Серия \"Делаем сами\" icon

Серия "Делаем сами"




Скачати 357.27 Kb.
НазваСерия "Делаем сами"
Шомин А. А
Дата21.09.2012
Розмір357.27 Kb.
ТипДокументи

Серия "Делаем сами"


Составитель Шомин А. А.

Биогаз на сельском подворье. — Балаклея: Инфор­мационно-издательская компания "Балаклійщина", 2002. — 68 с.

Если у Вас есть свое приусадебное хозяйство и Вы содержите живность, значит на Вашем дворе постоянно накапливается навоз, используя который для получения биологического газа — метана, Вы можете иметь бесплатное топливо и отказаться полностью или частично от дорогого покупного газа либо от дров или угля.

^ 1. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Возобновляемый источник энергии — источ­ник энергии, использующий энергию Солнца, ветра, Земли, биомассы, морей и океанов, рек (с использованием мини- и микроГЭС), которые существу­ют постоянно или периодически возникают в окружающей среде.

Биомасса — неископаемые органические вещества би­ологического происхождения.

Первичная биомасса — растения, непосредственно (или без химической обработки) используемые для получе­ния (добычи) энергии. К ним относятся, прежде всего, отходы сельского и лесного хозяйства.

Вторичная биомасса — остатки переработки первич­ной биомассы веществ — прежде всего в результате их пот­ребления человеком и животными или переработки в домаш­нем хозяйстве или промышленности. К ним относятся, преж­де всего, навоз, жидкий компост, жидкие стоки очистных со­оружений.

Биотопливо — отходы сельскохозяйственного произ­водства, пищевой и других видов промышленности, органи­ческое вещество сточных вод и городских свалок — отходы, состоящие из биологического сырья — веществ биологичес­кого происхождения.

Биоэнергетическая установка — энергетическая ус­тановка, преобразующая энергию биомассы, биогаза, жид­кого навоза и т. д. а другие виды энергии, например, в элек­трическую и тепловую.


^ 2. БИОЭНЕРГЕТИКА. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Такие потрясения, как энергетический кризис 1973 г. и Чернобыльская катастрофа 1986 г., заставили большинство стран пересмотреть свою энергети­ческую политику в отношении темпов и перспектив исполь­зования возобновляемых источников энергии (ВИЗ).

Стало ясно, что недостаточно развить экологически чис­тую энергетику только в своей стране, когда соседние страны продолжают строительство и эксплуатацию атомных объектов, подобных по надежности четвертому блоку Чернобыльской АЭС. Необходимо объединение усилий ученых разных стран в области развития нетрадиционной энергетики.

Отрицательные тенденции развития традиционной энергетики обусловлены в основном наличием двух факто­ров- быстрым истощением природных ресурсов и загрязне­нием окружающей среды. Поданным ООН, истощение зале­жей угля предполагается в 2082—2500 г. г.

Перспективные технологии традиционной энергетики повышают эффективность использования энергоносителей, но не улучшают экологическую ситуацию: тепловое, химичес­кое и радиоактивное загрязнение окружающей среды может привести к катастрофическим последствиям

В связи с этим возникает необходимость выявления воз­можностей рационального использования ресурсов традици­онной энергетики с одной стороны и развитие научно-техни­ческих работ по использованию нетрадиционных и возобнов­ляемых источников энергии — с другой.

Все энергетические ресурсы на Земле являются в конеч­ном счете продуктами деятельности Солнца. Практически вся нетрадиционная энергетика — это превращение и использо­вание энергии Солнца прямыми и непрямыми методами.

Прямые методы использования солнечной энергии ос­нованы на превращении солнечного излучения в электричес­кую или тепловую энергию.

Непрямые методы основаны на использовании кинети­ческой и потенциальной энергии, которые возникают вследствии взаимодействия солнечного излучения с геосферой. Наибольшим энергетическим потенциалом характеризуются энергия ветра, энергия рек, морских приливов и волн, энер­гия биомассы

В ряде зарубежных стран приняты национальные прог­раммы по освоению энергии нетрадиционных источников, работы проводятся по инициативе государственных учреж­дений, частных фирм, обеспечивается выдача кредитов под низкие проценты.

Производство энергии с использованием возобнов­ляемых источников в 1992 году в странах Европейского Сою­за представлено в таблице 1.

Отрицательные факторы развития традиционной энер­гетики в Украине проявляются особенно остро и усугубляются дисбалансом в развитии энергетического комплекса, поэто­му использование возобновляемых источников энергии при­обретает особую значимость.

Необходимость и возможность развития данного на­правления энергетики обусловлены следующими причинами:

* дефицитом традиционных для Украины топливно-энергетических ресурсов;

* дисбалансом в развитии энергетического комплекса Украины, который ориентирован на значительное (до 25 — 30%) производство электроэнергии на атомных электростан­циях при фактическом отсутствии производств по получению ядерного топлива, утилизации и переработке отходов, а так­же прризводств по модернизации оборудования действующих АЭС (ядерных реакторов, котельного оборудования и т.д.);

* благоприятными климато-метеорологическими усло­виями для использования основных видов возобновляемых источников энергии;

* наличием промышленной базы, пригодной для про­изводства практически всех видов оборудования для нетра­диционной энергетики.

Таблица 1

Производство энергии с использованием ВИЭ в 1992г.

в странах ЕЭС




Геотермо

Гидро

Ветро

Био

Гелио

Другие

Бельгия

11,6

336,8

11,6

2830

0

3758

Дания

11,6

23,2

904,8

13990

34,8

0

Франция

1798

68266

0

102451

174

2239

Германия

81,2

17272

34,8

38083

69,6

14164

Италия

25160

42096

0

34486,8

81,2

4582


Ресурсы возобновляемых источников энергии в Украине значительны, эффективное их использование может составить весьма ощутимую долю в энергетическом хозяйстве.

Так – при использовании целесообразных объёмов энергии возобновляемых источников и возможности замены ими нефтепродуктов, - процентное отношение этой энергии к общему количеству потребляемых за год в стране нефтепродуктов (300 млн. тон. у.т./год)составляет для биогаза 0,2%.

Расположение и рабочие характеристики действующих энергетических установок приведены в таблице 2.

Таблица 2

Базовые установки в Украине



Название

Действует м3

План м3

1

Киевская обл

250




2

Нижегородский р-н Крым

425




3

Алчевск Луганская обл.

1000




4

Галмазово Черкасская

170

1500

5

Сумы з-д им.Фрунзе

300

1500

6

Запорожсталь Запорожье

250




7

Киевская птицефабрика

15




8

Одесская обл.

10





Эффективным возобновляемым источником энергии является биомасса.

Ресурсы биомассы в различных видах есть почти во всех регионах, и почти в каждом из них может быть налажена её переработка в энергию и топливо.

На современном уровне за счёт биомассы можно перекрыть 6-10% от общего количества энергетических потребностей промышленно развитых стран.

Ежегодно на Земле при помощи фотосинтеза образуется около 120 млрд. тонн сухого органического вещества, что энергетически эквивалентно более 400 млрд. тонн нефти. Использование биомассы проводится в следующих направлениях: прямое сжигание, газификация, производство эти­лового спирта для получения моторного топлива, производ­ство биогаза из сельскохозяйственных и бытовых отходов. Биомасса, главным образом в форме древесного топлива, является основным источником энергии приблизительно для 2 млрд. человек. Для большинства жителей сельских райо­нов «третьего мира» она представляет собой единственно доступный источник энергии. Биомасса, как источник энер­гии, играет важнейшую роль и в развитых странах. В целом биомасса дает седьмую часть мирового объема топлива, а по количеству полученной энергии занимает наряду с при­родным газом третье место. Из биомассы получают в 4 раза больше энергии, чем дает ядерная энергетика.

В странах Европейского Союза доля энергии биомассы в 1992 году составила около 55% от общего производства энергии возобновляемых источников. Наиболее эффектив­но энергия биомассы используется в Португалии, Франции, Германии, Дании, Италии и Испании.

В Т986 г. комиссия ЕС приняла решение финансиро­вать 153 проекта по использованию биомассы и отходов. Объем финансирования составил 70,6 млн. экю.

Директорат ЕС начал новую 4-х летнюю программу ис­следований в области неядерних источников энергии. На исследования по использованию биомассы ассигновано на 2 года 12 млн. дол. США. Ресурсы биомассы в Европе в 2000-м году составили: древесного топлива — 75, древесных отхо­дов — 70, сельскохозяйственных отходов — 250, городского мусора — 75 млн. т.

Кроме того, биомасса, выращиваемая на энергетичес­ких плантациях, даст 250 млн. т/год.

В связи с необходимостью резкого уменьшения вред­ного воздействия автотранспорта на окружающую среду было обращено внимание на использование в этой сфере био­массы. Здесь наметился ряд направлений по замене эколо­гически опасного бензина на экологически чистое топливо.

В Бразилии разработана программа использования этанола как альтернативного топлива, заменяющего до 22% (по объему)бензина.

Этанол получают в результате переработки специально выращиваемого тростника. Больше 7% предлагаемого бен­зина содержит 10% добавки этанола и 80% автопарков этой страны используют эту добавку. В США также реализуется большая программа замены бензинового топлива этанолом, который получают путем переработки излишков кукурузы и других зерновых культур.

Использование спирта в качестве топлива получило под­держку и в некоторых европейских странах, в частности, во Франции и Швеции. В Украине проблема замены бензина спиртом пока не рассматривалась. Изучается возможность выращивания рапса в районах, зараженных радиоактивными элементами с целью получения рапсового масла, использо­вания его в качестве топлива в дизельных двигателях. Эта идея в данное время разрабатывается специалистами Укра­ины и Германии.

В нетрадиционной энергетике особое место занимает переработка биомассы (органических сельскохозяйственных и бытовых отходов) метановым брожением с получением би­огаза, содержащего около 70% метана, и обеззараженных органических удобрений. Чрезвычайно важна утилизация би­омассы в сельском хозяйстве, где на различные технологичес­кие нужды расходуется большое количество топлива и непре­рывно растет потребность в высококачественных удобрениях. Всего в мире в настоящее время используется или разраба­тывается около 60-ти разновидностей биогазовых технологий.

Биогаз — это смесь метана и углекислого газа, образу­ющаяся в специальных реакторах — метантенках, устроенных и управляемых таким образом, чтобы обеспечить максималь­ное выделение метана. Энергия, получаемая при сжигании биогаза может достигать от 60 до 90% той, которой облада­ет исходный материал. Однако биогаз получают из жидкой массы, содержащей 95% воды, так что на практике выход достаточно трудно определить. Другое, и очень важное, дос­тоинство процесса переработки биомассы состоит в том, что в его отходах содержится значительно меньше болезнет­ворных микроорганизмов, чем в исходном материале.

Получение биогаза экономически оправдано и является предпочтительным при переработке постоянного потока отходов (стоки животноводческих ферм, скотобоен, расти­тельных отходов и т. д.). Экономичность заключается в том, что нет нужды в предварительном сборе отходов, в органи­зации и управлении их подачей; при этом известно, сколько и когда будет получено отходов.

Получение биогаза, возможное в установках самых разных масштабов, особенно эффективно на агропро­мышленных комплексах, где существует возможность полно­го экологического цикла. Биогаз используют для освещения, отопления, приготовления пищи, для приведения в действие механизмов, транспорта, электрогенераторов.

При анаэробном сбраживании органические вещества разлагаются в отсутствии кислорода. Этот процесс включа­ет в себя два этапа (рис. 1). На первом этапе сложные орга­нические полимеры (клетчатка, белки, жиры и др.) под дей­ствием природного сообщества разнообразных видов ана­эробных бактерий, разлагаются до более простых соедине­ний: летучих жирных кислот, низших спиртов, водорода и оки­си углерода, уксусной и муравьиной кислот, метилового спир­та. На втором этапе метанообраэующие бактерии превраща­ют органические кислоты в метан, углекислый газ и воду.


Переработанный осадок

Метан, окись углерода, сероводород


^

Образование метана метанообразующими бактериями




Образование летучих кислот кислотообразующими бактериями




Вода

Тепло

Органическое вещество


Рисунок 1 ^ Схема сбраживания органических веществ


Первичные анаэробы представлены разнообразными физиологическими группами бактерий: клеткоразрушающими, углеродосбраживающими (типа маслянокислых бакте­рий), аммонифицирующими (разлагающими белки, пептиды, аминокислоты) бактериями, разлагающими жиры и т. д. Бла­годаря этому составу, первичные анаэробы могут использо­вать разнообразные органические соединения растительно­го и животного происхождения, что является одной из важ­нейших особенностей метанового сообщества. Тесная связь между этими группами бактерий обеспечивают достаточную стабильность процесса.

Метановое брожение протекает при средних (мезофильное) и высоких (термофильное) температурах. Наиболь­шая производительность достигается при термофильном метановом брожении. Особенность метанового консорциума позволяет сделать процесс брожения непрерывным. Для нор­мального протекания процесса анаэробного сбраживания необходимы оптимальные условия в реакторе: температура, анаэробные условия, достаточная концентрация питательных веществ, допустимый диапазон значений рН, отсутствие или низкая концентрация токсичных веществ.

Температура в значительной степени влияет на анаэроб­ное сбраживание органических материалов. Наилучшим об­разом сбраживание происходит при температуре 30—40 °С (развитие мезофильной бактериальной флоры), а также при температуре 50—60 °С (развитие термофильной бактериаль­ной флоры). Выбор мезофильного или термофильного ре­жима работы основывается на анализе климатических ус­ловий. Если для обеспечения термофильных температур не­обходимы значительные затраты энергии, то более эффек­тивной будет эксплуатация реакторов при мезофильных температурах.

Наряду с температурными условиями на процесс метанового брожения и количество получаемого биогаза влияет время обработки отходов.

При эксплуатации реакторов необходимо проводить контроль за показателем рН, оптимальное значение которо­го находится в пределах 6,7—7,6. Регулирование этого по­казателя осуществляется путем добавления извести.

При нормальной работе реактора получаемый биогаз содержит 60—70% метана, 30—40% двуокиси углерода, не­большое количество сероводорода, а также примеси водо­рода, аммиака и окислов азота. Наиболее эффективны реак­торы, работающие в термофильном режиме при 43—52 °С. При продолжительности обработки навоза 3 дня выход био­газа на таких установках составляет 4,5 л на каждый литр по­лезного объема реактора. В исходную массу для интенсифи­кации процесса анаэробного сбраживания навоза и выделе­ния биогаза добавляются органические катализаторы, кото­рые изменяют соотношение углерода и азота в сбраживае-мой массе (оптимальное соотношение С/N=20/1 - 30/1). В ка­честве таких катализаторов используются глюкоза и целлю­лоза. Ориентировочное содержание азота и соотношение содержания углерода и азота в различных отходах по сухой массе представлены в таблице 3.

Таблица 3

Содержание азота и соотношение C/N в различных отходах

Вид отходов

Содержание общего N (%)

Соотношение

C/N

Животноводческие фермы

Моча


15-18

0,8

Смесь отходов боен


7-10

2,0

Птичий помёт


6,3

-

Навоз овечий


3,8

-

свиной


3,8

-

лошадиный


2,3

25

коровий


1,8

18

Растительные отходы

Солома


1,1

48

Отходы льна


1,0

58
^

Сырые опилки


0,25

208


Получаемый при брожении биогаз имеет теплоту сго­рания 5340—6230 ккал/м3 (6,21+7,24 кВт.ч/ м3).

В бродильных камерах необходимо производить энер­гичное перемешивание для предупреждения образования в верхней части слоя всплывающего вещества. Это значитель­но ускоряет процесс брожения и выход биогаза. Без пере­мешивания для получения такой же производительности объем реакторов должен быть значительно увеличен. Отсю­да следствие — большие затраты и удорожание установки.

Перемешивание осуществляется:

* механическими мешалками различной формы или погружными насосами с приводом от электродвигателя,

* гидравлическими насадками за счет энергии струи, перекачиваемого насосом сбраживаемого навоза, или ре­циркуляцией,

* избыточным давлением биогаза, пропускаемого че­рез барботер или трубку, расположенную в нижней части ре­дуктора.

Остаток, образующийся в процессе получения биогаза, содержит значительное количество питательных веществ и может быть использован в качестве удобрения. Состав ос­татка, полученного при анаэробной переработке животновод­ческих отходов, зависит от химического состава исходного сырья, загружаемого в реактор. В условиях, благоприятных для анаэробного сбраживания, обычно разлагается около 70% органических веществ, а 30% содержится в остатке.

Основное преимущество анаэробного сбраживания зак­лючается в сохранении в органической или аммонийной фор­ме практически всего азота, содержащегося в исходном сырье.

Метод анаэробного сбраживания наиболее приемлем для переработки животноводческих отходов с точки зрения гигиены и охраны окружающей среды, так как обеспечивает наибольшее обеззараживание остатка и устранение пато­генных микроорганизмов.

Жидкая фаза навоза после анаэробной переработки обычно отвечает требованиям, предъявляемым к качеству сточных вод органами охраны природы. Отработанная жид­кая органическая масса поступает через выгрузочную каме­ру в резервуар сброженной массы, а оттуда перекачивается в цистерны, с помощью которых вносят на поля обычную на­возную массу.

Количество биогаза, которое может быть выделено из различных с/х отходов, остатков и смесей при оптимальных условиях анаэробной переработки, зависит от количества субстрата, условий протекания процесса, бактериального состава в реакторе и др. Некоторые данные приведены в таб­лице 4.

Таблица 4

Выход метана(биогаза)при метановом сбраживании сельскохозяйственных отходов

Органические отходы

Выход СН4, м3/кг сухого вещества

Содержание СН4 (%)

Помёт индеек

0,640

62,0

Молочные отходы

0,625

82,0

Свиной навоз

0,580

77,5

Помёт кур

0,370

54,0

Навоз быков+меласа

0,300

48,0

Навоз быков

0,290

56,2

Силосные отходы

0,250

84,0

Навоз быков+солома

0,220

52,0

Навоз коров

0,208

55,0


Для увеличения производительности смешивают раз­ные отходы (таблица 5).

Таблица 5

Увеличение продукции биогаза

при смешивании разных отходов

Отходы

Продукция биогаза

Увеличение продукции (%)

Навоз КРС+куриный

0,634

6,0

Помёт птицы

0,617




Навоз КРС+ куриный+свиной (1:0,5:0,5)

0,585

11,0

Свиной навоз

0,569




Навоз КРС+птиц

0,528

6,0

Навоз КРС+свиной

0,510

7,0

Навоз КРС

0,380




Навоз КРС+сосняки

0,363

5,0

Сосняки

0,277





Подсчитано, что годовая потребность в биогазе для обог­рева жилого дома составляет около 45 м2 на 1 м2 жилой пло­щади, суточное потребление при подогреве воды для 100 го­лов крупного рогатого скота — 5—6 м2. Потребление биогаза при сушке сена (1 т) влажностью 40 % равно 100 м2, 1 т зерна — 15 м2, для получения 1 КВт. ч электроэнергии — 0,7+0,8 м2.

В Украине только на крупных свиноводческих и птицевод­ческих предприятиях ежегодно образуется более 3 млн. тонн органических отходов по сухому веществу, переработка которых позволит получить около 1 млн. тонн у. т. в виде биогаза, что эквивалентно 8 млрд. кВт. ч электроэнергии. Кроме того, в Ук­раине имеется около 2 млн. негазифицированных семейных подворий. Опыт стран, не обеспеченных природным газом (на­пример КНР), показывает, что отдаленные сельские местности целесообразно газифицировать с помощью малых биоустано­вок, работающих на органических отходах семейных подворий. Так, внедрение 2 млн. установок в Украине позволило бы полу­чить около 2 млрд. м2 биогаза в год,. что эквивалентно 13 млрд. кВт. ч энергии, и обеспечило бы семейные усадьбы органи­ческими удобрениями в количестве 10 млн. тонн в год.

По данным 1990 г. среднегодовое поголовье свиней в колхозах, совхозах и других хозяйствах Украины составляло почти 20 млн. голов; для крупного рогатого скота эта цифра превышала 25 млн., для поголовья овец и коз соответствен­но около 9 млн., для птиц — около 85 млн. голов. Количество навоза и помета от такого поголовья в год: от свиней — 45 млн. тонн., от крупного рогатого скота — более 290 млн. тонн, овец и коз — 6 млн. тонн, птицы — почти 4 млн. тонн.

Опыт создания биогазовых установок свидетельствует, что их конструктивные и технологические особенности опре­деляют различные факторы и, в первую очередь, сырье, его свойства и предыдущая обработка.

Во многих странах мира созданы, испытаны и успешно эксплуатируются как малые фермерские, так и крупные про­мышленные установки по переработке навоза в биогаз.

В Германии работает 60 новых биогазовых установок по производству биогаза из отходов животноводческого хо­зяйства. За счет ферментации отходов с содержанием сухого остатка от 5 до 15 % получается биогаз с теплотой сгорания от 5,6 до 6,7 кВт.ч/м2. Плотность биогаза — 1,22 г/м2. Взрывоо­пасная концентрация его в воздухе от 19 до 25 %. Потребле­ние энергии на собственные нужды составляет от 20 до 30 % получаемого биогаза. Срок окупаемости затрат равен 4,2 года.

Фирма Сaterpillar производит автономные ЭС (энерго­системы), оснащенные двигателями с искровым зажигани­ем, способные использовать биогаз, образующийся в резуль­тате разложения отходов на свалках. В Норвегии установле­на первая из двух таких ЭС мощностью 360 кВт. ЭС полнос­тью автоматизирована, коммутационная аппаратура способ­на синхронизировать работу ЭС с местной электросетью. Газ подается из 36 скважин глубиной 14м, проникающих к слою отходов двадцатилетней давности. При этом обеспечивается расход биогаза 300 м3/час. Содержание метана в биогазе составляет 48—57%. В юго-восточной части Англии две ЭС на основе биогаза обеспечивают суммарную мощность 1000 кВт для гаэоперерабатывающего завода, из которой только 360 кВт используются для нужд завода, а остальные 650 кВт поступают в национальную электросеть.

Фирма Blue Cirkle (Великобритания) планирует получать 7,5 MВт электрической мощности, используя биогаз из 3-х свалок в Южной Англии.

В странах Западной Европы налажен серийный выпуск биогазовых установок поточного типа. Одна такая установка перерабатывает птичий помет от 10 тыс. кур-несушек, обес­печивая среднесуточное производство 100 м3 биогаза (60% метана), и окупается за 1,9 года при использовании перебро­дившего шлака в качестве органического удобрения.

В Швейцарии биогазовая установка со средней произ­водительностью 100 м3 в сутки перерабатывает навоз 30-ти коров, поступающий в заглубленный отстойник емкостью 80 м3. Для сбраживания навоза и хранения биогаза служит цилин­дрический резервуар вместимостью 540 м3, закрытый поли­мерной пленкой. Биогаз используется для выработки элек­троэнергии в водонагревательной установке.

Там же эксплуатируется биогазовая установка, все аг­регаты которой расположены непосредственно под свино­водческой фермой. Биогаз хранится в резервуаре и исполь­зуется в отопительной системе. Производительность биогазовой установки при пастбищном содержании скота летом вдвое ниже, чем зимой. При этом около трети биогаза исполь­зуется на собственные технологические нужды, а остальная часть идет на подогрев воды и отопление фермы. 1 м3 биога­за эквивалентен 0,7л мазута.

Биогаз обладает высокими антидетонационными свой­ствами и может служить отличным топливом для двигателей внутреннего сгорания с принудительным зажиганием и для дизелей, не требуя их дополнительного переоборудования (необходима только регулировка системы питания).

Сравнительные испытания показали, что удельный рас­ход дизельного топлива составляет 220 г/кВт.ч номинальной мощности, а биогаза 0,4 м3/кВт.ч. При этом требуется около 300 г/кВт, ч (м. б. — 300 г) пускового топлива (дизельного топ­лива, используемого в качестве «запала» для биогаза). В резуль­тате экономия дизельного топлива составила 86%. При 40% заг­рузке двигателя и частоте вращения его коленчатого вала 1400 мин-' (средний уровень загрузки тракторов в Швейцарии) рас­ход дизельного топлива равен 250 г/кВт, ч., при использовании биогаза — 80 г/кВт, ч плюс расход биогаза 9,6 м3/кВт.ч., что соответствует почти 70% экономии дизельного топлива.

В Виппахдельхаузене (ФРГ) введена в эксплуатацию би­огазовая установка универсального типа, предназначенная для сбраживания навозной жижи и переработке навоза крупного рогатого скота, свиней и куриного помета. Биогазовый реак­тор работает при температуре 35 °С и давлении 2,0—5,0 кПа как в непрерывном, так и в периодическое режимах.

В Украине в Запорожском КТИСМ разработан комплект оборудования типа «Кобос» для анаэробного сбраживания навоза. Такая установка объемом 250 м3 работает в с. Гребинки Киевской области. Установка производительностью по навозу 10 м3/сутки испытана в совхозе «Рассвет» Запорож­ской области— УкрНИИАгропроект имеет опытные установ­ки: на Киевской птицефабрике — периодического действия объемом 20 м3, в совхозе «Россия» Черкассой области — объемом 200 м3. В подсобном хозяйстве Сумского МНПО им. Фрунзе на 3000 голов свиней действует установка для пере­работки стоков объемом 300 м3.

Технико-экономические и эксплуатационные характе­ристики некоторых биогазовых установок представлены в таблице 7.

Для развития биоэнергетики в Украине с целью получе­ния биогаза и высококачественных удобрений необходимо создание экономического механизма, стимулирующего на­учно-технические работы в данной области, производство и внедрение соответствующего оборудования.

Таблица 7

Технико-экономические и эксплуатационные показатели биогазовых установок

Показатель

Совхоз «Огре»

Латвия

ПХ НПО им.Фрунзе

Прянусская свиноферма

Вместимость м3

2 х 75

1 х 130

2 х 3260

Вид навоза, число голов

Бесподстилочный свиной 2500

Бесподстилочный свиной 3000

Навозные стоки 50тыс.

Температура ферментации

54

54-55

38

Суточная переработка

20 м3

30м3

400м3

Суточный выход газа

250-350 м3

350 м3

6210 м3

Время окупаемости

1,5

1,3

1,5


^ 3. И У НАС БИОГАЗ

Теперь мы уже знаем, что самые обычные органи­ческие отходы сельского подворья — навоз жи­вотных, огородная ботва, сорняки и другая «ор­ганика» — в определенных условиях смогут стать источником столь необходимого в домашнем хозяйстве горючего газа, который сгодится для приготовления пищи, отопления поме­щения и получения горячей воды. Назовем его биогазом.

Биогаз если не полностью, то хотя бы частично может обеспечить потребности сельских жителей, владельцев дачных и садовых участков в топливе. Кроме того, при про­изводстве биогаза отходы полностью идут в дело, в резуль­тате не только улучшается санитарное состояние территории, уничтожаются возбудители инфекционных заболеваний, ис­чезает неприятный залах гниющих растений, гибнут семена сорняков, но и образуются ценнейшие высококачественные органические удобрения, обладающие повышенным гу-мусным потенциалом.

Но чтобы каждый желающий мог соорудить на своем подворье простейшую биогазовую установку собственными руками, полезно иметь представление об основных особен­ностях технологии получения биогаза из органических отхо­дов, а также о факторах, влияющих на производительность биогазовых установок, и конструкциях этих установок.

^ 3.1. ЧТО ЗА ГАЗ БИОГАЗ?

Получение биогаза из органических отходов основано на их свойствах выделять горючий газ в результате так на­зываемого «метанового сбраживания» в анаэробных (без доступа воздуха) условиях. Биогаз, образующийся при метановом сбраживании, представляет собой смесь, состо­ящую из 50—80 % метана, 20—50 % углекислого газа, при­мерно 1 % сероводорода, а также незначительного коли­чества некоторых других газов (азота, кислорода, водоро­да, аммиака, закиси углерода и др.). Напомним, что 1 м2 метана при сгорании выделяет энергию, равную пример­но 20—25 МДж.

В свою очередь, «метановое сбраживание» происходит при разложении органических веществ в результате жизне­деятельности двух основных групп микроорганизмов. Одна группа микроорганизмов, обычно называемая кислотообра­зующими бактериями, или бродильными микроорганизмами, расщепляет сложные органические соединения (клетчатку, белки, жиры и др.) в более простые, при этом в сбраживаемой среде появляются первичные продукты брожения — ле­тучие жирные кислоты, низшие спирты, водород, окисид уг­лерода, уксусная и муравьиная кислоты и др. Эти менее слож­ные органические вещества являются источником питания для второй группы бактерий — метанообразующих, которые превращают органические кислоты в требуемый метан, а так­же углекислый газ и др.

В этом сложном комплексе превращений участвует ве­ликое множество микроорганизмов, по некоторым данным — до тысячи видов, но главные из них все-таки матанообразующие бактерии. Отметим, что они значительно медленнее размножаются и более чувствительны к изменениям окружа­ющей среды, чем кислотообразующие микроорганизмы-бродильщики, поэтому вначале в сбраживаемой среде накапли­ваются летучие кислоты, а первую стадию метанового сбраживания называют кислотной. Потом скорости образования и переработки кислот выравниваются, так что в дальнейшем разложение субстрата и образование газа идут одновременно. И естественно, от условий, которые создаются для жиз­недеятельности метанообразующих бактерий, зависит ин­тенсивность газовыделения.

Как кислотообразующие, так и метанообразующие бак­терии встречаются в природе повсеместно, в частности в экскрементах животных. Считается, что в навозе крупного рогатого скота имеется полный набор микроорганизмов, необходимых для его сбраживания. И подтверждением этому является то, что в рубце и кишечнике жвачных животных пос­тоянно идет процесс метанообразования. Следовательно, нет необходимости применять для получения биогаза чистые культуры метанообразующих бактерий для того, чтобы вызвать процесс брожения. Достаточно лишь обеспечить уже имеющимся в субстрате бактериям подходящие условия для их жизнедеятельности.

Для создания таких условий органические отходы сбраживаются в специальных бродильных камерах (биореакто­рах), где поддерживают строго анаэробную среду, а также соответствующие температурный и кислотный (рН) режимы, давление и др.

А теперь, прежде чем перейти к рассмотрению раз­личных конструкций биогазовых установок, остановимся ко­ротко на основных факторах, влияющих на эффективность работы подобных установок. Знание этих факторов позволит сделать биоустановку по-настоящему рентабельной и не превратит работу по получению столь необходимого газа в бесполезное перелопачивание навоза!

^ 3.2. КАК ДОБИТЬСЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ БИОГЕНЕРАТОРА

Для эффективной работы установки, производящей биогаз, кроме строго анаэробной среды, придется соблюдать ряд требований. Во-первых, поддерживать в реакторе опти­мальные температурный и кислотный режимы. Во-вторых, постоянно следить за наличием питательных веществ в сбра­живаемой среде, обеспечивая низкое содержание в данной среде веществ-ингибиторов, то есть веществ, препятствую­щих жизнедеятельности микроорганизмов.

Вообще-то образование метана идет в достаточно ши­роком интервале температур (8—60 °С), при этом при опре­деленных температурах в процессе сбраживания участвуют определенные виды бактерий.

Обычно различают три характерных уровня температур, предпочтительных для отдельных видов бактерий. Психрофильный режим идет при температуре 8—20 °С, мезофильный — при 30—40 °С, термофильный — при 45—60 °С. Более производительны термофильный и мезофильный ре­жимы сбраживания, однако все три режима имеют как свои преимущества, так и недостатки. Режимы с более высокими температурами требуют больших затрат энергии на поддер­жание оптимальной температуры, зато благодаря сокраще­нию продолжительности сбраживания удается значительно сократить объем биореактора и таким образом увеличить производительность биогазовой установки. Однако часто поддержание в биомассе высоких температур на практике связано с большими затратами энергии на обогрев и термо­регуляцию биореакторов, что в свою очередь значительно удорожает процесс получения биогаза. Так, стоимость энер­гии, необходимой для подогрева содержимого бродильной камеры при термофильном сбраживании, настолько велика, что превышает всякие выгоды, связанные с более быстрым, чем в других случаях, сбраживанием. Отсюда следует, что в условиях домашнего хозяйства практическое значение име­ет только мезофильное (30—40 °С) или психрофильное (8— 20 °С) метановое сбраживание. (О способах обеспечения со­ответствующих температурных режимов этих способов сбра­живания будет рассказано ниже).

Для нормального протекания брожения необходима слабощелочная реакция среды (рН=6,7—7,6). При оптималь­ной (ровной) активности кислотообразующих и метановых бактерий (то есть при установившемся процессе брожения) значение рН поддерживается в желательных пределах «ав­томатически». Однако иногда кислотообразующие бактерии начинают размножаться быстрее, чем метановые, из-за чего концентрация летучих жирных кислот в бродильной камере возрастает и происходит так называемое «закисление», в ре­зультате чего выход биогаза снижается, а кислотность био­массы увеличивается. В этом случае в содержимое биореак­тора следует добавить горячую воду, известковое молоко, соду. При нарушении баланса между азотом и углеродом его восстанавливают добавлением в биомассу коровьей мочи.

Основой беспрепятственного размножения анаэробных бактерий служит, естественно, наличие питательных веществ в сбраживаемой среде. И почти все питательные вещества, необходимые для роста метановых бактерий, содержат экскременты животных, являющиеся основным сырьем для производства биогаза. Разнообразие видового состава ме-танообразующих бактерий позволяет использовать практи­чески все виды жидких и твердых органических отходов. Но лучшая органическая масса для получения биогаза — навоз крупного рогатого скота в смеси с растительными остатками (влажность биомассы не менее 85—90%).

Сбраживаемая органическая масса не должна содер­жать веществ (антибиотики, растворители и т. п.), отрица­тельно влияющих на жизнедеятельность микроорганизмов. Не способствуют «работе» микроорганизмов и некоторые не" органические вещества, поэтому нельзя, например, исполь­зовать для разбавления навоза воду, оставшуюся после стир­ки синтетическими моющими средствами.

Выработка биогаза зависит и от многих других причин. Например, на поверхности органической массы периодичес­ки образуются плавающая корка, мешающая выходу биога­за. Поэтому ее необходимо устранить, перемешивая содер­жимое биореактора 1—2 раза в сутки. Перемешивание спо­собствует также равномерному распределению температуры и кислотности в биомассе, находящейся в камере сбражи­вания.

Для полного разложения органического вещества, как правило, необходимо длительное время. А при этом продол­жительность сбраживания, учитывая присущую данному виду отходов скорость разложения, зависит от требуемой степе­ни разложения органического вещества. Обычно макси­мальный выход биогаза и лучшие по качеству удобрения наб­людаются при разложении органического вещества (навоза) до 30—33 %. Заметим, что при пребывании биомассы в био­реакторе в течении 14—15 дней полнота ее разложения сос­тавляет 25%.

При непрерывном способе сбраживания, когда выгруз­ка определенного объема «отработавшего» в реакторе ор­ганического вещества происходит одновременно с загрузкой такого же объема свежего материала, выделяется наиболь­шее количество биогаза, и при такой организации процесса для малогабаритных биогазовых установок в приусадебных хозяйствах доза ежесуточной загрузки обычно не превышает 4—5 % полезного объема камеры сбраживания.

^ 3.3. РАЗНОВИДНОСТИ БИОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК

Установки для производства биогаза из органических отходов обычно подразделяют на четыре основных типа:

* без подвода тепла и без перемешивания сбраживаемой биомассы:

* без подвода тепла, но с перемешиванием сбраживаемой массы;

* с подводом тепла и с перемешиванием биомассы;

* с подводом тепла, с перемешиванием биомассы и со средствами контроля и управления процессом сбраживания.

Понятно, что обязательные компоненты биогазовой ус­тановки — сам биореактор и газгольдер для сбора биогаза, ну а устройства для подогрева биомассы, ее перемешива­ния, а также средства контроля — вещи весьма полезные, но можно обойтись и без них.

3.4. БИОРЕАКТОР

Биореактор — основа любой биогазовой установки, и к его конструкции предъявляются достаточно жесткие требо­вания. Так, корпус биореактора должен быть достаточно про­чен при абсолютной герметичности его стенок. Обязательны хорошая теплоизоляция стенок и их способность надежно противостоять коррозии. При этом необходимо предусмотреть возможность загрузки и опорожнения реактора, а также доступ к его внутреннему пространству для обслуживания.

Формы реакторов весьма разнообразны. Так, с точки зрения создания наиболее благоприятных условий для пе­ремешивания жидкого субстрата, накапливания газа, отво­да осадков и разрушения образующейся корки целесообраз­но использование резервуара, формой напоминающего яйцо. Крупные реакторы такой формы обычно сооружают из бетона, поэтому для них характерна высокая стоимость изготовления, что существенно ограничивает их применение. Зато подсобные реакторы меньших объемов достаточно нес­ложно выполнить из стеклопластика, то есть из полиэфир­ной смолы, армированной стекловолокном, и обходятся они не так уж и дорого.

Для цилиндрического резервуара с конусными верхней и нижней частями, как и для яйцеобразного, характерны не­большое пространство для накопления газа, ограниченный объем плавающей корки, а также хороший отвод шлама. Од­нако в подобных реакторах создаются менее благоприятные условия для перемещения жидкого субстрата. Резервуары большого объема такой формы, используемые в комму­нальных установках для очистки и разложения стоков, как и реакторы в форме яйца, изготовляют из бетона. Однако «ци­линдрические» реакторы несколько дешевле. В индивиду­альных хозяйствах реакторы вышеуказанной формы, но, естественно, меньшей вместимости, делают из стали или из стеклопластика. Кстати, в реакторах из стеклопластика легче достичь лучших условий перемещения субстрата.




Рисунок 2

Наиболее распространённые типы резервуаров биореакторов
а- в виде яйца, б- цилиндрический с конусными верхней и нижней частями, в- цилиндрический, г- цилиндрический с перегородкой, д-в виде паралелепипида (с перегородкой), е- цилиндрический (наклонно расположенный), ж- траншея в грунте (с крышкой).



Цилиндрические резервуары относительно просты в изготовлении, что объясняется обширным опытом строитель­ства емкостей для сельскохозяйственных целей (стальные, бетонные, стеклопластиковые цистерны-бункера для сило­са и других кормов). Однако по сравнению с резервуарами предыдущих форм в цилиндрическом резервуаре невозможно организовать достаточно хорошие условия для переме­щения субстрата, при этом приходится считаться с более высокими затратами на удаление осадка и разрушение пла­вающей корки, что связано с увеличением расхода энергии на перемешивание массы.



Рисунок 3

Двухкамерная биогазовая установка проточного типа 1-насос; 2-приёмная камера; 3-бродильная камера; 4-перемешивающее устройство; 5-нагреватель; 6-камера дображивания; 7-сборник сброженной массы; 8-шнек.

Если резервуар цилиндрической формы разделить по­перечной вертикальной перегородкой на две камеры, то мож­но организовать систему получения биогаза с поочередным использованием камер резервуара. Причем строительство резервуара с перегородкой обойдется дешевле, чем соору­жение двух отдельных резервуаров. Заметим также, что при такой компоновке уменьшается значение теплоизоляции на­ружных стенок резервуара, а в перегородку, выполняемую из достаточно теплопроводного материала, не очень сложно встроить какое-либо нагревательное устройство, что прида­ет установке дополнительные конструктивные выгоды.



Рисунок 4
^ Траншейная биогазовая установка 1-помещение для животных; 2-биореактор; 3-мешалка; 4-грейфер; 5-хранилище для сброженного навоза; 6-газгольдер.

В простых, большей частью небольших, биогазовых ус­тановках, сооружаемых собственными силами, обычно бро­дильная камера имеет форму параллелепипеда (бассейн или яма с крышкой). Для повышения эффективности такой реак­тор перегораживают вертикальной стенкой, создавая глав­ную бродильную камеру и камеру для окончательного сбраживания и осаждения шлама. Правда, установки подобного типа не позволяют достичь высокой степени разложения суб­страта, так как в них практически невозможно обеспечить ни равномерное перемешивание массы, ни управление загруз­кой рабочего объема камеры, ни соблюдение времени пре­бывания массы в реакторе, что необходимо для получения максимального количества газа. Да и разрушение плаваю­щей корки и осадка связано здесь с большими затратами.

В горизонтально расположенном резервуаре субстрат перемешивается в продольном направлении. Здесь для не­больших установок пригодны цилиндрические реакторы из стали или стеклопластика. Горизонтальные резервуары зна­чительной вместимости имеют форму параллелепипеда, и выполняют их из бетона.

Наклонное расположение таких резервуаров облегчает отекание шлама к выгрузочному отверстию. Такая конструк­ция удобна для размещения простейшего перемешивающего механизма.

Резервуар в виде вырытой в грунте траншеи позволяет обрабатывать большие количества субстрата. В качестве строительного материала для стенок реактора используют, как правило,бетон.

Теперь более подробно рассмотрим устройство неко­торых видов биогазовых установок, уже применяющихся в практике. Сейчас на основе резервуара в форме параллеле­пипеда с перегородкой разработана и надежно действует двухкамерная биогазовая установка проточного типа, где




Рисунок 5

Траншейная биогазовая установка 1-эластический сборник; 2-плиты из пенопласта; 3-бродильная камера; 4-нагреватель (бойлер).




Рис. 6.
^

Эластичный биореактор


субстрат направляется сначала в одну часть резервуара (бро­дильную камеру), а затем самотеком поступает в другую часть (камеру дображивания). Для повышения эффективности ра­боты такая установка снабжена перемешивающим устрой­ством в бродильной камере, нагревателем, шнеком для уда­ления крупных включений в осадке.

Все большее распространение получают траншейные биогазовые установки. Возьмем, например, траншейную ус­тановку из ФРГ. Здесь прямо из помещения, где содержат животных, навоз, разведенный водой, идет в биореактор, в котором сбраживается. В установке предусмотрены механи­ческое перемешивание субстрата и грейфер для погрузки сброженного навоза.

В другой траншейной установке (США) свежий жидкий навоз поступает в бродильную камеру сверху, а подогретая вода —• снизу. Газосборник установки эластичный, а на по­верхности сбраживаемого субстрата для теплоизоляции рас­положены пенопластовые плиты.

Обратим еще внимание читателей на эластичные реак­торы, обычно используемые в странах Юго-Восточной Азии. Подобные реакторы (емкости) делают из плотной прорезинен­ной ткани или из синтетической пленки. Для организации работы таких биореакторов их приходится либо заглублять в грунт, либо помещать внутри достаточно прочного «кругового» ограждения.

Схожі:

Серия \"Делаем сами\" iconСерия "Делаем сами"
Биогаз на сельском подворье. — Балаклея: Инфор­мационно-издательская компания "Балаклійщина", 2002. — 68 с
Серия \"Делаем сами\" iconДоннаса осуществляет подготовку по следующим направлениям (специальностям)
Мон украины серия ав №508610, от 18. 04. 2011 г., сертификат об аккредитации серия рд-іv №056286 от 18. 09. 2008 г
Серия \"Делаем сами\" iconУченые записки Таврического национального университета имени В. И. Вернадского. Серия: География. Том. 24 (63). − 2011. − № − Часть − С. 3-7
Андрусяк Н. С. Методика комплексної оцінки екологічного стану водних рекреаційних ресурсів // Ученые записки Таврического национального...
Серия \"Делаем сами\" iconПринцип остранения как монтаж и непрерывность
Ни ретроспективные, ни футурологические, толкования художественных образов сами по себе не содержат никакого нонсенса, но они остаются...
Серия \"Делаем сами\" iconПомощь кураторам
Профессиональные знания, умения и навыки сами по себе являются лишь инструментом, способным принести обществу и человечеству в целом,...
Серия \"Делаем сами\" iconПророческое служение Амвросия Оптинского
Их высокомерный покровитель был в слезах. А прозорливый подвижник следом вынес его ордена, которые свалились с мундира гостя сами...
Серия \"Делаем сами\" iconУчебное пособие для высших учебных заведений (Издание 6-е, переработанное и дополненное). Ростов н/Д: "Феникс", 2003. 576 с. (Серия "Высшая школа")
Философия: Учебное пособие для высших учебных заведений (Издание 6-е, переработанное и дополненное). Ростов н/Д: "Феникс", 2003....
Серия \"Делаем сами\" iconWww i-u. Ru
Кохановский В. П., Золотухина Е. В., Лешкевич Т. Г., Фатхи Т. Б. Философия для аспирантов: Учебное пособие. Изд. 2-е Ростов н/Д:...
Серия \"Делаем сами\" iconУчебник для вузов / Под ред. Г. С. Никифорова. 2-е изд., доп и перераб. Спб.: Питер, 2004. 639 с.: ил. (Серия «Учебник для вузов»)
Психология менеджмента: Учебник для вузов / Под ред. Г. С. Никифорова. — 2-е изд., доп и перераб. — Спб.: Питер, 2004. — 639 с.:...
Серия \"Делаем сами\" iconУчебник для вузов / Под ред. Г. С. Никифорова. 2-е изд., доп и перераб. Спб.: Питер, 2004. 639 с.: ил. (Серия «Учебник для вузов»)
Психология менеджмента: Учебник для вузов / Под ред. Г. С. Никифорова. — 2-е изд., доп и перераб. — Спб.: Питер, 2004. — 639 с.:...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи