Биогазовые технологии (стр. 1 )

Учреждение Российской академии наук

КАЗАНСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РАН

Исследовательский центр проблем энергетики

Биогазовые технологии

курс лекций

Курс лекций разработан в рамках гранта № 000 от 27 июля 2012 г. федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на по направлению «Поддержка научных исследований, проводимых научными группами под руководством кандидатов наук по научному направлению «Энергетика, энергосбережение, ядерная энергетика» в области «Новые и возобновляемые источники энергии, включая водородную энергетику»»

Составила к. т.н.

Казань 2013

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Лекция 1. Использование биогазовых технологий в мире…………………	3
Лекция 2. Общая характеристика процесса метанового брожения биоотходов…………………………………………………………………….	9
Лекция 3. Классификация существующих технологий производства биогаза…………………………………………………………………………	23
Лекция 4. Технологические схемы биоэнергетических установок, производимых в России………………………………………………………	29
Лекция 5. Описание подходов к исследованию, расчету и проектированию процессов анаэробного сбраживания органических отходов………………………………………………………………………	37
Лекция 6. Описание подходов к исследованию, расчету и проектированию процессов анаэробного сбраживания органических отходов (продолжение)………………………………………………………	42
Лекция 7. Методы интенсификации процессов метанового сбраживания	50
Лекция 8. Энергетическая эффективность метантенка……………………	56
Рекомендуемая литература…………………………………………………..	61

Лекция 1. использование биогазовых технологий в мире

За рубежом проблеме получения и использования биогаза уделяется большое внимание. За короткий срок во многих странах мира возникла целая индустрия по производству биогаза. Лидером в развитии биогазовой промышленности является Китай. С середины 70-х годов XX века в этой стране действует Национальная программа по получению биогаза из отходов животноводства. В настоящее время действует 10 миллионов фермерских метантенков. Кроме того, в Китае работает 40000 биогазовых станций, 24000 очистных сооружений, производящих биогаз, что обеспечивает работу 190 электростанций. Китай является экспортером биогаза и двигателей на его основе.

Европейская комиссия выделила биоэнергетику в самостоятельное направление общей энергетики, что было подтверждено на Всеевропейской конференции по биоэнергетике в октябре 2003 года в Будапеште.

Главными преимуществами биогаза являются его возобновляемость, наличие местных источников сырья для получения топлива, снижение парникового эффекта и экологического ущерба от систем сбора органических отходов, обеспечение экологически замкнутой энергетической системы. В таблице 1 приведены данные по производству биогаза в мире.

Таблица 1. Производство биогаза в мире

Страна	Объем производства биогаза в год, млн. м3	Суммарная мощность биоЭС на биогазе, МВт
США	500	200
Великобритания	200	80
Франция	40	16
Россия (потенциальные возможности)	58	-

Из таблицы видно, что в США в настоящее время годовой объем выработки биогаза составляет 500 млн. м3. Значительная часть его поступает на электростанции. Суммарная электрическая мощность установок, работающих на биогазе, составляет около 200 МВт.

В США работает более десяти крупных биогазовых заводов, один из которых (при трех откормочных комплексах на 110 тыс. голов) подает вырабатываемый биогаз в газораспределительную сеть Чикаго. Кроме этого, в США получили широкое распространение установки для использования отходов на небольших скотоводческих фермах с поголовьем крупного рогатого скота до 150 голов.

В Великобритании добывается в год около 200 млн. м3 биогаза. Суммарная мощность биоЭС Великобритании составляет около 80 МВт.

Во Франции добывается в год около 40 млн. м3 биогаза. На одной из свалок вблизи Парижа была построена биоТЭС, использующая биогаз, эмиссия которого составляет 1,5 тыс. м3 в сутки.

Правительство Дании предоставляет значительные налоговые льготы для производителей биогаза: около 20% капитальных инвестиций для централизованного биогаза и 30% для индивидуальных станций или установок. Суммарная годовая энергетическая мощность производителей биогаза Дании, получаемого из всех источников, в настоящее время составляет до 4ПДж. Планируется дальнейшее увеличение его производства до 6ПДж. В настоящее время в Дании эксплуатируются 18 биогазовых заводов, способных ежегодно обрабатывать 1,2 млн. т биомассы (75% отходов животноводства и 25% других органических отходов), давая до 45 млн. м3 биогаза, что эквивалентно 24 млн. м3 природного газа.

В фермерских хозяйствах Европы и Канады распространены установки производительностью до 100, 200 м3 биогаза в сутки, что обеспечивает хозяйство тепловой энергией летом на 100%, зимой - на 30-50%.

В настоящее время в Китае эксплуатируются более 5 млн. семейных биогазовых реакторов (ферментеров), ежегодно производящих около 1,3 млрд. м3 биогаза, что обеспечивает газом для бытовых нужд свыше 35 млн. человек. Также имеются 600 больших и средних биогазовых станций, которые используют органические отходы животноводства и птицеводства, винных заводов с общим объемом 220 тыс. м3. Действуют 24 тыс. биогазовых очистительных реакторов для обработки отходов городов, работают около 190 биогазовых электростанций с ежегодным производством 3109 Вт·ч. Биогазовая продукция в Китае оценивается в 33 ПДж.

В Индии, как и в Китае, основной упор сделан на семейные и общинные биогазовые установки - в 1993 г. их было около 2 млн. Ежегодно в Индии вводятся в эксплуатацию 5,6 тыс. таких установок, дающих от 2 до 400 м3 биогаза в день. Основные положения национальной программы Индии по развитию биогазовых технологий включают в себя пункты по снабжению чистой энергией для отопления и приготовления пищи, получению органических удобрений, повышению эффективности сельскохозяйственного производства и многое другое.

В 1992 г. в Германии было 139 установок по производству и использованию биогаза, к 2001 г. их число достигло 1,5 тыс. и продолжает увеличиваться (сейчас около 5 тыс.). «Закон о возобновляемой энергии», принятый в Германии в августе 2004 г., направлен на развитие строительства и эксплуатации биогазовых установок. В качестве сырья могут использоваться навоз и практически любые органические отходы и остатки.

В середине 90-х годов биогазовая установка мощностью 50 МВт была редкостью, а в 2001 г. появились установки мощностью 100 МВт со стоимостью электроэнергии 0,1 евро за 1 кВт·ч. Появились фирмы, которые проектируют биогазовые установки различной мощности.

Фирма «Bigates» проектирует биогазовые установки мощностью до 350 кВт для сельскохозяйственных районов, которые, кроме выработки электроэнергии и тепла, позволяют сокращать выбросы СО2 в атмосферу (на 2200 т в год).

На выставке «Зеленая неделя - 2007» немецкая фирма «RIELA» представила комплексы для хранения сельскохозяйственных и промышленных продуктов и носителей возобновляемой энергии.

Фирма производит установки для получения биогаза только из жидкого навоза или органических отходов (коммунальные и пищевые отходы, осадки и жир сточных вод, отходы боен от здоровых животных, трупов животных из животноводческих комплексов, от переработки овощей и фруктов, производства сахара, пива и т. п.).

Предприятие «Stawag» (г. Аахен, Германия) планировало в 2006 г. ввести в эксплуатацию установку синтеза биогаза производительностью 1000 м3/ч. Она будет перерабатывать ежегодно 25,5 тыс. т кукурузного силоса. Синтезированный биогаз будет подвергаться предварительной очистке, а затем закачиваться в газопровод. Замещенный природный газ будет конвертирован в электроэнергию на четырех новых мотор-генераторных установках суммарной электрической мощностью 2 МВт. Стоимость проекта 9,5 млн. евро.

В Тюрингии эксплуатируются 40 установок синтеза биогаза, еще 30 строятся или проектируются. В качестве исходного сырья используются навоз, а также силос соломы и энергетических растений. КПД установки получения биогаза не превышает 35%.

Стало существенно расти использование электроэнергии, получаемой из биогаза. Отработана технология переработки отходов картофеля для получения биогаза и сжигания его в газовых двигателях с получением электроэнергии и тепла из выхлопных газов (пример - ТЭС мощностью 2,5 МВт на фабрике картофельных чипсов в Бельгии). Используется также газ, образующийся на установках по осветлению сточных вод, получаемых на бумажных фабриках из отходов древесины, в фармацевтической промышленности при переработке и расщеплении жиров и др.

Большое количество биогаза производится также и при переработке твердых бытовых отходов городов: в США - 9ПДж, Германии - 14, Японии - 6, Швеции - 5ПДж.

Швеция представила первый в мире экологически чистый пассажирский поезд, работающий на биологическом газе. Оборудованный двумя автобусными двигателями на биогазе поезд может перевозить до 54 пассажиров. Предполагается, что он будет использоваться на восточном побережье Швеции. Новый поезд способен проехать до 600 км без дозаправки, развивая скорость до 130 км/ч. В Швеции на биогазе уже работают около 800 автобусов.

В большинстве развитых стран переработка органических отходов в биогазовых установках направлена на производство тепловой энергии и электричества. Генерируемая таким образом энергия составляет около 3-4% всего потребления энергии в европейских странах.

Интегрированные национальные программы многих стран Африки и Латинской Америки, имеющих огромные количества сельскохозяйственных отходов (свыше 90 % мировых отходов цитрусовых, бананов и кофе, около 70 % отходов сахарного тростника и около 40 % отходов мирового поголовья скота), в настоящее время ориентированы на получение биогаза.

К настоящему времени в мире разработано и построены тысячи крупных промышленных установок для переработки отходов в биогаз.

В России такие установки пока не получили широкого распространения, за исключением нескольких опытно-промышленных установок, разработанных в соответствии с государственными программами.

впервые теоретически и практически объединил биологию с энергетикой, а его ученики воплотили эти знания в создание отечественной биоэнергетики.

Первые научные разработки в области биогазовых технологий были сделаны в России более 70 лет назад. Начиная с 50-х гг. одним из основных направлений была анаэробная переработка активного ила и осадков городских сточных вод. Этот метод привлек внимание в связи с идеей получения биогаза в основном из навоза сельскохозяйственных животных. Благодаря этому в середине 50-х гг. был построен целый ряд опытных установок для производства биогаза в Запорожском, Белорусском, Грузинском, Молдавском филиалах Всероссийского института электрификации сельского хозяйства, а также в Екатеринбургской области. Однако опыт эксплуатации этих установок был незначителен – один - два сезона. Таким образом, до середины 70-х гг. выполнялись только инициативные работы (табл. 2).

Программа строительства экспериментальных биогазовых установок была принята в 1977 г. в рамках программы 03.09 «Развитие возобновляемых источников энергии» Государственным комитетом по науке и технике (ГКНТ, ) и Министерством сельского хозяйства СССР. Начиная с 80-х гг. в соответствии с реализацией государственных программ ГКНТ СССР научно-исследовательскими организациями и конструкторскими бюро страны, было разработано несколько принципиально новых биогазовых технологий, позволяющих обрабатывать любые органические отходы с влажностью от 9% до 40%. В результате в СССР были введены в эксплуатацию крупные биоэнергетические – биогазовые станции (табл. 2).

Первая крупная промышленная установка введена в эксплуатацию в марте 1988 г. в Эстонии на Пярнуской межколхозной свиноферме с поголовьем 30 тыс. свиней. Сбраживание жидкого навоза влажностью 94-95% ведут в течение 16 суток в двух параллельно работающих метантенках емкостью по 3260 м3 каждый при мезофильном режиме (35-38°С) и избыточном давлении 400 мм в. ст. Температуру в метантенках поддерживают с помощью контуров обогрева от специальных котлов-теплообменников, образующиеся газы попутно осуществляют перемешивание массы. Производительность по биогазу – 6210 м3/сут.

В латвийском фермерском хозяйстве «Огре» была установлена биогазовая установка по переработке отходов свинофермы на 3 тыс. голов. Установка включает два горизонтальных реактора объемом по 75 м3 каждый, работает без предварительного подогрева массы в термофильном режиме (53-55°С). Средняя производительность по биогазу составляет: 2,6 мЗ с 1 м3 рабочего объема метантенка при 20% суточной дозе загрузки. Влажность исходной массы 94%, степень распада органического вещества достигает 33,4%.

В коллективном хозяйстве «Большевик» (Крым, УССР) была установлена биогазовая установка по переработке отходов свинофермы на 24 тыс. голов. Разработка проф. и , ВИЭСХ.

В «Химмаш им. Фрунзе» (г. Сумы, УССР) была установлена биогазовая установка по переработке отходов свинофермы на 3 тыс. голов. Разработка

На Октябрьской птицефабрике Глебовского ППО Истринского района Московской области в гг. была реализована в промышленных масштабах технология «рециркуляции» по обработке отходов птицеводства (). Установка состояла из блока подготовки сырья, блока анаэробной переработки, блока сепарации сброженной массы, энергетического блока, включающего электрогенератор мощностью 72 кВт и водогрейные котлы. Установка перерабатывала в сутки до 10 т куриного помета и производила: до 1000 м3 биогаза, содержащего до 60% метана, и до 10 т органических удобрений. Суточный объем биогаза можно было конвертировать либо в тепловую энергию – 6600 кВт тепловых или в электрическую энергию – 2 МВт.

Следует отметить, что это были установки опытного характера, на которых отрабатывался процесс переработки органического сырья.

Таблица 2. Крупнейшие биоэнергетические станции СССР

Животноводческие комплексы и птицефабрики	Спиртовые заводы	Станции аэрации
г. Пярну, Эстонская ССР, 1988г.	г. Дагувпилс, Латвийская ССР, 1965г.	Либерецкая, Московская обл., 1965г.
с/х Огре, Латвийская ССР, 1989г.	г. Панивежес, Литовская ССР, 1962г.	Курьяновская, Московская обл., 1963г.
к/х Большевик, Крым, УССР, 1989г.	Андрушевский завод, УССР, 1969г.	г. Новосибирск
г. Сумы, УССР, 1986г.	г. Грозный, АБЗ, 1969г.	г. Сочи
г. Истра, Московская обл., 1988г.	г. Ефремов, АБЗ, 1967г.
г. Ашхабад, Туркменская ССР, 1985г.
г. Алма-Ата, Каз. ССР, 1991г.

Таким образом, реализация биогазовых технологий находится на уровне научно-технических разработок, малых опытных серий и демонстрационных производственных центров. Общее число биогазовых установок в странах СНГ не превышает в настоящее время нескольких сотен.

Ежегодно в России накапливается до 320 млн. тонн органических отходов, значительная часть которых разлагается в открытой среде, представляя серьезную опасность для природы и человека. Таким образом, ежегодно в результате естественных процессов в окружающее пространство рассеивается эквивалентное нескольким миллиардам тонн условного топлива (нефтяного эквивалента) количество освобождаемой энергии.

Возможности производства биогаза по регионам России оцениваются следующим образом: Дальневосточный ФО – 1,18 млрд. м3; Уральский ФО – 3,1 млрд. м3; Северо-Западный ФО – 3,5 млрд. м3; Сибирский ФО – 11,1 млрд. м3; Центральный ФО – 12,1 млрд. м3; Приволжский ФО – 18,33 млрд. м3; Южный ФО – 24,4 млрд. м3 (рис. 1).

Рис. 1. Возможности производства биогаза по регионам России

Биогазовые установки и станции в отличие от других возобновляемых источников энергии могут функционировать в любых регионах России круглогодично в любое время суток, практически везде, где есть органические отходы или доступная энергетическая биомасса.

Использование энергии биомассы в производственном цикле позволит решить следующие задачи: получить дополнительные энергетические ресурсы на основе местного возобновляемого сырья; утилизировать отходы в зонах производства и переработки сельскохозяйственной продукции и улучшить экологическую обстановку; получить концентрированные органические удобрения и обеспечить процесс восстановления и увеличения естественного плодородия почв.

Современные технологии производства органических удобрений не позволяют утилизировать весь годовой выход отходов на животноводческих комплексах. Выходом из создавшегося положения может стать широкое внедрение в производство биотехнологий.

В России крупные биогазовые установки, работающие по промышленным стандартам качества, появились около 8 лет назад. Из этого можно сделать вывод, что биогаз - относительно новая область технологий, однако достаточный международный опыт позволяет сооружать надежные установки с длительным жизненным циклом. Каждая технология анаэробного сбраживания разрабатывается с учетом соответствующих климатических условий, поэтому применение аналогичных зарубежных разработок в России сопряжено с существенными трудностями при реализации из-за значительной разницы между зимними и летними температурами окружающей среды. Их применение в российских условиях невозможно без адаптации вследствие следующих факторов: теплоснабжения в пиковые моменты при температурах ниже -20°C, подачи тепла ко всем соответствующим точкам потребления; устойчивости всех компонентов технологической схемы к замерзанию, особенно в газопроводах, где высокая конденсация; субстрат может замерзнуть, что сделает невозможным его удаление или загрузку в метантенк; субстрат не всегда можно загружать непосредственно в метантенк из-за разницы температур, которая может замедлить жизнедеятельность организмов; может потребоваться предварительный нагрев в отдельном резервуаре.

В России применение биоэнергетических установок ограничено вследствие больших энергетических затрат на технологические нужды оборудования, следует отметить, что основные энергетические потери возникают в реакторе. Реакторы, применяемые в России для анаэробного сбраживания, имеют достаточно простую конструкцию, оборудованы системой подачи сырья, системой теплообменных труб для стабилизации температуры, несложным перемешивающим устройством для гомогенного распределения сырья и биомассы продуцента, газгольдером для сбора образуемого биогаза.

Лекция 2. общая характеристика процесса метанового брожения биоотходов

Энергетическая эффективность данной технологии невысока – в условиях средней полосы России до 70% производимого газа потребляется биогазовой установкой. Несмотря на это, технология отличается высокой рентабельностью, так как позволяет утилизировать стоки животноводческих ферм, сельскохозяйственные и бытовые отходы, отходы лесозаготовки и деревообработки. Главные преимущества биогаза - наличие местных источников сырья, снижение парникового эффекта и экологического ущерба от систем сбора органических отходов, обеспечение экологически замкнутой энергетической системы.

Основные известные параметры, характеризующие процесс анаэробного сбраживания приведены в табл. 1.

Исходное сырье для получения биогаза имеет три главных источника:

- органические отходы животноводства и птицеводства;

- твердый остаток сточных вод на полях орошения;

- силос и биомасса сельскохозяйственных культур.

Биогаз можно получать на свалках, из сточных вод, кукурузного силоса, навозной жижи, зерновых и т. д. Большая часть его применяется для получения электроэнергии и обогрева и лишь незначительная часть используется в качестве транспортного горючего.

Для производства биогаза возможно использование следующих органических материалов. В скобках указан размер выработки биогаза в м3 на тонну сырого материала: жидкий навоз, твердый компост ; биологические отходы, собранные на фермах (; вторичное (вторично выращенное) сырье (кукурузный силос, непищевые зерна); нечистоты и жир сточных вод ; старый жир (1000); трава и биологические отходы от ферм по забою крупного рогатого скота (100); отходы пивоваренных заводов и дистилляторов (20); отходы складов для хранения фруктов и вина, молочных ферм (25).

Эффективность биогазовых установок в основном зависит от количества произведенного биогаза. Исследования зарубежных и отечественных специалистов показали, что выход биогаза зависит от состава субстрата для сбраживания, его предварительной подготовки, соблюдения оптимальных параметров и режимов процесса анаэробного сбраживания (табл. 2).

Таблица 1. Параметры анаэробного сбраживания

Параметр	Минимальное известное значение	Низкое подтвержденное и достоверное значение	Высокое подтвержденное и достоверное значение	Максимальное известное значение
1	2	3	4	5
Время отстаивания, дни	20	30	Без ограничений	150
Содержание сухого вещества, % влажной массы	1	Без ограничений	10	20
Органическая составляющая, кг сухого органического вещества/(м³ в день)	1	Без ограничений	4	15
Температура процесса, 0С	25	35 - 42	53 - 59	59
Эффективность производства электроэнергии < 200 кВт, %	15	30	35	39
Эффективность производства электроэнергии > 200 кВт, %	30	35	39	42
Емкость газгольдера на установках < 100 м³/ч, часы	0	6	12	24
Емкость газгольдера на установках > 100 м³/ч, часы	0	3	12	18
Концентрация аммония, мг/л	100	Без ограничений	5000	12000
Уровень pH	6,2	7	8,5	9

Получение биогаза экономически оправдано и является предпочтительным при переработке постоянного потока отходов (стоки животноводческих ферм, скотобоен, растительные отходы и т. д.), когда не требуются предварительный сбор отходов, организация и управление их подачи, при этом точно известно, сколько и когда будет получено отходов.