биогаза, от птичьего помёта - 6 м3 /21/. В сутки от одного животного можно получить следующее количество биогаза: крупный рогатый скот (массой 500÷600 кг) — < 1,5 м3; свиньи (массой 80÷100 кг) — 0,2 м3; куры или кролики — 0,015 м3.

Данные об удельном выходе биогаза от различных сельскохозяйственных отходов приведены в таблице 15.1 /17, с.357/.

Энергию, которую получают от сжигания биогаза можно использовать для различных нужд сельского хозяйства. С помощъю приводимого газовым двигателем внутреннего сгорания электрического генератора можно получать электроэнергию. Недостатком является то, что часть выработанной энергии необходимо исполльзовать на работу самой биогазовой установки (в некоторых установка до 50 % вырабатываемой энергии).

Биогаз можно сжигать как топливо в горелках отопительных установок, водогрейных котлов, газовых плит и использовать в холодильных установках абсорбционного типа, в автотракторных двигателях, в агрегатах инфракрасного излучения. Карбюраторный двигатель легко переводнтся на газ, в том числе на биогаз. Для этого карбюратор заменяют на смеситель. Не представляет трудностей перевод дизельных двигателей на работу с газом. При переводе с дизельного топлива на природный газ мощность двигателя снижается на 20 %, с природного на биогаз — на 10 %. Расход биогаза составляет в среднем 0,65 м3/кВт•ч. Давление газа перед двигателем должно быть не менее 0,4 кПа /17, с.358/.

В животноводстве для подогрева воды потребность в биогазе на одно животное в год составляет: дойной коровы — 21—30 м3, свиньн — 1,4—4,9 м3. Большие значения этих цифр относятся к малым фермам, меньшие — к средним.

Таблица 15.1.

Выход биогаэа из органических отходов

Органические отходы	Выход биогаза, л/кг
Навоз свиней Навоз крупного рогатого скота Помет птиц Навоз овец Отходы животноводческих помещений Солома пшеницы Солома ячменя Солома кукурузы Конопля Отходы зеленых культур Лен Трава Камыш Ботва картофельная Листья сахарной свеклы Водоросли Ил каналов	340—550 90 — 310 310 -620 90—310 175 — 280 200—300 250—300 280 — 450 280 330—360 360 280—550 170 280—490 400—500 420—500 310—740

Потребность в биогазе для отопления доильных помещений равна: при числе коров 40 — 164/327 м3/год; при числе коров 60 - 212/410 м3/год; при числе коров 80 — 262/530 м3/год. В числителе указаны данные при температуре наружного воздуха до — 10 °С, в знаменателе — при температуре наружного воздуха tн ниже — 10°С.

Для отопления птичников при наружной температуре — 10°С и внутренней 18°С требуется примерно 1,2 м3/ч на 1000 голов.

Остаток (метатановую бражку) можно использовать в качестве удобрения.

 

Биогазовые установки состоят из следующих элементов: камеры сбраживания (реактора, ферментатора, метантенка), нагревательного устройства (теплообменника), устройства для перемешивания н газгольдера.

Метантенки выполняют наземными, полузаглубленными и заглубленными в грунт. В жарких и теплых районах устраивают наземные метантенки, выкрашенные в черный цвет для использования солнечной радиации; в холодных районах отдают предпочтение заглубленным метантенкам для сохранения теплоты.

Камеры сбраживания изготовляют различной формы: цилиндри-ческне, кубические, в виде параллелепипеда и более сложной конструкции. Они бывают одно- и двухсекционными, устанавливаются вертикально, горизонтально, горизонтально-наклоно. Метантенки изготов-ляют из металла, пластмассы, железобетона. Схема заглубленного односекционного метантенка приведена на рис. 15.4.

Для поддержания необходимой для сбраживання температуры целесообразно применять нагревательные устройства.

Подогрев жидкого субстрата осуществляют перед загрузкой или в камере сбраживания. В зависимости от степени изоляции камер и трубопроводов потребность в теплоте может достигнуть 30 % энергии, выделяемой биогазом. Нагревательные устройства, как правило, совмещают с перемешивающим. На рис. 15.5 изображены схемы нагревательных я перемешивающих устройств. Теплообменники размещают различным способом: в стене камеры (рис. 15.5, а), в нижней части реактора (рис. 15.5,6), в цилиндрической рубашке шнека смесителя (рис. 15.5,в), по периметру камеры в виде змеевика (рис. 15.5,д). Используется также метод подогрева субстрата при помощи пара (рис. 15.5,е).

Для перемешивания субстрата применяют механические, гидрав- лические и газовые устройства.

Различают четыре вида конструкции биогазовой установки: простейшне, без подвода теплоты и перемешивания сбраживаемого субстрата; без подвода теплоты, но с перемешиванием субстрата; с предварительной подготовкой субстрата для сбраживания, подводом теплоты, перемешиванием, контролем и управлением анаэробным процессом.

В простых, большей частью небольших, установках, возводимых собственными силами, емкость для газа помещают под бродильной камерой (рис. 15.7). В таких установках невозможно получить высокую степень разложения субстрата, возникают трудности с разрушением плавающей корки и с удалением шлама.

В странах Восточной Азии распространены эластичные реакторы, имеющие форму пузыря. Их изготовляют из плотной прорезиненной или пластмассовой оболочки, усиленной прослойками из ткани. Оболочка заглублена в полусферическую выемку в грунте (рис. 15.8).

В Азии (Китае, Индии, Корее и др. странах) широко распространена простая биогазовая установка «Габор» (рис. 15.9), которую используют в мелких хозяйствах в районах с теплым или жарким климатом. Установка размешается под землей. Камера сбраживания и газдольдер уравновешены между собой. Подогрев и перемешивание субстрата не применяются. Продолжительность сбраживания 40 дней и более. Выход газа 0,3—0,5 м³ в расчете на 1 м³ камеры сбраживания.

 

Схема биогазовой установки фирмы «Дормштадт» для фермы изображена на рис. 15.10. Технологический процесс проточный с цикличным выполнением операций. Навоз из животноводческой фермы предварительно отделяется от посторонних примесей. Для этого служит отде-литель. Теплоносителем служит горячая вода или пар, получаемый в котле, работающем на газообразном топливе. Из емкости субстрат перекачивается в метантенк, где происходит анаэробное сбраживание навоза. Требуемая температура поддерживается с помощью теплообменника, размещенного в межстенном пространстве метантенка. Из метантенка биогаз поступает в газгольдер.

В совхозе «Россия» Золотоношского района Черкасской области работает установка для анаэробвого сбраживания жидкого навоза на свинокомплексе 24 тыс. гол. (рис. 15.11). Суточный выход навоза на комплексе 280—350 м³. Жидкий навоз подвергается механической и биологической обработке.

При механической обработке выделяют твердую фракцию, при биологической — активный ил. Общее количество осадка — 100—150 м³/сут. Установка перерабатывает 20 м³/сут осадка после биологической обработки. При этом исходный осадок подается в открытую емкость (30 м³) и для смешения и нагревания в специаль-ный теплообменник (типа труба в трубе). Рециркуляция массы осуществляется с помощъю фекального насоса по схеме: емкость для смешнвання — теплообменник — емкость для смешивания. Нагретый до 35 °С осадок тем же насосом подается в метантенк объемом 200 м³, где также подогревается теплообменником до температуры 30 - 35 °С. Источником теплоты для подогрева осадка служит котел (КВ-300М), который работает на жидком топливе. Осадок в реакторе постоянно перемешивается за счет перекачивания массы насосом из нижних слоев в верхние.

Выход биогаза изменяется в пределах от 60 м3/сут до 100 м3/сут. В процессе эксплуатацин биогаз может использоваться вместе с жид-ким топливом в котле КВ-300М. При этом экономия основного топлива составляет 20—30 %.

В СНГ используют целый ряд биогазовых установок (табл. 15.2).

Таблица 15.2.

Технико-экономнческие показатели биогазовых установок

Показатели	Огри	Пярну	КОБОС-1	«Биогаз-301»	УкрНИИ агропроект
Суточный выход бногаза, м3	265	6210	162	350	178
Объём реактора (метан-	75	3260
тенка), м3	(два)	(два)	125	300	150
Выход биогаза с 1 м3
объема реактора, м3	1,76	0,95	1,29	1,16	1,18
Выход биогаза, м3/т	2,65	1,04	1,3 -	1,1	1,2
Температура брожения, °С	54±2	38	40±Г	40±1	40±1
Периодичность загрузки
биомассы, сут	5	16	5	10	9
Установленная мощность, кВт	-	-	42,1	52	4,3
Количество обслуживающего
персонала, чел.	4	15	4	4	4
Суточная переработка
биомассы, т	20	400	28,3	30,9	16,5
Капитальные затраты, тыс.руб.	66,54	2790	170	350	25,2
Капитальные затраты на
получение 1 м3 биогаза, руб.	6,73	1,23	1,04	1,03	0,4