Солнечная энергетика в России Гелиоэнергетика. Использование солнечной энергии Геотермальная энергия Геотермальное теплоснабжение Мини-теплоэлектростанция на отходах

Энергия биомассы

Понятие «биомасса» относят к веществам растительного или животного происхождения, а также отходам, получаемым в результате их переработки. В энергетических целях энергию биомассы используют двояко: путем непосредственного сжигания или путем переработки в топливо (спирт или биогаз). Есть два основных направления получения топлива из биомассы: с помощью термохимических процессов или путем биотехнологической переработки. Опыт показывает, что наиболее перспективна биотехнологическая переработка органического вещества. В середине 80-х г. в разных странах действовали промышленные установки по производству топлива из биомассы. Наиболее широкое распространение получило производство спирта.

Одно из наиболее перспективных направлений энергетического использования биомассы – производство из неё биогаза, состоящего на 50-80 % из метана и на 20-50 % из углекислоты. Его теплотворная способность – 5-6 тыс. ккал/м3.

Наиболее эффективно производство биогаза из навоза. Из одной тонны его можно получить 10-12 м3 метана. А, например, переработка 100 млн т такого отхода полеводства, как солома злаковых культур, может дать около 20 млрд м3 метана. В хлопкосеющих районах ежегодно остается 8-9 млн тонн стеблей хлопчатника, из которых можно получить до 2 млрд м3 метана. Для тех же целей возможна утилизация ботвы культурных растений, трав и др.

Биогаз можно конвертировать в тепловую и электрическую энергию, использовать в двигателях внутреннего сгорания для получения синтезгаза и искусственного бензина.

Производство биогаза из органических отходов дает возможность решать одновременно три задачи: энергетическую, агрохимическую (получение удобрений типа нитрофоски) и экологическую.

Установки по производству биогаза размещают, как правило, в районе крупных городов, центров переработки сельскохозяйственного сырья.

5.1. Что такое биогаз?

В последнее время всё большее внимание привлекают нетрадиционные с технической точки зрения источники энергии: солнечное излучение, морские приливы и волны и др. Некоторые из них, например, ветер, находили широкое применение и в прошлом, а сегодня переживают второе рождение. Одним из «забытых» видов сырья является и биогаз, использовавшийся еще в Древнем Китае и вновь «открытый» в наше время.

Что же такое биогаз? Этим термином обозначают газообразный продукт, получаемый в результате анаэробной, т. е. происходящей без доступа воздуха, ферментации органических веществ самого разного происхождения. В любом крестьянском хозяйстве в течение года собирается значительное количество навоза, ботвы растений, различных отходов. Обычно после разложения их используют как органическое удобрение. Однако мало кто знает, какое количество биогаза и тепла выделяется при ферментации. А ведь эта энергия тоже может сослужить хорошую службу сельским жителям.

Биогаз – смесь газов. Его основные компоненты: метан (СH4) – 55-70 % и углекислый газ (СО2) – 28-43 %, а также в очень малых количествах другие газы, например – сероводород (Н2S).

В среднем 1 кг органического вещества, биологически разложимого на 70 %, производит 0,18 кг метана, 0,32 кг углекислого газа, 0,2 кг воды и 0,3 кг неразложимого остатка.

Факторы, влияющие на производство биогаза. Поскольку разложение органических отходов происходит за счет деятельности определенных типов бактерий, существенное влияние на него оказывает окружающая среда. Так, количество вырабатываемого газа в значительной степени зависит от температуры: чем теплее, тем выше скорость и степень ферментации органического сырья. Именно поэтому, вероятно, первые установки для получения биогаза появились в странах с теплым климатом. Однако применение надежной теплоизоляции, а иногда и подогретой воды, позволяет освоить строительство генераторов биогаза в районах, где температура зимой опускается до -20 °С.

Существуют определенные требования и к сырью: оно должно быть подходящим для развития бактерий, содержать биологически разлагающееся органическое вещество и в большом количестве воду (90-94 %). Желательно, чтобы среда была нейтральной и без веществ, мешающих действию бактерий, например, мыла, стиральных порошков, антибиотиков.

Для получения биогаза можно использовать растительные и хозяйственные отходы, навоз, сточные воды и т. п. В процессе ферментации жидкость в резервуаре имеет тенденцию к разделению на три фракции. Верхняя – корка, образованная из крупных частиц, увлекаемых поднимающимися пузырьками газа, через некоторое время может стать достаточно твердой и будет мешать выделению биогаза. В средней части ферментатора скапливается жидкость, а нижняя, грязеобразная фракция, выпадает в осадок.

Бактерии наиболее активны в средней зоне. Поэтому содержимое резервуара необходимо периодически перемешивать – хотя бы один раз в сутки, а желательно – до шести раз. Перемешивание может осуществляться с помощью механических приспособлений, гидравлическими средствами (рециркуляция под действием насоса), под напором пневматической системы (частичная рециркуляция биогaза) или с помощью различных методов самоперемешивания.

Установки для получения биогаза. В Румынии генераторы биогаза получили широкое распространение. Одна из первых индивидуальных установок была введена в эксплуатацию еще в декабре 1982 г. С тех пор она успешно обеспечивает газом три соседствующие семьи, имеющие каждая по обычной газовой плите с тремя конфорками и духовкой.

Ферментатор находится в яме диаметром около 4 м и глубиной 2 м (объем примерно 25 м3), выложенной изнутри кровельным железом, сваренным дважды: сначала электрической сваркой, а затем, для надежности, газовой. Для антикоррозионной защиты внутренняя поверхность резервуара покрыта смолой. Снаружи верхней кромки ферментатора сделана кольцевая канавка из бетона глубиной примерно 1 м, выполняющая функцию гидрозатвора, в этой канавке, заполненной водой, скользит вертикальная часть колокола, закрывающего резервуар. Колокол высотой около 2,5 м – из листовой двухмиллиметровой стали. В верхней его части и собирается газ.

Автор этого проекта выбрал вариант собирания газа в отличие от других установок с помощью трубы, находящейся внутри ферментатора и имеющей три подземных ответвления – к трем хозяйствам. Кроме того, вода в канавке гидрозатвора проточная, что предотвращает обледенение в зимнее время.

Ферментатор загружается примерно 12 м3 свежего навоза, поверх которого – моча (без добавления воды). Генератор начинает работать через 7 дней после наполнения.

Похожую компоновку имеет другие установки. Их ферментаторы сделаны в яме, имеющей квадратное поперечное сечение размерами 2х2 м. Яма облицована железобетонными плитами толщиной  10-12 см, оштукатурена цементом и покрыта для герметичности смолой. Канавка гидрозатвора глубиной около 50 см также бетонная, колокол сварен из кровельного железа и может на четырех «ушках» свободно скользить но четырем вертикальным направляющим, установленным на бетонном резервуаре. Высота колокола примерно 3 м, из которых 0,5 м погружено в канавку.

При первом наполнении в ферментатор было загружено 8 м2 свежего коровьего навоза, а сверху залито примерно 400 л коровьей мочи. Через 7-8 дней установка уже полностью обеспечивала владельцев газом.

Аналогичную конструкцию имеет и генератор биогаза, рассчитанный на прием 6 м3 смешанного навоза (от коров, овец и свиней). Этого оказалось достаточно, чтобы обеспечить нормальную работу газовой плиты с тремя конфорками и духовкой.

Еще одна установка отличается любопытной конструктивной деталью: рядом с ферментатором уложены присоединенные к нему с помощью Т-образного шланга три большие тракторные камеры, соединенные и между собой. В ночное время, когда биогаз не используется и накапливается под колоколом, возникает опасность, что последний под действием избыточного давления опрокинется. Резиновый резервуар служит дополнительной емкостью. Ферментатора размером 2х2х1,5 м вполне достаточно для работы двух горелок, а при увеличении полезного объема установки до 1 м3 можно получить количество биогаза достаточное и для обогрева жилища. Особенность этого варианта установки – устройство колокола АЕ 138 см и высотой 150 см из прорезиненного полотна, применяемого для изготовления надувных лодок. Ферментатор представляет собой металлический резервуар АЕ 140х300 см и имеет объем 4,7 м3. Колокол вводится в находящийся в ферментаторе навоз на глубину не менее 30 см для обеспечения гидравлического заслона выходу биогаза в атмосферу. В верхней части разбухающего резервуара предусмотрен кран, соединенный со шлангом, по нему газ поступает к газовой плите с тремя конфорками и колонке для нагрева воды. Чтобы обеспечить оптимальные условия для работы ферментатора, навоз смешивается с горячей водой. Наилучшие результаты установка показала при влажности сырья 90 % и температуре 30-35 °С.

Для обогрева ферментатора используется и эффект теплицы. Над емкостью сооружается металлический каркас, который покрывают полиэтиленовой пленкой: при неблагоприятных погодных условиях она сохраняет тепло и позволяет заметно ускорить процесс разложения сырья.

В Румынии генераторы биогаза используются и в государственных или кооперативных хозяйствах. Вот один из них. Он имеет два ферментатора емкостью по 200 м3, закрытых каркасом с полиэтиленовой пленкой. Зимой навоз обогревается горячей водой. Производительность установки составляет 300-480 м3 газа в день. Такого количества вполне хватает для обеспечения всех потребностей местного агропромышленного комплекса.


Использование водной энергии земли