Биоэнергетика и её направления

По суточной производительности существующие биогазовые системы и  установки можно разделить на 3 типа:

малые - до 50 м3/сут;

средние – до 500 м3 /сут;

крупные – до 30 тыс. м3/сут.

               Метатенковые и сельскохозяйственные биогазовые установки не имеют принципиальных отличий, за исключением используемого субстрата. Технологическая схема биогазовой сельскохозяйственной установки представлена на рис. 1.

               Согласно этой схеме навоз из животноводческого помещения (1) поступает в на копительную емкость (2), далее фекальным насосом (3) его загружают в метантенк — емкость для анаэробного сбраживания (4). Биогаз, образующийся в процессе брожения, поступает в газгольдер (5) и далее к потребителю Для нагрева навоза до температуры брожения и поддержания теплового режима в метантенке применяют теплообменник (6), через который протекает горячая вода, нагреваемая в котле (7) Сброженный навоз выгружают в навозохранилище (8).

Рис.1. Обобщенная схема  производства биогаза (сельскохозяйственная биогазовая [4]

                  Биореактор имеет тепловую изоляцию, которая должна стабильно поддерживать температурный режим сбраживания и поддаваться быстрой замене при выходе из строя. Обогрев биореактора осуществляется посредством размещения по периметру стенок теплообменников в виде спирали из труб, по которым циркулирует горячая вода с начальной температурой 60-70 °С. Такая низкая температура теплоносителя принята во избежание гибели метанообразующих микроорганизмов и налипания частичек субстрата на теплообменную поверхность, что может привести к ухудшению теплообмена.В биореакторе также имеются устройства для постоянного перемешивания навоза. Поступление навоза в метантенк регулируется так, чтобы процесс сбраживания протекал равномерно.

                  Во время сбраживания в навозе развивается микрофлора, которая последовательно разрушает органические вещества до кислот, а последние под действием синтрофных и метанообразующих бактерий превращаются в газообразные продукты — метан и углекислоту.

                  В метантенках обеспечиваются все необходимые параметры процесса—температура(33-37є С) , концентрация органических веществ, кислотность (6,8-7,4) и др. Рост клеток метанового биоценоза также определяется соотношением C:N, и оптимальное его значение составляет 30:1. Некоторые вещества, содержащиеся в исходном субстрате, могут ингибировать метановое сбраживание (табл. 1). Например, куриный помет часто ингибирует метановое сбраживание избытком NH3.

 

Таблица 1

Ингибиторы метанового сбраживания [2]

Вещество	Концентрация в субстрате, мг/л
Cu	10
Ca	8000
Na	8000
K	8000
Mg	3000
NH3	1500
Сульфиды	200
Нитриты	50

Биогаз, получаемый на полигонах ТБО

 

                 Процесс неуправляемого газообразования на полигонах бытовых и других отходов, содержащих большую долю органических компонентов, можно рассматривать как процесс получения метансодержащего газа в аккумулятивной системе, длительность процесса до полного разложения органической части здесь гораздо больше, чем в метатенках.

                В отечественной практике системы утилизации биогаза на полигонах ТБО пока не получили широкого распространения, поэтому при дальнейшем рассмотрении конструктивных особенностей систем сбора и транспорта биогаза будет учитываться зарубежный опыт. Принципиальная схема одной из таких систем на полигоне ТБО представлена на рис. 2. Система состоит из двух основных частей: газосборной сети, находящейся под разрежением, и распределительной сети потребителей биогаза, находящейся под избыточным низким или (реже) средним давлением.

 

 
Рис. 2. Устройство системы дегазации полигонах ТБО [3]

                  Ниже приводятся определения важнейших элементов системы сбора газа на полигоне, представленные на рис. 2, и требования к отдельным элементам системы.

                 Газовые коллекторы - это трубопроводы, проложенные в толще отходов, в которых создается разрежение. Как правило, они выполняются либо вертикально в виде газовых скважин, либо горизонтально в виде перфорированных трубопроводов, однако на практике применяются и другие формы (резервуары, гравийные или щебеночные камеры и др.).

                 Под сборными газопроводами понимаются газопроводы, находящиеся под разрежением и ведущие к части сборных коллекторов. Для компенсации просадок они имеют гибкое присоединение к газовому коллектору, в узле присоединения располагаются контрольно-измерительные приборы (для измерения давления) и штуцеры для отбора проб газа.

                В газосборном пункте объединяются сборные газопроводы. Газосборный пункт может быть выполнен в виде трубы, резервуара и т. п. и размещается в низшей точке с целью обеспечения сбора и отвода выпадающего конденсата. В газосборном пункте размещаются контрольно-измерительные приборы и устройства автоматики.

                Система отведения конденсата - это устройство на газопроводе для сбора и отвода конденсата в низшей точке системы трубопроводов. В зоне разрежения конденсат отводится через сифоны, в области избыточного давления - посредством регулируемых конденсатоотводчиков. Конденсат можно также отводить как в зоне разрежения, так и в зоне избыточного давления с помощью охлаждающего устройства.

              Всасывающим трубопроводом называют прямой участок трубопровода перед нагнетательным устройством, здесь также предусматриваются контрольно-измерительные приборы и устройства автоматики.

Нагнетательные устройства (вентилятор, воздуходувка и т. п.) служат для создания разрежения, необходимого для транспорта газа из тела захоронения  или для создания избыточного  давления при транспортировании  газа к месту использования (к факельной установке, к системе утилизации и т. п.).

             Компрессорная установка служит для повышения избыточного давления газа.

            В машинном отделении размещаются нагнетательные устройства. Традиционными конструкциями являются контейнеры, металлические кожухи или небольшие строения (гаражи, блочные конструкции и т. д.). На крупных установках газонагнетательные устройства располагаются в машинном зале, иногда они могут размещаться на открытых площадках под навесом.

             Под трубопроводами для транспорта газа понимается система трубопроводов для отвода газа с полигона под избыточным давлением.

              Факельная газовая установка - это устройство, необходимое для полного сжигания газа при отсутствии газопотребления, включая устройства автоматики безопасности и регулирования.

             В машинном зале или газосборном пункте размещаются установки для очистки или утилизации газа, а также пульт управления и другие устройства.

           Для обеспечения достаточного сбора газа на полигонах выдвигаются следующие требования: создание эффективного разрежения в толще захоронения; минимизация подсосов воздуха; обеспечение долговременной работоспособности системы при механических и статических нагрузках; обеспечение возможности сбора газа при длительной эксплуатации полигона или свалки; увязка производительности системы дегазации с интенсивностью образования газа; возможность расширения системы. Поэтому для сбора биогаза используются трубопроводные системы большой емкости со свободным доступом к ним и по возможности кратчайшей длины. Расположение коллекторов для сбора газа может быть горизонтальным, вертикальным или комбинированным, трубопроводы должны сохранять устойчивость и прочность на протяжении всего срока эксплуатации полигона. На вновь создаваемых полигонах или новых участках полигонов можно с наращиванием высоты отходов откачивать газ снизу или монтировать систему сбора газа с горизонтальными или слегка наклонными газопроводами, которая по мере заполнения полигона дополняется газовыми скважинами. На существующих участках полигонов, как правило, практикуется бурение скважин.

               В газовых скважинах вертикальных систем вследствие нагрузки сверху и давления сбоку возникают существенные механические напряжения, которые усиливаются при возникающих просадках за счет «отрицательного поверхностного трения». Для компенсации просадок скважины при глубине от 10 м необходимо выполнять телескопическими. Требования к материалу скважин обусловлены наличием в теле полигона фильтрата, в котором растворены, наряду с другими веществами, сероводород и органические кислоты. Наличие фильтрата создает коррозионную опасность и вызывает дополнительные напряжения за счет коррозионного растрескивания. По названным причинам при сооружении скважин используются коррозионно-стойкие синтетические материалы, рассчитанные на давление до 1 МПа.

              Во избежание расходов на бурение при эксплуатации полигона газовые скважины можно сооружать в процессе заполнения полигона. Технологию проведения работ можно коротко описать так: обсадная труба из стали или синтетических материалов поэтапно возводится одновременно с засыпкой отходов таким образом, чтобы на глубине не менее 2 м (при общей длине около 5 м) она оставалась бы в толще отходов, затем вносится следующий слой отходов примерно на 2 м и уплотняется. Уплотнитель (компактор или бульдозер) может при укладке отходов подъезжать вплотную к обсадной трубе. Затем обсадная труба снова поднимается на 3 м, труба колодца наращивается, а кольцевой зазор засыпается щебнем. За исключением собственно процесса вытягивания обсадной трубы газовая скважина может все время быть соединена с газосборной сетью. Устройство и пример конструкции такой обсадной трубы представлены на рис. 3.

 

Рис. 3. Схематичное представление  обсадной трубы [3]

 

1 - трубопровод для  отвода газа; 2 - соединительная муфта; 3 - засыпка из щебня; 4 - тело захоронения; 5 - обсадная труба; 6 - направляющий  элемент, 7- газонепроницаемая крышка; 8 - штуцер для отбора газа

Слабым звеном в газовых  скважинах является узел присоединения  к сборным газопроводам. Вследствие просадок различной величины (просадки могут достигать до 25 % толщины  захороненных отходов, т. е. при высоте засыпки 20 м возможна просадка 5 м) между газовой скважиной и присоединительным трубопроводом может возникнуть сильное напряжение от растяжения [3]. Поэтому переходник часто выполняется из эластичного материала. Применяемые ранее полиэтиленовые шланги обычно становятся хрупкими, особенно под действием солнечного света, появляются трещины, нарушается герметичность. Поэтому сейчас во многих случаях используются рукава из хромированной стали. При монтаже необходимо принимать во внимание, что в таком гибком соединительном элементе не должно образовываться конденсатных мешков, которые могут стать гидравлическими затворами.

              Горизонтальные или наклонные системы состоят из дренажных перфорированных трубопроводов диаметром 100-150 мм с отверстиями диаметром 5 мм или щелями размером 5x20 мм., расположенных на разных уровнях захороненных отходов, и обкладываемых пригодным для дренажа материалом (щебнем, гравием, керамзитом, строительными отходами). На конечном участке они выполнены в виде сплошной трубы и на выходе из покровного слоя полигона или из толщи отходов присоединяются непосредственно к сборному трубопроводу. Горизонтальный дренаж прокладывается на достаточно небольшом по вертикали расстоянии (6-8 м). Расстояние по горизонтали между отдельными дренажными трубами составляет около 30 м. Условный диаметр дренажной трубы принимается равным 250 мм, трубы изготавливаются из температуростойких искусственных-материалов, так как на существующих полигонах значение температуры в толще отходов достигало 70 °С.

                Несмотря на относительно большой диаметр, отдельные ветви системы через несколько лет имеют, как правило, весьма ограниченную производительность, так что после окончательного заполнения соответствующего участка полигона требуется дополнительная дегазация через вертикальные коллекторы.

                Газосборные пункты сооружаются у границы полигона в виде блочных бетонных зданий, при эксплуатации которых необходимо соблюдать требования по взрывозащите. Альтернативным вариантом является размещение узлов сбора газа на открытой площадке.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

 

1. Благутина В.В. Биоресурсы // Химия и жизнь – 2007. - №1. –  С. 36-39

2. Малофеев В.М. Биотехнология  и охрана окружающей среды:  Учебное пособие. – М.: Издательство Арктос, 1998. – 188 с.

3. Мариненко Е.Е. Основы получения  и использования биотоплива для  решения вопросов энергосбережения  и охраны окружающей среды  в жилищно-коммунальном и сельском  хозяйстве: Учебное пособие. –  Волгоград: ВолгГАСА, 2003. - 100 с.

4. Стребков Д.С., Ковалев А.А. Биогазовые  установки для обработки отходов  животноводства. // Техника и оборудование  для села – 2006. - №11. – С.28-30