Сырье и его подготовка для биогазовых установок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сырье и его подготовка для биогазовых установок

А.С. ДОБЫШЕВ

А.А. ОСТРЕЙКО

С.П. КОКИЦ

В статье раскрыт потенциал, которым обладают предприятия республики для производства биогаза и биоудобрений. Рассмотрены технологическая схема получения биогаза и конструкции биогазовых установок. Подробно анализируются различные виды сырья, их особенности и параметры, влияющие на повышение выхода биогаза. Обоснована необходимость смешивания сырья и предварительной его подготовки перед подачей в реактор. Предложена схема установки для измельчения и смешивания растительной и животной биомассы перед загрузкой в реактор.

The article examines the potential of enterprises of the republic for the production of biogas and bio-fertilizers. We have examined the technological scheme of obtaining biogas and the construction of biogas devices. We have made detailed analysis of different types of raw material, their peculiarities and the parameters, which influence biogas output increase. We have based the necessity of mixing raw material and its preconditioning before placement into the reactor. We have suggested a scheme of a device for chopping and mixing of plant and animal biomass before loading into the reactor.

В мире наблюдается повышенный интерес к возобновляемым источникам энергии, связанный с непрерывно уменьшающимися запасами энергоносителей, их удорожанием, ухудшением экологии, а также желанием многих стран достичь определенного уровня энергетической безопасности. Среди промышленно развитых стран ведущее место в производстве и использовании биогаза принадлежит Дании - до 18% занимает биогаз в ее общем энергобалансе, однако по количеству средних и крупных биогазовых установок лидирует Германия - 8000 шт. [1]. Республика Беларусь обладает значительными запасами сырья для биогазовых установок. Только из навозных стоков животноводческих ферм, комплексов и куриного помета птицефабрик ежегодно можно получать около 2,5 млрд. м³ биогаза, что способствовало бы ежегодной экономии около 2,9 млн. т. у. т. [2], или более 10% импортируемого из России природного газа. Повышение выхода биогаза невозможно без глубокого анализа факторов, влияющих на этот процесс. Основным из них является сырье, из которого он производится и которое зачастую является невостребованным. Для его использования необходимо знать компоненты сырья и их влияние на процесс выхода биогаза.

Целью данных исследований является анализ сырья для биогазовых установок, выявление факторов, способствующих увеличению выработки биогаза, в том числе из смесей отходов животноводства и растениеводства, повышению его качества, выявление особенностей подготовки сырья перед подачей его в реактор. На основании результатов анализа разработать конструкцию измельчителя - смесителя отходов животноводства и растениеводства. биогаз реактор установка

Анализ источников

Для оценки известных конструкций биогазовых установок, используемого сырья, анализа параметров оптимизации процесса сбраживания, а также разработки схемы установки для предварительного измельчения и смешивания растительной и животной биомассы перед загрузкой в реактор были использованы различные литературные источники, материалы научных конференций, симпозиумов, интернет-ресурсы, посвященные решению данной проблемы.

Методы исследования

Исследования выполнялись путем сравнения и логического анализа различных характеристик и параметров сырья для получения биогаза, а также особенностей конструкций биогазовых установок.

Основная часть

Одним из направлений биоэнергетики является переработка биомассы методом метанового брожения с получением биогаза (метан - 40-70%, углекислый газ - 30-60%, сероводород - до 3%, водород до 1% и др. газы - 1-5% [3, 4]) и обеззараженных органических удобрений. Важность утилизации биомассы в сельском хозяйстве республики, где расходуется большое количество топлива и непрерывно растет потребность в высококачественных удобрениях, чрезвычайно высока. Так, переработка в биогазовых установках навозных стоков и куриного помета от всего поголовья скота и птицы позволила бы ежегодно замещать 256 тыс. тонн азотных, 43 тыс. тонн фосфорных и 287 тыс. тонн калийных удобрений, что составило бы 63, 33 и 73% их годового потребления соответственно [2].

В мире известно около 60 разновидностей различных биогазовых технологий, в которых основное место отведено биогазовым установкам, представляющим собой герметически закрытую емкость, где при определенной температуре в анаэробных условиях происходит сбраживание собранного и подготовленного сырья с получением биогаза [5].

Существующие биогазовые установки классифицируют по методам загрузки сырья, методам сбора биогаза, по используемым для их сооружения материалам, горизонтальному или вертикальному расположению реактора, подземной или наземной конструкции, а также по использованию дополнительных устройств [4]. В зависимости от исходного сырья различают сельскохозяйственные, коферментационные, промышленные биогазовые установки и установки, работающие на газе, получаемом в результате переработки мусора [6]. Сырьем для биогазовой установки служит навоз (как плотный, так и жидкий), отходы пищевой промышленности, пищевые и кормовые остатки, барда, биомусор (коммунальные отходы и др.), а также энергетические растения, такие как кукуруза, зерновые, подсолнечник, различные травы, а также свекла, силос и т. д. [7]. Биогазовые технологии наиболее эффективно используются для переработки отходов животноводческих и птицеводческих ферм, предприятий АПК и сточных вод, так как они характеризуются постоянством потока отходов во времени и простотой их сбора. Типичная схема технологического процесса переработки различных видов сырья в биогаз представлена на рис. 1.

Рис.1. Схема технологического процесса переработки сырья в биогаз:

1 - ферма; 2 - навозоприемник; 3 - бункеры-накопители биогенных отходов; 4 - резервуар пастеризации (санация); 5 - силосная яма; 6 - шнековый загрузчик; 7 - реактор; 8 - газгольдер; 9 - мини-ТЭЦ; 10 - хранилище биоудобрений; 11 - сельскохозяйственные поля; 12 - трансформатор для подачи энергии в сеть; 13 - потребители тепла

Растительное сырье (силос, солома, мякина), собранное с полей 11, загружается из хранилища 5 и подается шнековым загрузчиком 6 в реактор 7, одновременно с этим отходы животноводства (навоз КРС, свиней и др.), собранные с фермы 1 в навозоприемник 2, где происходит их гомогенизация, также перекачиваются насосом в реактор 7. Известны установки с емкостью предварительного смешивания, измельчения и подогрева сырья перед подачей его в реактор. Биогенные отходы (кухонные отходы, черствый хлеб и выпечка, листва, фрукты-паданцы и др.) складируются в специальных бункерах-накопителях 3, а затем, пройдя резервуар пастеризации 4, подаются в реактор. Реактор 7 обычно теплоизолирован и сделан из бетона или стали. Он работает без доступа воздуха, герметичен и взрывобезопасен. Образующийся в процессе ферментации в реакторе 7 биогаз собирается в газгольдере 8, а затем поступает на мини-ТЭЦ 9 для выработки тепловой и электрической энергии, которая подается потребителям тепла 13, а также с помощью трансформатора 12 в электрическую сеть. Часть тепловой энергии отбирается на подогрев реактора 7. Полученное в процессе ферментации биоудобрение подается в хранилище 10, которое может быть открытым или закрытым, и соединяется с газгольдером 8 для сбора остаточного биогаза. Затем биоудобрения вносятся машинами типа МЖТ-8 и другими на поля 11, а также при необходимости разделяются на жидкую и твердую фракции и раздельно вносятся в почву. Биоудобрения могут также использоваться в качестве активных добавок для повышения эффективности кормов для животных. В процессе анаэробной переработки сырья происходит обеззараживание их от всех видов патогенной микрофлоры. В простых биогазовых установках перерабатывают только однородные и жидкие органические отходы: экскременты КРС, свиней, птиц и т.д. В более сложных биогазовых установках перерабатывают и другие виды органических отходов - растительные остатки и твердые мусорные отходы. Качество загружаемого в реактор сырья характеризуется влажностью, выходом биогаза на единицу сухого вещества и содержанием метана в биогазе. Влажность сырья, загружаемого в реактор биогазовой установки, должна быть не менее 85% в зимнее время и 92% в летнее время года [4] , а объем вырабатываемого биогаза напрямую зависит от вида используемого сырья и температуры процесса сбраживания.

Выход газа (табл. 1) из биогазовой установки подсчитывается в литрах или кубических метрах на килограмм сухого вещества, содержащегося в сырье [4].

Таблица 1. Выход биогаза и содержание в нем метана при использовании разных типов сырья

При оценке сырья необходимо учитывать, что только из органической части сухой массы можно произвести метан [8]. Содержание сухой органической массы в соотношении с общей массой является основным критерием для выбора составляющих смеси различных видов сырья. Органическое вещество состоит из протеина, жиров, а также легко и тяжело разлагаемых углеводов, процентным содержанием которых в сырье определяется выход газа и процент метана в нем. Максимальное количество метана в биогазе получается из протеинов - 71%; жиры дают 68%, а углеводороды - лишь 50% [9]. Исходя из выхода газа, предпочтение отдается смесям сырья с высоким содержанием жиров и протеинов.

Неорганический компонент сырья, состоящий из песка, земли, камней, металлических включений и других примесей, попадающих в собранный урожай и навоз либо в органические отходы, приводит к проблемам из-за способности его к оседанию, забиванию коммуникаций и связанным с этим поломкам.

С точки зрения выхода газа лучший результат дают отходы зерна, свекла и картофель. Выход газа из энергетических растений составляет 300 л метана на килограмм органического сухого субстрата с отклонениями до ±30% [9].

Существенно большую разницу проявляют энергетические растения при расчете выхода с гектара. Самый высокий выход метана с одного гектара посевной площади из сухой массы у свеклы и урожайных силосных сортов кукурузы. Он составляет свыше 6000 м³/га [9], поэтому силосная кукуруза на сегодняшний день является самой важной культурой для использования в биогазовых установках. На выход биогаза существенное влияние оказывают сроки хранения сырья перед загрузкой его в реактор и степень гомогенизации. Известно [10], что выход биогаза снижается с 0,617 до 0,231 м³/кг при использовании куриного помета, хранящегося более 14 суток, по сравнению со свежесобранным. Это связано с повышением концентрации летучих жирных кислот и понижением уровня pH длительно хранящегося помета, что оказывает отрицательное воздействие на процесс производства биогаза.

Установлено, что гомогенизация навоза КРС интенсифицирует процесс газовыделения, повышая производство биогаза с 0,174 до 0,380 м³/кг [10].

Смешивание различных видов сырья также способно вызвать увеличение производства биогаза. Так, при совместном использовании навоза КРС и помета птиц выход биогаза составил 0,528 м³/кг, тогда как при однокомпонентном использовании навоза КРС не превышал значения 0,380 м³/кг [10].

Среди остатков и отходов сельскохозяйственного производства наиболее богаты питательными веществами, необходимыми для метанового брожения, экскременты животных. Однако они очень различаются между собой как по наличию отдельных компонентов, так и по химическому составу в зависимости от того, о каком виде животных идет речь и какой корм эти животные потребляют. Кроме того, отходы животноводства в зависимости от способа содержания животных могут включать в себя самые различные количества воды, подстилочного материала и остатков корма [11].

Принципиальным является тот факт, что, чем выше степень измельчения сырья, тем больше выход биогаза, так как бактериям легче и быстрее его разлагать. Кроме того, его проще перемешивать, смешивать с другими видами сырья и подогревать без образования плавающей корки или осадка. Измельченное сырье влияет на количество произведенного газа через длительность периода брожения. Чем короче период брожения, тем лучше должен быть измельчен материал. Поэтому твердые материалы, в особенности растительного происхождения, должны быть предварительно подготовлены с помощью режущих, разрывающих или плющильных устройств [12].

Доля взвешенных в жидкости твердых частиц в значительной мере зависит от технических средств, которые используются для перемешивания, гидравлического транспортирования субстрата и отделения газа. Современный уровень развития техники позволяет перерабатывать в сельскохозяйственных биогазовых установках субстраты с содержанием твердых веществ до 12%, при длине частиц отдельных волокнистых и стеблевидных твердых компонентов, не превышающей 30 мм [11,12].

Огромный потенциал отходов растениеводства, отходов очистки и переработки зернового сырья остается в настоящий момент невостребованным. Так, например, рапс возделывается в республике на значительных площадях, рапсовая солома не используется на корм скоту, ее измельчают и запахивают в почву, а можно было бы собрать и переработать в биогазовых установках совместно с навозом животных и птицы, впрочем, как и другие виды соломы.

Для измельчения растительных отходов и смешивания их с твердой фракцией навоза перед подачей в реактор нами предлагается специальная установка (рис. 2), в которой предварительно измельченное комбайном растительное сырье совместно с навозом загружается в приемный бункер 1 и шнеком 14 подпрессовывается и подается к измельчителю ножевого типа.

Рис. 2. Схема предлагаемого измельчителя-смесителя: 1 - приемный бункер; 2 - неподвижные ножи; 3 - распорные шайбы; 4 - подвижные ножи; 5 - регулировочные болты; 6 - автомат отключения; 8 - откидная крышка с отверстием; 9 - конечный выключатель; 10,11 - плющильные вальцы; 12 - жижесборник; 13 - вал; 14 - шнек; 15 - шкив; 16 - специальный поводок; 7,17 - срезные шпильки; 18 - электродвигатель

В аппарате имеются подвижные 4 и неподвижные 2 ножи, между которыми размещены распорные шайбы 3 определенной толщины. Для перемещения блока неподвижных ножей предусмотрены регулировочные болты 5. От механических поломок ножи 2 и 4 предохраняет автомат отключения 6. Затем измельченное до необходимой величины частиц сырье поступает на плющильные вальцы 10 и 11 с разной угловой скоростью вращения и в виде однородной кашеобразной массы подается в жижесборник 12 для дальнейшего смешивания и подачи в реактор.

Измельчающий аппарат приводится в работу электродвигателем 18 с помощью клиноременной передачи. Для защиты измельчителя от поломок на валу шнека 13 жестко закреплен специальный поводок 16 со срезной предохранительной шпилькой 17.

Регулировка степени измельчения сырья достигается изменением количества ножей режущего аппарата и угла установки лезвия первого подвижного ножа 4 аппарата относительно конца витка шнека 14.

Применение данной установки позволит измельчать отходы растениеводства, например рапсовую солому и др., а также твердый, в том числе подстилочный, навоз с одновременным их смешиванием.

Заключение

Определен потенциал республики по переработке отходов растениеводства и животноводства для производства биогаза и биоудобрений, рассмотрен вопрос классификации биогазовых установок и их устройство, уточнена схема технологического процесса производства биогаза с применением предлагаемой нами установки для измельчения и смешивания отходов растениеводства и животноводства, проведен анализ состава сырья, определены факторы и параметры, способствующие повышению выработки биогаза. Предложена схема установки для измельчения и смешивания отходов растениеводства и животноводства перед подачей в реактор и изготовлен макетный образец измельчителя-смесителя.

Литература

1. Новые системные технологии. Биогаз - голубое топливо XXI века [Электронный ресурс]. - 2011. - Режим доступа: http://www.ooonst.by/index/pro/cor/env/id/eq/3 - Дата доступа: 16.03.2012.

2. Белорусское сельское хозяйство. Ежемесячный научно-практический журнал. Биогазовые технологии -- на службу сельскохозяйственному производству [Электронный ресурс]. - 2008. - Режим доступа: http://agriculture.by/?p=566 - Дата доступа: 16.03.2012.

3. EcoEnergy. Новости альтернативной энергетики. Технология производства биогаза [Электронный ресурс]. - 2011. - Режим доступа: http://ecoenergy.org.ua/biotoplivo/texnologiya-proizvodstva-biogaza.html - Дата доступа: 16.03.2012.

4. Веденеев, А.Г. ОФ «Флюид». Биогазовые технологии в Кыргызской Республике / А.А. Веденеев, Т.А. Веденеева. -- Бишкек, 2006. -- 90 с.

5. Тенденции развития сельскохозяйственной техники за рубежом / под общ. ред. А.А. Ежевского, В.И. Черноиванова, В.Ф. Федоренко. - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2007. - 308 с.

6. VADO Group. Возобновляемые источники энергии [Электронный ресурс]. - 2012. - Режим доступа: http://www.vado.by/index.php?id=815 - Дата доступа: 16.03.2012.

7. BioEnergy. Сырье для производства биогаза [Электронный ресурс]. - 2011. - Режим доступа: http://bio-energy.com.ua/index.php?option=com_content&view=article&id=1002&Itemid=100 - Дата доступа: 20.03.2012.

8. BIOGAS. Ежегодная конференция. Биогаз [Электронный ресурс]. - 2007. - Режим доступа: http://www.biogasinfo.ru/about - Дата доступа: 20.03.2012.

9. ВИЭ своими руками. Биогазовые установки. Практическое пособие. Вид и состав субстратов [Электронный ресурс]. - 2011. - Режим доступа: http://futureenergy.ru/biogazovye-ustanovki-prakticheskoe-posobie-vid-i-sostav-substratov - Дата доступа: 20.03.2012.

10. Студенческий клуб «Альтернатива»: сб. науч. тр. студентов России. Биогазификация органических отходов сельскохозяйственного производства [Электронный ресурс]. - 2011. - Режим доступа: http://cs-alternativa.ru/text/1806/4 - Дата доступа: 18.03.2012.

11. Баадер В. Биогаз: теория и практика / В. Баадер, Е. Доне, М. Бренндерфер. - М.: Колос, 1982. - 148 с.

12. Биомасса как источник энергии: пер. с англ. / под ред. С. Соуфера, О. Заборски. - М.: Мир, 1985. - 368 с.

Размещено на Allbest.ru