Получение биогаза, перспективы развития

 

Содержание

Введение      

1.          

 

 

Введение

 

В мировой  практике газоснабжения накоплен достаточный  опыт использования возобновляемых источников энергии, в том числе энергии биомассы. Наиболее перспективным газообразным топливом является биогаз, интерес к использованию которого в последние годы не только не убывает, но и продолжает возрастать. Под биогазами подразумеваются метансодержащие газы, которые образуются при анаэробном разложении органической биомассы. В зависимости от источника получения биогазы подразделяются на три основных вида:

- газ метантенков,  получаемый на городских очистных  канализационных сооружениях (БГ КОС);

- биогаз, получаемый  в биогазовых установках (БГУ)  при сбраживании отходов сельскохозяйственных производств (БГ СХП);

- газ свалок, получаемый на полигонах отходов,  содержащих органические компоненты (БГ ТБО).

В своей работе я рассмотрела  технологии получения этих газов, их состав, методы подготовки биогаза к использованию, а именно методы очистки от балластных веществ. Биогаз обладает широким спектром использования, который я коротко рассмотрела в этой работе.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Биогаз как нетрадиционный источник энергии

 

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 гг.

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.

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 — газ, получаемый водородным или метановым брожением биомассы.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.

 

2. Производство

 

Существуют промышленные и кустарные установки. Промышленные установки отличаются от кустарных  наличием механизации, систем подогрева, гомогенизации, автоматики. Наиболее распространённый промышленный метод - анаэробное сбраживание в метантенках.

Хорошая биогазовая установка  должна иметь необходимые части:

Емкость гомогенизации

Загрузчик твердого (жидкого) сырья

Реактор

Мешалки

Газгольдер

Система смешивания воды и отопления

Газовая система

Насосная станция

Сепаратор

Приборы контроля

КИПиА с визуализацией

Система безопасности

Принцип работы установки.

Биомасса (отходы или  зеленая масса) периодически подаются с помощью насосной станции или  загрузчика в реактор. Реактор представляет собой подогреваемый и утепленный резервуар, оборудованный миксерами. Стройматериалом для промышленного резервуара чаще всего служит железобетон или сталь с покрытием. В малых установках иногда используются композиционные материалы. В реакторе живут полезные бактерии, питающиеся биомассой. Продуктом жизнедеятельности бактерий является биогаз. Для поддержания жизни бактерий требуется подача корма, подогрев до 35-38°С и периодическое перемешивание. Образующийся биогаз скапливается в хранилище (газгольдере), затем проходит систему очистки и подается к потребителям (котел или электрогенератор). Реактор работает без доступа воздуха, герметичен и неопасен, рис. 1.

 

Рис. 1

биогаз органический отходы анаэробное сбраживание

Для сбраживания некоторых  видов сырья в чистом виде требуется  особая двухстадийная технология. Например, птичий помет, спиртовая барда не перерабатываются в биогаз в обычном реакторе. Для переработки такого сырья необходим дополнительно реактор гидролиза. Такой реактор позволяет контролировать уровень кислотности, таким образом бактерии не погибают из-за повышения содержания кислот или щелочей. Возможна переработка этих же субстратов по одностадийной технологии, но при коферментации (смешивании) с другими видами сырья, например, с навозом или силосом.

Факторы, влияющие на процесс  брожения

Температура

Влажность среды

Уровень рН

Соотношение C : N : P

Площадь поверхности  частиц сырья

Частота подачи субстрата

Замедляющие вещества

Стимулирующие добавки

Температура.

Метановые бактерии проявляют  свою жизнедеятельность в пределах температуры 0-70ºС. Если температура выше они начинают гибнуть, за исключением нескольких штаммов, которые могут жить при температуре среды до 90ºС. При минусовой температуре они выживают, но прекращают свою жизнедеятельность. В литературе как нижнюю границу температуры указывают 3-4ºС.

Площадь поверхности  частиц сырья.

Принципиальным является, что чем меньше частички субстрата, тем лучше. Чем больше площадь  взаимодействия для бактерий и чем  более волокнистый субстрат, тем  легче и быстрее бактериям  разлагать субстрат. Кроме того, его проще перемешивать, смешивать и подогревать без образования плавающей корки или осадка. Измельченное сырье имеет влияние на количество произведенного газа через длительность периода брожения. Чем короче период брожения, тем лучше должен быть измельчен материал.

При достаточно длительном периоде брожения количество выработанного  газа снова увеличится. При использовании  измельченного зерна этого уже  удалось достичь через 15 дней.

3. Состав биогаза

 

Состав и  количество биогаза не являются постоянными  и зависят от вида перерабатываемого субстрата и от технологии производства биогаза. Усредненный состав биогазов в соответствии с приведенной классификацией представлен в табл. 2.

 

Таблица 2

Классификация и состав биогазов [3]

Компоненты биогаза	Содержание компонентов, % об.
	БГКОС	БГСХП	БГТБО
CH4	60-65	55-75	35-80
СО2	16-34	27-44	0-34
N2	0-3	0-3	0-82
О2	-	-	0-31,6
Н2	-	0,01-0,02	0-3,6
СО	-	0,01-0,02	2,8
H2S	-	до 1,0	0-70 ррт

 

Газ метантенков городских  канализационных очистных сооружений характеризуется более стабильным составом. Содержание основного горючего компонента - метана - на разных очистных сооружениях изменяется от 60 до 65 % по объему. Более значительные колебания состава газа наблюдаются при переработке отходов сельскохозяйственного производства, при этом в газе присутствует некоторое довольно значительное количество сероводорода. Поэтому перед использованием требуется очистка газа от H₂S.

Процессы  образования первых двух видов биогазов протекают в стационарных устройствах. Технологические параметры процесса (расход и влажность субстрата, температура брожения, длительность сбраживания) более или менее управляемы. Иная ситуация наблюдается на полигонах и свалках отходов, где биологическое разложение слоев мусора происходит с течением времени (пригодный к использованию биогаз образуется примерно через 10-15 лет), причем процесс газообразования неуправляем. Для сбора газа бурятся скважины или газовые колодцы. Конструкция и способ эксплуатации скважины, содержание влаги в толще отходов оказывают дополнительное влияние на состав газа. Содержание метана в газе может изменяться в широких пределах (35-80 %). Помимо метана и балластных азота и углекислого газа могут присутствовать сернистые соединения, меркаптаны, галогенсо-держащие соединения, ароматические углеводороды (всего более 100 компанентов).

Из 1 тонны сухого органического  вещества в результате анаэробной переработки  сельскохозяйственных отходов можно  получить:

• из свиного навоза - 500 м³ биогаза (360 т у. т.);
• из навоза молочных коров - 350 м³ биогаза (250 т у. т.);
• из навоза откормочного КРС - 450 м³ биогаза (321 т у. т.);
• из птичьего помета - 660 м³ (428 т у. т.) [3] .

4. Основные направления и мировые лидеры использования биогаза

 

Достаточно высокое содержание метана в биогазе, а следовательно, и высокая теплота сгорания, предоставляют широкие возможности применения биогаза. При разработке систем по производству и использованию биогаза выбираются оптимальные варианты комплектации установок из множества возможных с учетом многочисленных местных и внешних условий. С точки зрения утилизации энергии биогаза можно выделить следующие

• газов на сушку сельхозпродукции или обогрев сельскохозяйственных зданий;

в теплицах для  отопления и подкормки растений углекислым основные направления его использования:

• для покрытия собственных энергетических нужд БГУ (в наиболее холодный период года практически весь потенциал биогаза используется для энергообеспечения установки);
• в качестве топлива для получения горячей воды или пара на покрытие технологических нужд очистных сооружений или сельскохозяйственных производств;
• для сушки сброженного осадка;
• в качестве топлива для получения теплого воздуха или горячих газом;
• для замены мазута при термической переработки отходов (25 т мазута в сутки заменяется 45000 м³биогаза);
• в качестве горючего для двигателей транспортных средств;
• для получения электроэнергии;
• для подпитки сетей природного газа.

На метане могут работать как карбюраторные, так и дизельные двигатели, но поскольку метан является высокооктановым топливом, более эффективно его использование в дизельных двигателях. Абсолютный объем биогазов, необходимый для выработки энергии, эквивалентной полученной при сжигании 1 л бензина, составляет 1,33-1,87 м³ при сжигании 1 л дизельного топлива - 1,50-2,07 м³ [3].

После получения  биогаза на сельскохозяйственных установках обработанный навоз используют в  качестве удобрений. Метановое сбраживание навоза обеспечивает его дезодорацию, дегельминтизацию, уничтожение способности семян сорных растений к всхожести, перевод удобрительных веществ в легкоусвояемую растениями минеральную форму. При этом питательные (для растений) вещества — азот, фосфор и калий — практически не теряются.

На основании  результатов, полученых на экспериментальных установках, руководство Центра энергосбережения (ЦЭТ) приняло решение о строительстве полномасштабной биогазовой установки для обработки помета на ПТФ «Юдинская». Стоимость строительства составит 6,2 млн руб , окупаемость — 2,7 года [4] .

Биогаз все чаще используют в качестве замены традиционных источников энергии. В Китае с середины 70-х годов XX века действует национальная программа по получению биогаза из отходов животноводства. К 2004 году в этой стране работало 10 млн. фермерских биореакторов, кроме того, 64 тысячи биогазовых станций, обеспечивающих работу 190 электростанций и более 60% автобусного парка [1]. Китай — безусловный мировой лидер биогазовой промышленности.