Сучасні тенденції розвитку біогазових установок

/ Ідеї & тренди / Четвер, 13 жовтня 2016 16:00
Геннадій ГОЛУБдоктор техн. наук,
завідувач кафедрою механізації тваринництва
НУБіП України
Олег ГАЙДЕНКОканд. техн. наук, вчений секретар
Кіровоградської ДСГДС НААН
Вирішення проблем переробки відходів сільськогосподарського походження відкрило новий перспективний напрям у конструюванні техніки та обладнання для агропромислового комплексу. Зараз відбувається стрімкий процес впровадження у виробництво інноваційних технологій ресурсозберігання. Австрія, Італія, Китай, Німеччина, Польща, Чехія та інші країни за останні 20 років зробили значний крок у використанні поновлювальних джерел енергії та продовжують розвивати свої науково-технічні досягнення у галузі альтернативної енергетики.

 

Майбутнє за альтернативною
енергетикою
Ще у XVII ст. Ян Баптист Ван Гельмонт виявив, що біомаса, яка розкладається, виділяє займисті гази. Алессандро Вольта в 1776 році прийшов до висновку про існування залежності між кількістю біомаси, яка розклалася, і кількістю газу, що виділився. У 1808 році сер Хемфрі Деві виявив метан у біогазі.

Перша задокументована біогазова установка була побудована в Бомбеї (Індія) в 1859 році. У цьому ж році біогаз почав застосовувався у Великобританії для вуличного освітлення.

Ринок біогазу на сьогодні найбільш розвинений у Європі, адже саме розвинені країни ЄС першими впровадили програми переходу до альтернативних джерел енергії та планомірно підтримували ініціативи, спрямовані на впровадження нових біогазових технологій.

У європейській практиці 75% біогазу виробляється з відходів сільського господарства, 17% — з органічних відходів приватних домогосподарств і підприємств, ще 8% — з муніципальних каналізаційних стоків та каналізаційних стоків окремих виробництв.

Сьогодні перше місце за кількістю біогазових комплексів, що працюють, належить Німеччині. Тільки 7% виробленого цими підприємствами біо­газу надходить у газопроводи, решта використовується для потреб виробника. У перспективі 10–20% природного газу, який використовується у країні, може бути замінений біогазом. З погляду масштабів застосування біогазу лідирує Данія: цей вид палива забезпечує майже 20% енергоспоживання країни.

В Україні біогазові технології не мають широкого поширення у промислових масштабах. Наявні лише поодинокі випадки їх використання, в режимі дослідних установок без підтвердження їх економічної ефективності на рівні експертних висновків.

Два види технології підготовки
та бродіння сировини
Сучасні біогазові установки розділяються на два види за технологією підготовки і бродіння сировини: рідкофазна (вологість зброджуваної органічної маси більше 85%) і твердофазна (вологість органічної маси менше 85%).

Твердофазне бродіння — серія послідовних операцій (рис. 1). Вихідна сировина, наприклад, біологічні відходи, гній, шлам, жири або зелена маса, поміщаються у герметично закритий ферментер і, як правило, нагріваються та перемішуються. При цьому внаслідок анаеробних процесів утворюється біогаз. Наразі він застосовується в основному для комбінованого виробництва електроенергії і тепла в блокових міні-ТЕЦ.
 
Рисунок 1. Схема твердофазної біогазової установки
 
Газову суміш очищають від сірководню (Н2S) і подають до газопоршневого двигуна, який приводить в обертання генератор. Вироблений таким чином електричний струм надходить у мережу. Тепло із системи охолодження двигуна і тепло вихлопних газів відводяться за допомогою теплоносія для подальшого використання. Частина цього тепла (15–30%) необхідна для підігріву біосировини та підтримання вибраної температури ферментації, оскільки бактеріальні штами, що відповідають за розкладання біомаси, найбільш продуктивні в діапазоні температур від 37 °C (мезофільні) до 55 °C (термофільні). Надлишкове тепло може бути використане різними споживачами.

Найбільш ефективні установки з цілорічним використанням тепла. В деяких проектах біогаз збагачується і закачується у газопровід. Таким чином, зростають шанси для будівництва біогазової установки в тих зонах, де відсутні виробники тепла. Збагачений біогаз також може бути використаний як паливо в автотранспорті. Після метанового зброджування залишковий субстрат практично не має неприємного запаху і застосовується як органічне добриво у сільськогосподарському виробництві.

Дослідження на гної
З метою визначення впливу технологічних показників, які необхідні для вибору режимів ферментації гною та конструктивно-технологічних параметрів ферментера на вихід біогазу під час твердофазної ферментації органічної сировини в анаеробних умовах, були проведені експериментальні дослідження. Свіжий підстилковий гній ВРХ завантажувався у ферментер дискретно чотири рази на добу через 6 годин відповідно до експозиції зброджування.

Основним критерієм оцінки роботи ферментера при проведенні експериментальних досліджень був показник питомого виходу біогазу з кілограма сухої речовини. Вихід біогазу контролювався щодобово газовим лічильником, показники якого заносились у журнал випробувань ферментера.

В результаті експериментальних досліджень отримано рівняння регресії, яке встановлює залежність питомого виходу біогазу від температури, експозиції зброджування і вологості гною ВРХ, котре має такий вигляд:

V=94,2–2,235W — 0,6389T — 0,4358τ + 0,0146W2 + 0,0047T2 + 0,0042τ2 + 0,0032WT + 0,0045 — 0,0002

де: V — питомий вихід біо­газу, л/кг сухої маси за добу;
W — вологість біомаси,%;
T — температура зброджування, °С;
τ — експозиція зброджування, діб.

Графічна інтерпретація рівняння (1) приведена на рис. 2. З цього видно, питомий вихід біогазу однозначно збільшується з підвищенням вологості гною та температури й експозиції зброджування. Так, при експозиції ферментації гною 15 діб та при вологості зброджуваної маси гною ВРХ W=77% і температурі зброджування Т=350С питомий вихід біогазу не перевищував 1 л/кг сухої маси за добу, а при вологості зброджуваної маси W=87% та температурі зброджування Т=530С питомий вихід біогазу перебував у межах 4–5 л/кг сухої маси за добу (рис. 2).
 
Рисунок 2. Залежність виходу біогазу від температури зброджування і вологості біомаси

За температури зброджування Т=44°С та експозиції ферментації гною до 25 діб, вологості зброджуваної маси гною ВРХ W=77% питомий вихід біогазу не перевищує 1 л/кг сухої маси за добу. При цій же температурі зброджувавння вихід біогазу в межах 4–5 л/кг сухої маси за добу спостерігався при вологості гною W=87% і експозиції зброджування 20–25 діб.

За вологості гною W=82% збільшення виходу біогазу спостерігалося лише через 15 днів зброджування. При цьому виявлений неоднозначний вплив температури на питомий вихід біогазу. Найнижчий вихід біогазу спостерігався за температури зброджування у межах від 37 до 39 °С.

У питанні розвитку технологій твердофазного зброджування необхідно приділяти увагу удосконаленню мікробіологічних процесів ферментації біо­маси та пошуку ефективних конструктивно-технологічних рішень ферментерів, особливо це стосується технологічних операцій завантаження біомаси, її безперервного перемішування і дотримання стабільного температурного режиму роботи ферментера.

Таким чином, низька ефективність процесу виділення метану під час твердофазного бродіння в наявних біореакторах обумовлена передусім відсутністю засобів для проведення належної гомогенізації реагуючої біомаси.

При твердофазному зброджуванні, залежно від фізичного стану сировини, а також потреб замовника, варіанти виконання біогазових установок можуть відрізнятися як технологіями переробки, так і устаткуванням. Кожен проект біогазової установки індивідуальний, але створений із застосуванням типових рішень, адаптованих до навколишніх 
умов.

Анаеробне зброджування —
поширений метод виробництва біогазу
Поширеним методом виробництва біогазу є анаеробне зброджування рідкої біомаси (W=90–95%) метаногенеруючими мікроорганізмами. Застосування рідкофазних технологічних процесів є більш поширеним у практиці використання біогазових установок. Цей процес полягає у безперервному введенні невеликими порціями вхідної сировини в метантенк, який представляє собою місткість-змішувач без доступу повітря, де підтримується задана вологість і температура. Схема біореактора, яким в основному комплектують зарубіжні БГУ, представлена на рис. 3.
 
Рисунок 3. Схема рідкофазної біогазової установки
 
Такі реактори виконуються із залізобетону або сталі і мають антикорозійне покриття. Спеціальні мішалки забезпечують переміщування сировини з основною реагуючою біомасою. Це сприяє певній однорідності ферментаційної суміші, частково стримуючи утворення поверхневої кірки. Виділений у процесі ферментації біогаз накопичується під куполом, потім проходить систему очищення і подається до споживачів (котел або когенераційна установка).

Біогазові установки з анаеробними реакторами такої конструкції наразі є чинним елементом сучасного, безвідходного виробництва в багатьох галузях сільського господарства та харчової промисловості. Якщо на підприємстві є відходи сільського господарства або харчової промисловості, з’являється реальна можливість за допомогою біогазових установок не тільки значно скоротити витрати на енергію, але й підвищити ефективність підприємства, отримати додатковий прибуток.

У конструкціях біогазових установок закладений принцип модульності, що дозволяє при необхідності нарощувати їх продуктивність.

На ринку Західної Європи присутня значна різноманітність біогазових установок різної потужності та конструкцій: великих (більше 1000 кВт), середніх (від 500 до 1000 кВт) та малих (до 500 кВт). У чинних БГУ переважають реактори циліндричної форми. У таких реакторах з певною ефективністю можна перемішувати субстрат, вивантажувати зброджений субстрат, видаляти біогаз і руйнувати поверхневу кірку. При будівництві реакторів використовують бетон, залізобетон, сталевий лист, склопластик. Місткість бродильної камери не повинна мати доступу повітря, а корпус мати теплоізоляцію і корозійну стійкість. У середині бродильної камери має підтримуватися постійна температура, для чого вона обладнана пристроями для термостабілізації. Слід зазначити, що представлений варіант біореактора, як і більшість наявних, мають теплоізоляцію і забезпечують працездатність взимку не тільки в районах південної і центральної Європи з м’яким кліматом, а і країнах континентальним кліматом.

Недоліком такого типу біогазових реакторів є те, що за рахунок недостатнього та нерівномірного прогрівання різних частин суміші, коливання температур в об’ємі субстрату стають значними. Це порушує технологічні вимоги та зменшує продуктивність щодо виходу біогазу порівняно з теоретичним. За рахунок невідповідностей вертикального градієнту температур у нижній зоні утворюється холодний малорухомий шар, а верхня зона перегрівається. До недоліків таких реакторів можна віднести великі площі теплообмінників, що призводить до значного зростання вартості спорудження реактора. Технологія бродіння у біогазових установках потребує дотримання визначених прийнятних меж температурного режиму, та стабілізації теплообміну між нагрівником і субстратом.

Досвід експлуатації таких рідкофазних реакторів вказує на складності, зумовлені недосконалістю процесу, який виконується із застосуванням механічних гвинтових мішалок, можливості яких перемішувати субстрат у конкретний період часу в конкретному об’ємі, не проводячи перемішування шарів субстрату у вертикальній площині, не задовольняє вимогам технологічного процесу гомогенізації та потребам підводу поживних речовин до колоній метаноутворюючих мікроорганізмів по всьому об’єму біореактора. Крім того, в таких реакторах не усувається явище розшарування біомаси з утворенням непродуктивних баластних шарів з різною питомою вагою.

У результаті накопичення мінеральної складової біомаси в нижній частині реактора в процесі експлуатації БГУ продуктивність реакторів падає і протягом 2–3 років становить 50% у відношенні до проектної, значно погіршуючи експлуатаційні й економічні показники виробництва біогазу. Звільнення від баластних шарів є трудомісткою операцією, яку необхідно виконувати у шкідливих умовах.

На вирішення технологічної проблеми щодо накопичення мінеральної складової біомаси в нижній частині реактора необхідно направляти зусилля з удосконалення конструкцій реакторів БГУ. Для цього необхідно розробити технічні рішення з метою усунення розшарування біомаси, зменшити енерговитрати на процес перемішування, створити технологічні і технічні рішення утилізації теплової енергії для можливостей використання термофільного режиму, забезпечити використання інокуляції і мобілізації.

Таким чином, зброджування гною дає змогу вирішити економічні, екологічні та санітарно-епідеміологічні проблеми, що виникають внаслідок накопичення великої кількості відходів тваринництва. Виробництво біогазу є однією з безвідходних технологій, яка виконує природоохоронну і ресурсозберігальну функцію, адже воно не лише не призводить до утворення будь-яких відходів, а й утилізує відходи сільськогосподарського, спиртового, харчового та інших виробництв. І разом з тим, частково дозволяє вирішувати проблему збереження традиційних енергоносіїв.
 26 травня 2018
Україна посідає восьме місце в рейтингу світових експортерів курятини, передає УНН з посиланням на World's Top Exporters.
Україна посідає восьме місце в рейтингу світових експортерів курятини, передає УНН з посиланням на World's Top Exporters.
26 травня 2018
 25 травня 2018
Серед можливих інвесторів СЕС може стати Європейський банк реконструкції та розвитку.
Серед можливих інвесторів СЕС може стати Європейський банк реконструкції та розвитку.
25 травня 2018
 25 травня 2018
При цьому на підприємствах молока стали виробляти більше.
При цьому на підприємствах молока стали виробляти більше.
25 травня 2018
 25 травня 2018
За тиждень закупівельні ціни на олійну культуру знизилися на 200-250 гривень за тонну.
За тиждень закупівельні ціни на олійну культуру знизилися на 200-250 гривень за тонну.
25 травня 2018
 25 травня 2018
Навесні буде спекотніше, ніж зазвичай, а дощів влітку поменшає.
Навесні буде спекотніше, ніж зазвичай, а дощів влітку поменшає.
25 травня 2018
 25 травня 2018
Президент України вважає, що запровадження ринкового обігу сільськогосподарських земель позбавляє українців права вільно розпоряджатися землею.
Президент України вважає, що запровадження ринкового обігу сільськогосподарських земель позбавляє українців права вільно розпоряджатися землею.
25 травня 2018

Найближча подія

31 трав. 2018
08:00AM - 05:00PM
Ukrainian Agro-Industrial & Food Forum

Наші видання

Please publish modules in offcanvas position.