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

Проектирование биогазовых установок

Биомасса является сконцентрированной энергией солнца. Ее можно преобразовать в разнообразные виды топлива: жидкое, газообразное или же использовать непосредственно для получения теплоты. В состав биомассы входят сельскохозяйственные продукты, отходы сельскохозяйственных и промышленных предприятий, лесоматериалы, морские растения. Биомасса относится к местным источникам энергии. При сбраживании органических отходов образуется биогаз. Эта смесь газов, которая содержит 50-80 % метана, 50-20 % углекислого газа, меньше 1 % сероводорода и следов аммиака. Содержимое метана в биогазе колеблется, что существенным образом влияет на теплоту сгорания этого топлива. При сгорании 1м3 биогаза с 50%-ным содержанием метана получают 17,8 МДж энергии, при 70 %-ном содержании – 25,0 МДж. При сгорании 1м3 природного газа получают 34 МДж, I кг жидкого топлива – 42 МДж.

Современный уровень развития анаэробной ферментации навозных стоков позволяет улучшить энергетический потенциал, даст возможность покрыть около 30 % потребности животноводческих комплексов в энергии. Дальнейшее развитие этой проблемы позволяет увеличить эффективность применения биогаза, обеспечить до 50 % энергетических потребностей ферм и комплексов.

В установке для получения биогаза благодаря подогреву встроенными источниками теплоты, надежной теплоизоляции, непрерывной подаче свежего сырья обеспечивается постоянная температура. При перемешивании субстрата процесс образования и отвода биогаза происходит более интенсивно.

Большинство биогазовых установок основано на поточном принципе действия. Это означает, что поступающее в них сырье немедленно вытесняет отработанное. Свежая биомасса поступает непрерывно, отбор биогаза и удаление шлама производятся по мере необходимости.

Жидкий навоз хранят в навозохранилище, где происходит процесс ферментации и образования низкомолекулярных органических кислот, что способствует ускорению технологического цикла в реакторе. Процесс биотехнологической переработки бесподстилочного навоза протекает поэтапно. На этапе ферментации высокомолекулярные биополимеры (углеводы, жиры и нуклеиновые кислоты) распадаются на более мелкие компоненты (аминокислоты, сахара, жирные кислоты и нуклеотиды), которые на стадии низкомолекулярных органических кислот превращаются с помощью углекислого газа и водорода в метан.

Сохранение жидкого навоза в анаэробных условиях обеспечивается присутствием ферментативных, ацетогенных и метаногенных микроорганизмов, которые требуют особых условий для жизнедеятельности. Ферментативные микроорганизмы в процессе разложения биомассы включают продукты расщепления углеводов, жиров, а также двуокиси углерода и летучих жирных кислот в свой метаболизм (обмен веществ). При сохранении субстратов в анаэробных условиях происходит преобразование промежуточных продуктов в метан.

Для получения концентрата биомассы из свиного жидкого навоза, последний необходимо разделить на жидкие и твердые фракции, используя для этого осадочные бассейны (хранилища) или установленные в биореакторе решетки дли осаждения твердых фракций и получения сухого вещества, которое является сырьем для получения биогаза.

Важное значение приобретает количество биомассы, которое загружается в установку. При меньшем количестве биомассы замедляется установленное равновесие, а при большем количестве загрузки происходит переокисление биомассы в реакторе и замедляется выделение биогаза. Стабильность протекания процесса в реакторе обеспечивается постоянной подачей биомассы в реактор.

Биогаз используют при нагревании воды для отопления домов, для сушки зеленой массы, семян зерновых, досушки сена, лекарственных растений, а также для приведения в движение стационарных газовых двигателей, производства жидких азотных удобрений и пр.

Одним из важных направлений использования биогаза является получение электроэнергии.

В производственных условиях при 25-30-дневной ферментации жидкого навоза при средней температуре из 1 т органического вещества можно получить 300-350 м3 биогаза. В то же время примерно 25 % образующего газа необходимо для поддержания температуры брожения на уровне +32...+34 °С. Подключение теплообменника позволяет увеличить чистый выход газа примерно на 10 %.

Для увеличения выхода газа к жидкому навозу целесообразно добавлять органические вещества, которые разлагаются быстро (птичий помет, сечка соломы) или иные органические вещества, например, силосованные стебли кукурузы.

В зависимости от особенностей технологической схемы различают три типа биогазовых установок (БГУ): непрерывные, периодические и аккумулятивные.

При непрерывной (проточной) схеме (рис. 5.1) свежий субстрат загружают в камеру сбраживания непрерывно или через определенные промежутки времени (от 2–10 раз за сутки), удаляя такое же количество сброженной массы.

Эта система дает возможность получить максимальное количество биогаза, но требует больших материальных затрат. При периодической (циклической) схеме (рис. 5.2) есть две камеры сбраживания, которые загружают поочередно. В данном случае полезный объем камер используется менее эффективно, чем при непрерывной схеме.

При аккумулятивной схеме хранилище для навоза служит одновременно камерой сбраживания и хранения перебродившего навоза до его выгрузки (рис. 5.3).

Рис. 5.1. Схема биогазовой установки непрерывного сбраживания:

1 – газгольдер; 2 – реактор; 3 – хранилище

Рис. 5.2. Схема биогазовой установки периодического сбраживания:

1 – газгольдер; 2 – первый реактор; 3 – второй реактор; 4 – хранилище

Рис. 5.3. Схема установки аккумулятивного сбраживания:

1 – реактор и хранилище; 2 – газгольдер

Биогазовые установки состоят из следующих элементов: камеры сбраживания (реактора, ферментатора, метантенка), нагревательного устройства (теплообменника), устройства для перемешивания и газгольдера.

Метантенки выполняют надземными, полузаглубленными и заглубленными в грунт.


Использование водной энергии земли