Биогазовая установка

Введение

 

Актуальность данного проекта на наш взгляд заключается в том факторе, что способствует получению большого количества энергии, путем сбраживания экскрементов животных, получая "Биогаз", затрачивая при этом незначительные материальные средства.

Биогаз – смесь газов, основным компонентом которого является – метан. Образованный при анаэробном брожении органических отходов (навоза, листьев деревьев, трав и т. д.).

"Биогаз", состоит  на  65% из метана, 30% из углекислого газа, 3% из водорода и на 2% из азота. Его широкое использование как бытового и промышленного топлива экономически выгодно не только для селян, но так же и для городских мусороперерабатывающих заводов, свалок.

       Метан, болотный, или рудничный газ - CH₄, первый член гомологического ряда насыщенных углеводородов (алканов); бесцветный газ без запаха;          t_kип - 164,5 °С; t_пл - 182,5 °С; плотность по отношению к воздуху 0,554 (20 °С); горит почти бесцветным пламенем, теплота сгорания 50,08 МДж/кг (11954 ккал/кг); реакция горения:

 

CH₄ + 2O₂ à CO₂ + 2H₂O + 144,8 ккал/моль

 

Метан - наиболее термически устойчивый, насыщенный углеводород, основной компонент природных (77—99% по объёму), попутных нефтяных (31—90%) и рудничных  газов (34—40%). Встречается в вулканических  газах; непрерывно образуется при гниении органического веществ под действием метанобразующих бактерий в условиях ограниченного доступа воздуха (болотный газ, газы полей орошения).

С воздухом метан образует горючие смеси. При содержании в  воздухе до 5—6% метана - горит около источника тепла (температура воспламенения 650—750 °С), от 5—6% до 14—16% взрывается, свыше ~ 16% горит при притоке кислорода извне; снижение при этом концентрации метана может привести к взрыву.

Метановое брожение или биометаногенез – процесс превращения биомассы в энергию и был открыт в 1776 году Алессандро Вольта.

Цель нашего проекта состоит в том, чтобы обеспечить сельское население Казахстана энергией, газом и теплом, которые на данный момент требуют значительных затрат и сильно "бьют по кошельку" сельского населения (со средней заработной платой). Целью же внедрения установок нами, является, прежде всего – снижение количества сбрасываемых в реки Казахстана, органических отходов. Тем самым, научив людей ценить отходы, с целью вторичного их использования с пользой для себя. Так же наш проект способствует развитию стратегии «Казахстан 2030», основная задача которого заключается в том, чтобы в каждом сельском доме имелись газ, тепло и свет, жизненно необходимые каждому человеку.

 

1 Исследовательская часть

 

1.1 Основные задачи, стоящие перед проектом. Рассуждения и Факты

 

Концепция перехода к  устойчивому развитию государства  в значительной степени зависит  от устойчивости развития энергетики – системообразующей отрасли хозяйства, в соответствии со стратегией «Казахстан 2030». Многогранный эффект биоэнергетических технологий включает в себя энергетический, экологический и экономический компоненты.

На фоне возрастающей энергетической потребности мировые запасы топлива  истощаются. Запасов угля человечеству хватит приблизительно на 100 лет, запасов газа и нефти – на 40 лет. Проблемы сбережения природных ресурсов требуют противопоставления существующим технологиям производства энергии технологий, основанных на использовании альтернативных источников экологически чистой энергии. По данным Международного конгресса энергетиков, доля нетрадиционных и возобновляемых видов энергии в общем мировом энергетическом балансе к 2015 году увеличится до 4-5 %.

По сравнению с традиционными  видами топлив и другими альтернативными  источниками энергии биогаз сжигается в значительном количестве воздуха, благодаря чему обеспечивается высокий тепловой КПД и большая температура горения. Биогаз зажигается при любых температурах окружающей среды и обладает высокими противодетонационными свойствами.

Использование биогаза как топлива  позволяет получить значительный экологический эффект. Продукты энергетических процессов, связанных с использованием традиционных видов топлива, составляют 80 - 88% всех видов загрязнения биосферы. Для оценки вредных веществ в продуктах сгорания определены показатели суммарной экологической опасности. Показатели приведены к безразмерному виду: в количественном отношении пересчитаны на условное топливо, токсичность выражена как отношение предельно допустимой концентрации данного вещества к ПДК золы.

По сравнению с использованием природного газа, использование биогаза  экологически более предпочтительно  из-за меньшего содержания в продуктах  сгорания соединений серы, азота, углекислого газа, золы.        

Уменьшение отрицательного воздействия на окружающую среду в результате замены традиционных видов энергоносителей - биогазом, является лишь одной компонентой экологического эффекта рассматриваемого процесса (Рисунок-1).

Другая, не менее значащая составляющая, может быть определена как возвращение значительного количества отходов производства и потребления в производственный цикл и уменьшение ущерба, причиняемого окружающей среде в результате накопления отходов.

 

               

 

Рисунок-1. Обобщенная оценка загрязнения окружающий среды продуктами сгорания (%)

 

Первый принцип оптимального функционирования экосистем обосновывает движение энергетических потоков системы – получение ресурсов и утилизация отходов в рамках круговорота всех элементов системы. Этот принцип гармонирует с законом сохранения масс, поток энергии полностью соответствует первому началу термодинамики. Поэтому большой интерес представляет поиск резервов внутри экосистемы для повышения интегральной эффективности используемых технологий. Экологический эффект биоэнергетики в значительной мере позволяет разрешить проблему отходов производства и потребления, нарушающих природный баланс. Основным сырьём для биогазовых технологий являются твёрдые бытовые и сельскохозяйственные отходы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок-2. Составляющие интегрального положительного эффекта биогазовых технологий

1.2 Получение биогаза

 

Биогаз получают в  метантенке (реакторе), состоящем из системы термостатирования, отбора биогаза и перемешивания. Биореактор должен быть герметичным, поскольку анаэробные микроорганизмы чувствительны к кислороду.

Все большее распространение  получают траншейные биогазовые установки. Возьмем, например, траншейную установку  из ФРГ (Рисунок-3). 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.

 

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

 

  В другой (Рисунок-4) 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.

 

Рисунок-4. Треншейная биогазовая установка

 

Энергия, заключённая  в 1 м³ биогаза, эквивалентна энергии 0,6 м³ природного газа, 0,74 л нефти, 0,65 л дизельного топлива. Применяются три основных метода использования биогаза как энергоносителя: прямое сжигание, обогащение и производство электроэнергии.

Получение биогаза из разнообразных отходов птицеводства, животноводства и растениеводства  является одним из эффективных способов их утилизации и экономически выгодным источником дополнительной энергии (Рисунок-5). Использование биогазовых технологий на основе отходов животноводства позволяет не только получить товарный продукт – биогаз и экологически чистое удобрение, но и приводит к снижению загрязнения сточных вод, уменьшению вредных выбросов в атмосферу, уничтожению запаха, снижению эпидемиологической опасности. По обобщённым данным в результате действия цеха переработки жидкого навоза на Пярнуской свиноферме (Эстония) обеспечивалось снижение загрязнённости окружающей среды в 6,5 раз. Рисунок-5. Зависимость объема получаемого биогаза от продолжительности сбраживания навоза

 

 В основе биогазовых  технологий лежат сложные природные  процессы биологического разложения органических веществ в анаэробных условиях под воздействием особой группы анаэробных бактерий.

Наиболее распространенный способ получения энергии из биомассы — анаэробное (без доступа кислорода) сбраживание отходов сельскохозяйственного  производства. Получающиеся в результате этого процесса продукты — биогаз и перебродившая полужидкая масса —эффективное экологически безопасное органическое удобрение с необходимыми для растения биогенными макро- и микроэлементами, биологически активными веществами, витаминами, аминокислотами и т.д.

В качестве исходного  сырья могут быть использованы любые  жидкие быстроразлагающиеся органические отходы ферм, птицефабрик, маслобоен, мясоперерабатывающих производств и т.д.

В балансе сырья наибольшую часть составляет навоз животных (крупного рогатого скота, свиней, птиц). В странах Европейского союза он составляет 89% биомассы, перерабатываемой в биоэнергетических установках. Сырье для производства биогаза оценивается по выходу биогаза (м³) от единицы органической массы (ОМ) и единицы биомассы (БМ).

   В ниже приведенной табл. 1 представлены данные выхода биогаза из разных органических отходов.

  Как свидетельствуют данные, при переработке 1 т биомассы навоза свиней образуется от 8 до 40 м³ биогаза.

 

Таблица-1

 

Органическая масса	Использованная органическая масса (ОМ),%	Выход биогаза
		м3/кг ОМ	м3/т БМ
Навоз крупного рогатого скота	5-10	0,20-0,30	10-30
Навоз свиней	3-8	0,25-0,50	8-24
Птичий помет	7-24	0,35-0,60	25-144
Отходы бойни	16-20	0,4-0,61	84-366

 

Его состав зависит, прежде всего, от использованной биомассы и параметров процесса - температуры, рН, рабочего объема реактора.

   Одним из важных факторов, который влияет на производство биогаза, является температура. При ее повышении происходит увеличение скорости и степени ферментации сырья.

  Вторым немаловажным фактором является качество органического сырья. Оно должно быть доступно для разложения метанобразующими бактериями, с нейтральным значением рН, без содержания соединений, препятствующих росту бактерий, например: мыла, порошков, антибиотиков и пр.

Не менее важная сторона  применения биогазовых установок —  предотвращение загрязнения воздушного и водного бассейнов, почвы и  посевов благодаря утилизации и  дезодорации навозных стоков крупных  животноводческих ферм и комплексов.

Выход биогаза из 1 т  сухого вещества растительных отходов  и сорняков для различных растительных масс составляет: для соломы пшеничной - 342 м³; стеблей кукурузы - 420 м³; подсолнечниковой шелухи - 300; ботвы картофеля - 420 м³; сорной растительности - 500 м³. При этом коэффициент превращения органических веществ в биогаз достигает 0,9.

 

 

1.3 Принцип работы биогазовой установки

 

Схема биогазовой установки  показана на рис. 6 и рис. 7.

Жидкие навозные стоки  перекачиваются фекальными насосами по трубопроводу к биогазовой установке. Канализационная насосная станция (КНС) находится в специальном технологическом помещении. 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.

 

Рисунок-6. Схема биогазовой установки

 

Из ёмкости гомогенизации  отходов биомасса (навоз) поступает  в реактор (другое название биореактор, метантенк, ферментатор). Реактор является газонепроницаемым, полностью герметичным резервуаром из кислотостойкого железобетона. Это конструкция теплоизолируется слоем утеплителя. Толщина утеплителя рассчитывается под конкретные климатические условия. Внутри реактора  поддерживается фиксированная для микроорганизмов температура. Температура в реакторе мезофильная (30-41°С). Перемешивание биомассы внутри реактора производится наклонными миксерами, погружными мешалками. Материал всех перемешивающих устройств – нержавеющая сталь. Срок службы реактора более 25-30 лет.

 Подача навоза в  ферментатор происходит от 8 до 12 раз в сутки в программно-временном  режиме. 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 %.