Технология использования сжатых газов (стр. 37 )

3. Борнацкий кислородно-конверторный процесс/ И. И. и др.- К.: Металлургия, 1974.

4. Ефименко чугуна/ Г. Г. и др.- К., 1974.

Тема 15 ПРОИЗВОДСТВО БИОГАЗОВ

15.1 Общие сведения и свойства биогазов

Биогаз – газ, получаемый метановым брожением биомассы. Разложение биомассы происходит под воздействием трёх видов бактерий. В цепочке питания последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих. Первый вид – бактерии гидролизные, второй – кислотообразующие, третий – метанообразующие. В производстве биогаза участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида.

Состав биогаза: 55—75 % метана, 25-45 % CO2, незначительные примеси H2 и H2S. После очистки биогаза от СО2 получается биометан. Биометан – полный аналог природного газа, отличие только в происхождении.

Производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу. Переработанный навоз применяется в качестве удобрения в сельском хозяйстве. Это позволяет снизить применение химических удобрений, сокращается нагрузка на грунтовые воды.

Метан оказывает влияние на парниковый эффект в 21 раз более сильное, чем СО2, и находится в атмосфере 12 лет. Захват метана – лучший краткосрочный способ предотвращения глобального потепления.

Таблица 15.1 - Физические свойства биогаза

Показатель	Компоненты	Смесь 60% СН4 + 40% СО2
СН4	СО2	Н2	Н2S
Объемная доля, %	55-70	27-44	1	3	100
Объемная теплота сгорания, МДж/м3	35,8	-	10,8	22,8	21,5
Температура, оС: воспламения критическая	650-750 -82,5	- 31,0	585 -	- 100	650-750 -2,5
Плотность: нормальная, г/л критическая, г/л	0,72 102	1,98 408	0,09 31	1,54 349	1,20 320

15.2 Историческая справка

Человечество научилось использовать биогаз давно. Во
2-м тысячелетии до н. э. на территории современной Германии уже существовали примитивные биогазовые установки. Алеманы, населявшие заболоченные земли бассейна Эльбы, полагали, что горючий газ, скапливающийся в ямах на болотах — это вонючее дыхание Дракона. Люди верили, что Дракон приходит ночью и его дыхание остаётся в ямах. Алеманы додумались шить из кожи тенты, накрывать ими болото, отводить газ по кожаным же трубам к своему жилищу и сжигать его для приготовления пищи. Оно и понятно, ведь сухие дрова найти было трудно, а болотный газ (биогаз) отлично решал эту проблему.

В XVII веке Ян Баптист Ван Гельмонт обнаружил, что разлагающаяся биомасса выделяет воспламеняющиеся газы. Алессандро Вольта в 1776 году пришёл к выводу о существовании зависимости между количеством разлагающейся биомассы и количеством выделяемого газа. В 1808 году сэр Хэмфри Дэви обнаружил метан в биогазе.

Первая задокументированная биогазовая установка была построена в Бомбее (Индия) в 1859 году. В 1895 году биогаз применялся в Великобритании для уличного освещения. В 1930 году, с развитием микробиологии, были обнаружены бактерии, участвующие в процессе производства биогаза.

С начала 90-х годов ХХ в. интерес к ним в Западной Европе начал стабильно расти. И из простых бочек с ручной системой перемешивания биогазовые установки стали большими высокотехнологичными полностью автоматизированными комплексами по переработке любых органических отходов.

В Германии уже десятилетиями биогаз производят тысячи крупных установок, и еще миллионы установок различной мощности во всем мире. Технология испытана, ее стабильность доказана годами безукоризненной работы.

15.3 Применение

Биогаз используют в качестве топлива для производства: электроэнергии, тепла или пара, или в качестве автомобильного топлива. В Индии, Вьетнаме, Непале и др. странах строят малые (односемейные) биогазовые установки. Получаемый в них газ используется для приготовления пищи.

Биогазовые установки могут устанавливаться как очистные сооружения на фермах, птицефабриках, спиртовых заводах, сахарных заводах, мясокомбинатах. Биогазовая установка может заменить ветеринарно-санитарный завод, т. е. падаль может утилизироваться в биогаз вместо производства мясо-костной муки.

Больше всего малых биогазовых установок находится в Китае – более 10 млн (на конец 90-х ХХ в.). Они производят около 7 млрд м³ биогаза в год, что обеспечивает топливом примерно 60 млн крестьян. В Индии с 1981 года было установлено 3,8 млн малых биогазовых установок.

В конце 2006 года в Китае действовало около 18 млн. биогазовых установок. Их применение позволяет заменить
10,9 млн тонн условного топлива.

Среди промышленно развитых стран ведущее место в производстве и использовании биогаза по относительным показателям принадлежит Дании – биогаз занимает до 18 % в её общем энергобалансе. По абсолютным показателям по количеству средних и крупных установок ведущее место занимает Германия - 8000 тыс. шт. В Западной Европе не менее половины всех птицеферм отапливаются биогазом.

Фирмы Volvo и Scania (Швеция) производят автобусы с двигателями, работающими на биогазе. Такие автобусы активно используются в городах Швейцарии. По прогнозам Швейцарской Ассоциации Газовой Индустрии к 2010 году 10 % автотранспорта Швейцарии будет работать на биогазе.

Шведская компания Svensk Biogas построила первый в мире поезд на биогазе - продукте переработки органических отходов. Эта машина может вместить до 54 пассажиров. С сентября 2005 года она курсирует на 80 километровой линии вдоль восточного побережья страны. Пробег поезда на одной заправке составляет 600 километров, а максимальная скорость - 130 километров в час. В движение этот вагон приводят два автобусных двигателя, приспособленных к работе на биогазе.

Компания Svensk Biogas потратила $1,3 миллиона для создания этого "зеленого" поезда.

Нужно добавить, что в Швеции уже работает около тысячи автобусов на биогазе и тысячи "бинарных" легковых машин, потребляющих и бензин, и биогаз.

15.4 Сырье для получения

Используются разнообразные органические отходы: навоз, зерновая и меласная послеспиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки, каныга), трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов – лактоза, молочная сыворотка, отходы производства биодизеля – технический глицерин от производства биодизеля из рапса, отходы от производства соков – жом фруктовый, ягодный, виноградная выжимка, водоросли, отходы производства крахмала и патоки – мезга и сироп, отходы переработки картофеля, производства чипсов – очистки, шкурки, гнилые клубни и т. п.

Выход биогаза зависит от содержания сухого вещества и вида используемого сырья. Вода, содержащаяся в биомассе, не даёт газа. Из 1 кг сухого вещества в среднем получают от 300 до 500 литров биогаза. Из 1 тонны навоза крупного рогатого скота получается 30–50 м³ биогаза с содержанием метана 60 %,
150–500 м3 биогаза из тонны различных видов растений с содержанием метана до 70 %. Максимальное количество
биогаза – это 1300 м3 с содержанием метана до 87% – можно получить из жира.

Кроме отходов, биогаз можно производить из специально выращенных энергетических культур, например, из силосной кукурузы или сильфия. Выход газа может достигать до 500 м3 с 1 тонны.

Свалочный газ – одна из разновидностей биогаза. Получается на свалках из муниципальных бытовых отходов.

15.5 Технология получения

Всего в мире в настоящее время используется или разрабатывается около 60 разновидностей технологий получения биогаза. Наиболее распространённый метод – анаэробное сбраживание в метантенках, или анаэробных колоннах (в русском языке термин не устоялся). Часть энергии, получаемой в результате сжигания биогаза, направляется на поддержание процесса (до 15—20 % зимой). В странах с жарким климатом нет необходимости подогревать метантенк. Бактерии перерабатывают биомассу в метан при температуре от 25°С до 70°С.

Получение биогаза экономически оправдано при переработке постоянного потока отходов, например на животноводческих фермах.

В анаэробных условиях бактерии разлагают органический субстрат, а биогаз является промежуточным продуктом их обмена веществ.

Для успешной жизнедеятельности и хорошей работы всех микроорганизмов внутри реактора необходимо обеспечить специальные условия. Обязательными факторами в этом случае являются:

Анаэробные условия - бактерии могут активно работать только в условиях отсутствия кислорода. В конструкции изначально предусмотрено соблюдение этого условия.

Влажность - бактерии могут жить, питаться, размножаться и производить биогаз только во влажной среде.

Температура - оптимальным режимом для всех групп бактерий будет диапазон 35-40оС. Человеку не под силу это проконтролировать, потому этот процесс берет на себя система автоматического контроля.

Период брожения - количество произведенного газа постепенно увеличивается по мере увеличения длительности брожения, вначале оно происходит быстрее, по мере возрастания продолжительности брожения - медленнее. Наступает такой момент, когда дальнейшее пребывание в ферментаторе будет нецелесообразно с экономической точки зрения.

Конечным продуктом биологической обработки отходов являются:

·  биогаз (метан не менее 55%, оксид углерода не более 45%, сероводород не более 2%, водород не более 1%);

·  переброженный субстрат как остаток брожения, состоящий из воды, остатков целлюлозы, незначительной массовой части бактерий и питательных органических элементов (азот, фосфор, калий и т. д.).

15.6 Биогазовые установки

Рассмотрим схему биогазовой установки ZORG™ (Германия) рис. 15.1.