Биогазовые технологии (стр. 3 )

Технология производства позволяет по желанию заказчика регулировать питательные свойства удобрения путем изменения состава.

Для сравнения приведем состав основных производимых органических биогрунтов и органического удобрения из куриного помета (табл. 6).

Производство продукции не требует больших энергетических затрат. Дефицитные сырье и материалы не используются.

Таблица 6. Качественный состав основных органических биогрунтов

№	Наименование	Азот, мг/100г	Фосфор, мг/100г	Калий, мг/100г	Кальций, мг/100г	Магний, мг/100 г	Железо, мг/100г
1	Биогумус «Живая земля»	250	500	500	6000	300	250
2	«Фарт» «Исполин»		2000	9000	500	200	100
3	Органическое удобрение (Био-С)					100-400	100-300

Положительными эффектами от применения удобрения являются: удобрение обеспечивает сбалансированное питание всех сельскохозяйственных культур и создает условия для получения экологически чистой продукции; сокращает сроки созревания урожая; при использовании удобрения резко улучшается состав и свойства почв; восстанавливается плодородный гумусный слой почв; восстанавливается оптимальная кислотность почв; восстанавливается полезная микрофлора и подавляется рост вредной микрофлоры; повышается устойчивость сельскохозяйственных культур к неблагоприятным факторам среды (засуха, наводнение, заморозки) и заболеваниям (грибковые заболевания и бактериальные заболевания).

Анализ известных данных об экономической эффективности процесса анаэробного сбраживания

Существуют различные биогазовые технологии, каждая из них имеет свои преимущества и недостатки. На выбор оптимального варианта, безусловно, часто влияют экономические условия. Не всегда представляется возможным сделать всесторонний расчет для каждого варианта. Таким образом, выбор следует делать рационально, проводя подробные расчеты по всем вариантам.

Численное исследование выбираемого варианта биоэнергетической установки крайне важно для успеха проекта в целом, поэтому такой расчет должен быть достоверным и учитывать все возможные расходы и прибыли (табл. 7).

Таблица 7. Биоэнергетическая технология: затраты и прибыли

Затраты	Прибыли
Закупка субстрата	Замена тепловой и электроэнергии
Транспортировка субстрата	Реализация электроэнергии
Хранение субстрата	Реализация тепловой энергии
Предварительная обработка субстрата (при необходимости)	Реализация топлива
Инвестиции в установку в целом, включая планирование и помещение, все хранилища и передвижное оборудование/автомобили	Замена удобрений
Разрешения, экспертизы (если необходимо)	Торговля сертификатами, полученными за снижение выбросов
Работники для обслуживания установки
Техническое обслуживание
Ремонт, запасные части
Энергия для работы установки
Производственные ресурсы (для стационарного и передвижного оборудования)
Обработка отходов
Хранение отходов
Транспортировка отходов
Утилизация отходов (при необходимости)
Стоимость финансирования (например, проценты)

Приведенные ниже значения затрат являются ориентировочными и позволяют получить предварительные данные о масштабах затрат. При технико-экономическом обосновании необходимо учитывать:

·  капитальные затраты (годовая амортизация; для теплоэлектроустановок приблизительно 650 $/кВт установленной мощности);

·  сумму процентов по кредитам (приблизительно 7% от суммы капиталовложений), в среднем ставки процента по промышленным кредитам в России варьируются в пределах от 15 до 23%;

·  энергопотребление (для теплоэлектроустановок составляет приблизительно 3% от производимой электроэнергии);

·  техническое обслуживание (для теплоэлектроустановок 10$/МВт∙ч произведенной энергии; для другого оборудования 2% в год от суммы капиталовложений);

·  персонал (приблизительно 1 час в день для всех функций);

·  прочие затраты (около 2% в год от суммы капиталовложений).

Экономическая эффективность биогазовых установок особенно велика при переработке большого непрерывного потока отходов. Неубыточны и малые предприятия при адекватном техническом решении. Конечно, неоценим вклад биогазовых технологий в сохранение экологического равновесия.

Метановое брожение с получением биогаза является эффективным путем биологической конверсии органических отходов в топливо. Использование энергии биомассы в агропромышленном комплексе позволит получить дополнительный источник энергии на основе местного возобновляемого сырья, концентрированные органические удобрения, а также обеспечить защиту окружающей среды.

Безусловно, вся проблема биотоплива должна рассматриваться в целом. При этом применительно к конкретным задачам, региональным особенностям должна осуществляться диверсификация видов биотоплива: все должно взаимно дополнять друг друга с главной целью – поддержания экологического баланса. Биогаз в этом отношении представляет собой универсальное средство, особенно при реализации таких проектов, как «Экодом», проведение мероприятий по ремедиации, утилизации отходов и т. д. В настоящее время эта тема выходит за рамки узкопрофессиональных представлений, как это было еще лет 20–30 назад. Реальности глобализации вовлекают практически все человечество в необходимость определения государственной и общественной позиции по данному вопросу.

Исследование расширенного использования органических отходов обусловлено необходимостью:

- снижения потребления углеродосодержащих видов топлива;

- надежного энергообеспечения предприятий, основанного на использовании местных возобновляемых источников энергии;

- снижения энергетической составляющей в себестоимости продукции.

Лекция 3. Классификация существующих технологий производства биогаза

Разработка современных экономически эффективных биогазовых технологий базируется на сочетании следующих основных принципов: фундаментальных знаний сложнейшего биологического процесса метангенерации органических веществ растительного и животного происхождения, включая современные достижения микробиологии, биохимии, молекулярной биологии и биотехнологии; особенностей механо-химического состава используемого сырья; конструктивного решения оборудования, направленного на снижение металлоемкости и энергоемкости; экономических, экологических и энергетических особенностей конкретного региона.

Интеграция указанных принципов позволила разработать серию наиболее перспективных биогазовых технологий (рис. 1).

На рисунке представлена классификация биогазовых технологий.

1) По температурному режиму биогазовые технологии разделяются на:

а) технологии с психрофильным температурным режимом (0÷25°С);

б) технологии с мезофильным температурным режимом (25÷40°С);

в) технологии с термофильным температурным режимом (40÷60°С);

Поддержка оптимальной температуры является одним из важнейших факторов процесса сбраживания. В природных условиях образование биогаза происходит при температурах от 0°C до 97°C, но с учетом оптимизации процесса переработки органических отходов для получения биогаза и биоудобрений выделяют три температурных режима.

Процесс анаэробного сбраживания очень чувствителен к изменениям температуры. Уровень чувствительности зависит от температурного режима, допустимые изменения температур:

- психрофильный температурный режим: ± 2°C в час;

- мезофильный температурный режим: ± 1°C в час;

- термофильный температурный режим: ± 0,5°C в час.

К преимуществам термофильного процесса сбраживания относятся: повышенная скорость разложения сырья и, следовательно, более высокий выход биогаза, а также практически полное уничтожение болезнетворных бактерий, содержащихся в сырье.

Недостатками термофильного разложения являются: большое количество энергии, требуемое на подогрев сырья в реакторе, чувствительность процесса сбраживания к минимальным изменениям температуры и несколько более низкое качество получаемых удобрений.

Рис. 1. Классификация биогазовых технологий

При мезофильном режиме сбраживания сохраняется высокий аминокислотный состав биоудобрений, но обеззараживание сырья не такое полное, как при термофильном режиме.

2) По влажности субстрата биогазовые технологии можно разделить на:

а) твердофазную метангенерацию;

б) ферментацию жидких органических отходов;

в) ферментацию «супержидких» органических отходов;

К первой группе технологий относится технология твердофазной метангенерации, научные основы которой разработаны в 80-х гг. ХХ века в Институте биохимии им. АН СССР совместно с Академией коммунального хозяйства. Вопреки широко распространенному мнению было экспериментально установлено, что процессы образования метана могут активно протекать при влажности субстрата менее 85%, вплоть до 10%, причем при влажности субстрата в пределах 5÷10% количество образующегося метана прямо пропорционально количеству воды в субстрате. Твердофазный процесс может быть непрерывным, полупериодическим и периодическим, протекать при температурах в диапазоне от 18 до 550С.

Технология твердофазной метангенерации была использована при обработке стоков свиноферм с предварительным разделением жидкой и твердой фаз исходного субстрата. На практике технология применена в целях ускорения обработки субстрата, сокращения времени удерживания последнего в реакторах, и, соответственно, уменьшения металлоемкости и эксплуатационных затрат (колхоз «Большевик» Крымской обл., свиноводческий комплекс на 12 тыс. голов - проект ВИЭСХ).

Разделение позволяет получать жидкую фракцию с влажностью 98... 99% и обрабатывать ее по одной из технологий «анаэробных» фильтров, а твердую фракцию с влажностью 75...80% обрабатывать по технологии твердофазной метангенерации. Такая система была также апробирована при обработке жидких стоков птицефабрики «Центральная» Владимирской обл. при создании опытно-промышленной биогазовой установки (ВНИИКОМЖ).

Вторая группа технологий - ферментация жидких органических отходов, влажность которых составляет 85÷98%.

Третья группа технологий - ферментация «супержидких» органических отходов (перерабатывающей промышленности - молочной, сахарной, бумажной, кожевенной, консервной, текстильной и т. д.), влажность которых составляет 98... 99%. Технология основана на использовании:

- осаждения бактериальных гранул и контакта поступающего сырья с образующимся активным илом;

- неподвижного слоя ила (бактериальные гранулы) и поступления сырья в реактор снизу вверх, или реактора с восходящим слоем;

- анаэробного фильтра с закреплением - иммобилизацией метанобразующих сообществ на неподвижных носителях;

- биореакторов с псевдоожиженным и увеличенным слоем бактериальной массы, закрепленной на мелких инертных частицах;

- биореактора с закрепленной пленкой.

Преимущество таких технологий заключается в высоких скоростях обработки, снижении объемов реакторов, снижении капитальных затрат на единицу массы обрабатываемых стоков.

Впервые в промышленных масштабах технология, сочетающая использование неподвижного слоя ила (бактериальных гранул) и восходящего потока жидкости, была использована в СССР при создании производства кормового препарата витамина В12 с одновременным получением биогаза (15000 м3/сут.) при переработке жидких стоков (до 3000 м3/сут.) на 2 ацетонобутиловых заводах в гг.

3) Особенности конструктивно-технологической схемы позволяют классифицировать биогазовые технологии по следующему ряду признаков.

3.1. По объему биореактора биогазовые технологии можно разделить на:

а) малой мощности (5 – 20 м3, например, фермерские хозяйства);

б) средней мощности (200 – 1000 м3, например, животноводческие комплексы);

в) большой мощности (1000 – 10000 м3, например, промышленные заводы).

3.2. По способу организации технологического процесса биогазовые технологии подразделяются на:

а) БЭУ с проточной системой анаэробного сбраживания;

б) БЭУ с цикличной системой анаэробного сбраживания;

в) БЭУ с аккумулятивной системой анаэробного сбраживания.

При проточной (непрерывной или квазинепрерывной) системе свежий субстрат загружают в камеру сбраживания непрерывно или через определенные промежутки времени (от 2 до 10 раз в сутки), удаляя соответственно такое же количество сброженного навоза. Если обеспечивается постоянство условий производства, а именно подачи массы, концентрации сухого вещества и загрузки рабочего пространства, т. е. концентрация способного к брожению органического вещества при загрузке, оптимальная температура брожения и равномерное перемешивание массы, то этот вид производства позволяет получить максимальный выход газа при непрерывном процессе газообразования.

Система с попеременным использованием реакторов характеризуется прерывистым процессом, протекающим не менее чем в двух одинаковых по размерам и форме реакторах. Например, в случае ежесуточной загрузки свежего субстрата реакторы при образовании определенного количества шлама попеременно заполняются свежим субстратом и по истечении заданного срока брожения опорожняются. Поскольку при постоянном количестве подаваемого в реактор материала загрузка рабочего пространства во время процесса заполнения будет постоянно снижаться по сравнению с оптимальным значением, соответствующим исходному количеству шлама, потенциальная производительность этой системы будет использоваться не полностью. Кроме того, если учитывать наличие незаполненного объема реактора во время процесса загрузки, то эта рабочая система потребует большего рабочего объема, чем проточная; по американским исследованиям, он должен быть вдвое больше.

Еще одна особенность рассматриваемой системы заключается в том, что ее нельзя использовать без газгольдера с постоянным запасом газа, достаточным для заполнения освобождающегося при выгрузке шлама объема реактора. Это требуется для предотвращения попадания воздуха в рабочее пространство реактора.

Аккумулятивная (бассейновая) система выполняется только с одним жидкостным реактором. Он выполняет функции бродильной камеры и накапливает шлам до момента вывозки в поле. Поэтому реактор никогда не опорожняют полностью; остаток шлама служит «закваской» для новой порции субстрата. При непрерывной подаче свежего субстрата постоянно снижается время, отводимое для брожения. В результате этого газовый потенциал накопившейся в реакторе массы используется не полностью.

3.3. Методы перемешивания, применяемые в различных биогазовых технологиях, можно разделить на:

а) механические;

б) гидравлические;

в) барботирование;

г) отсутствие перемешивания.

3.4. Типы нагревающих устройств, применяемых в различных биогазовых технологиях, можно разделить на:

а) рубашка;

б) змеевик;

в) радиатор;

г) выносной теплообменник.

Наиболее распространенной системой подогрева сырья является внешняя система подогрева с водонагревательным котлом, работающим на биогазе, электричестве или твердом топливе. В качестве нагревательных элементов применяют теплообменники в виде змеевиков, секций радиаторов, параллельно сваренных труб, где теплоносителем служит горячая вода с температурой около 60ºС. Более высокая температура повышает риск налипания взвешенных частиц на поверхности теплообменника. Теплообменники рекомендуется располагать в зоне действия перемешивающего устройства, что помогает избежать осаждения твердых частиц на их поверхности.

3.5. Конструкции биореактора и газгольдера, применяемые в различных биогазовых технологиях, могут быть:

а) раздельные;

б) совмещенные.

3.6. По использованию энергии биогаза технологии анаэробного сбраживания могут быть направлены на:

а) полную передача биогаза в традиционную энергосистему (ТЭЦ, котельная). Потребности биогазовой установки в энергии обеспечиваются традиционной энергосистемой;

б) автономное производство с аварийным резервированием;

в) частичное энергообеспечение.

3.7. По основе происхождения биомассы можно выделить три типа биогазовых технологий:

а) агропищевой промышленности;

б) непищевой промышленности;

в) непромышленные.

3.8. По конструктивному разделению на стадии (зоны брожения) различают следующие биогазовые технологии:

а) без разделения на стадии;

б) двухстадийные;

в) трехстадийные.

Процесс производства биогаза может быть разделен на три стадии: гидролиз, окисление и образование метана. Современные биогазовые технологии предусматривают конструктивное разделение процесса на стадии (зоны брожения).

В конструкторском отделе КазНИИМЭСХ был разработан полный комплект конструкторско-технической документации биогазовой установки БУ-5, которая была изготовлена на опытно-механическом заводе и испытана в крестьянском хозяйстве «Алма» Алматинской области Республики Казахстан. Биореактор конструктивно разделен перегородкой на две камеры, где создаются две основные фазы - кислотного и щелочного брожения, за счет чего повышается производительность и реализуется новый принцип поворота потока биомассы на 180° с целью увеличения пути движения биомассы; конструкция водяного затвора предусматривает его использование в качестве дополнительного теплообменника; параметры и конструкция биогазовой установки позволяет создать ряд модулей, в результате можно создать биогазовую установку с любым требуемым объемом биореактора.

Технологии «рециркуляции» и «трехстадийной метангенерации» основаны на использовании научных принципов, разработанных в 60-е гг. XX века в СССР Институтом биохимии им. АН. Баха АН СССР и примененных Грозненским ацетонобутиловым заводом и Ефремовским биохимическим комбинатом при производстве кормового препарата витамина В12 и биогаза, используемого для энергетических нужд (25% от общей потребности этих предприятий в газообразном топливе). «Рециркуляция» стабилизирует процесс метанового брожения и повышает его скорость, эта технология позволила успешно обрабатывать отходы птицеводства, содержащие высокие концентрации азотсодержащих органических соединений.

Эта технология получила свое дальнейшее развитие в работах по обработке отходов птицеводства и реализована в промышленных масштабах на Октябрьской птицефабрике Глебовского ППО Истринского района Московской обл. в гг. Установка состояла из блока подготовки сырья, блока анаэробной переработки, блока сепарации сброженной массы, энергетического блока, включающего биогазовый электрогенератор мощностью 72 кВт и теплогенератор – биогазовые водогрейные котлы. Установка перерабатывала в сутки до 10 тонн куринного помета и производила: до 1000 м3 биогаза, содержащего до 60% метана, и до 10 тонн органических удобрений. Суточный объем биогаза можно было конвертировать либо в тепловую энергию (6,6 МВт), либо электрическую энергию (2 МВт). Технология «трехстадийной метангенерации» была положена в основу созданной в 1998г. «ЭкоРос» опытно-промышленной установки по переработке отходов фермы крупного рогатого скота (КРС) в целях интенсификации процесса. Она основана на разделении природного биологического процесса метангенерации на 3 стадии: гидролиза, кислотообразования и образования метана.

3.9. Типы биореакторов, применяемых в различных технологиях анаэробного сбраживания, могут быть разделены на две большие группы:

а) с нефиксированными микроорганизмами (реакторы полного перемешивания, контактные реакторы, реакторы восходящего потока с активным слоем ила);

б) с микроорганизмами, фиксированными на носителях (биопленках). К этой группе относятся реакторы с анаэробными фильтрами, с движущимися биодисками, с рециркуляцией активного ила, имеющие инертные носители маленького размера (доли миллиметра), которые граничат с контактными реакторами, и реакторы со взвешенным или кипящим слоем активного ила, фиксированного на инертных носителях.

3.10. Формы биореакторов, применяемых в различных технологиях анаэробного сбраживания, могут быть классифицированы как:

а) цилиндрическая;

б) прямоугольная;

в) траншейная;

г) яйцеобразная.

С точки зрения динамики жидкостей, оптимальна яйцеобразная форма реактора, но ее сооружение требует больших затрат. Второй наилучшей формой является цилиндр с коническим или полукруглым дном и верхом. Квадратные реакторы из бетона или кирпича не рекомендуются к использованию, так как в углах образуются трещины из-за давления сырья, а также собираются твердые частицы, что нарушает процесс сбраживания.

3.11. Расположение биореакторов, применяемых в различных технологиях анаэробного сбраживания, могут быть разделены на две большие группы:

а) горизонтальное;

б) вертикальное.

3.12. По хранению шлама биогазовые технологии разделяются на:

а) технологии с жидким хранением шлама;

б) технологии с высушиванием шлама;

в) технологии с компостированием шлама.

Лекция 4. Технологические схемы биоэнергетических установок, производимых в России

В России нет национальной программы поддержки строительства биогазовых установок, ни одного централизованного биогазового завода. Вместе с тем на внутреннем рынке имеются модели малых биогазовых установок отечественного производства, предназначенные для использования в личных подсобных и фермерских хозяйствах.

Проблемами разработки биогазовых технологий и создания оборудования в России занимаются несколько организаций: «ЭкоРос», АО «Стройтехника», ГНУ ВИЭСХ (Москва); ЛМВ Ветроэнергетика» (г. Хабаровск); (г. Рыбинск); АО «Стройтехника - Тульский завод» и др. ЛМВ Ветроэнергетика» разработало биогазовые установки БЭУ-10 и БЭУ-20, - типоразмерный ряд биогазовых установок вместимостью метантенков от 1 до 25 м3, АО «Стройтехника» - комплекс для получения биоудобрения и биогаза КУБ-1 (табл. 1).

Компания «Фактор Лтд» (Москва) разработала и внедрила на Балахнинской птицефабрике (Нижегородская обл.) опытный образец биогазовой установки. При вместимости реактора 5 м3 она способна перерабатывать 1 тонну помета в сутки и производить до 60 м3 биогаза. В ближайшее время компания готова приступить к серийному производству биогазовых установок с реакторами вместимостью до 500 м3.

Таблица 1. Техническая характеристика биогазовых установок

Показатели	БЭУ-10	БЭУ-20	БГУ	КУБ-1
Производительность по биогазу в сутки, м3	1,5 - 2	50 - 60	0,5 - 12	5 - 9
Вместимость метантенка, м3	10	20	1 - 25	2,3
Установленная мощность, кВт	1,5	4	-	-
Доза суточной загрузки, кг	1*	2 – 4*	40 – 2000	-
Количество производимого удобрения в сутки, кг	-	-	3	-
Масса, кг	-	-	-	3700

*Доза суточной загрузки, м3