Проблемы при эксплуатации. Решение вопроса

Введение

Ограниченные запасы ископаемого топлива и глобальное загрязнение окружающей среды заставило человечество искать возобновляемые альтернативные источники такой энергии, чтобы вред от ее переработки был минимальным при приемлемых показателях себестоимости производства, переработки и транспортировки энергоресурсов.

Современные технологии позволяют использовать имеющиеся альтернативные энергетические ресурсы, как в масштабе целой планеты, так и в пределах энергосети квартиры или частного дома.

Одним из таких источников является биогазовая энергия

 

Рис.1 – Биогазовая установка

Понятие биогазовой установки. Устройство.

Биогазовая установка – это специальный агрегат, который позволяет перерабатывать отходы сельскохозяйственного производства и пищевой промышленности в биологические удобрения и биологический газ.

Использование подобной установки позволяет в кратчайшие сроки избавляться от навоза различных видов, перерабатывать остатки растений (перезимовавший силос, ботву пищевых культур и т.п.) и качественно утилизировать органические отходы.

В процессе анаэробного брожения из органических отходов вырабатывается биогаз. Биогаз состоит из метана (55-85% – CH4) и углекислого газа (15-45% – CO2). Теплота сгорания биогаза составляет от 21 до 27,2 МДж/м3. По теплоте сгорания 1 м3 биогаза эквивалентен: 0,8 м3 природного газа, 0,7 кг мазута или 1,5 кг дров.

Современная биогазовая установка состоит из:

• Переходная емкость, в которую попадает сырьё в самом начале переработки для подогрева;
• Миксеры (для измельчения крупных частиц травы и навоза);
• Емкость для газа (газгольдер), в которой хранится полученный газ, необходима для поддержания запасов и давления в системе;
• Биореактор ( в ней происходит брожение сырья и вырабатывается газ);
• Газовая система, набор труб и шлангов подачи и отвода полученного газа;
• Сепараторы сортируют переработанное сырьё на твёрдые и жидкие удобрения;
• Насосы для перекачки сырья и воды;
• Приборы измерения и контроля за давлением в реакторе и температурой подогревающей жидкости;
• Когенерационный блок, служит для распределения полученного газа;
• Факел безопасности для стравливания лишнего газа из реактора и газгольдера, необходимы для поддержания заданного давления.

Рис.2 - Принципиальная схема устройства биогазовой установки

Описание процесса

Жидкие биоотходы перекачивается на биогазовую установку насосами. Твердые отходы доставляются по транспортерной ленте, грузовиками или другим способом. Жидкие отходы попадают не прямо в реактор, а в предварительную емкость. В этой емкости происходит гомогенизация массы и подогрев (иногда охлаждение) до необходимой температуры. Обычно объем такой емкости на 2-3 дня. Твердые отходы могут выгружаться в емкость с жидкими отходами и перемешиваться с ними. Либо твердые отходы загружаются в специальный шнековый загрузчик.

Из емкости гомогенизации и загрузчика твердых отходов биомасса поступает в реактор (ферментатор). Реактор является газонепроницаемым, полностью герметичным резервуаром из кислотостойкого железобетона. Это конструкция теплоизолируется слоем утеплителя. Толщина утеплителя рассчитывается под конкретные климатические условия. Внутри реактора поддерживается фиксированная для микроорганизмов температура. Температура в реакторе мезофильная (30-41°С). В отдельных случаях применяются реакторы с термофильным режимом (около 55°С). Перемешивание биомассы внутри реактора производится несколькими способами. Способ перемешивания выбирается в зависимости от типа сырья, влажности и других параметров. Перемешивание производится наклонными миксерами, миксерами типа "падл-гигант", погружными мешалками. Материал всех перемешивающих устройств - нержавеющая сталь. В отдельных случаях перемешивание не механическое, а гидравлическое. Т.е. масса раздается насосами по трубкам в слой, где живут колонии бактерий. Реакторы бывают с деревянным или железобетонным сводом. Срок службы реактора более 25-30 лет.

Подогрев реактора ведется теплой водой. Температура воды на входе в реактор 60°С. Температура воды после реактора около 40°С. Система подогрева - это сеть трубок находящихся внутри стенки реактора, либо на ее внутренней поверхности. Если биогазовая установка комплектуется когенерационной установкой (теплоэлектрогенератором), то вода от охлаждения генератора используется для подогрева реактора.

Около 10% электроэнергии и 30% теплоэнергии (в зимний период) необходимы для работы самой установки.

 

 

 

 

Рис.4 – Внешний вид когенерационной установки

 

Когенерационная установка состоит из силового агрегата, электрического генератора, теплообменников и системы управления.

В качестве силового агрегата обычно используют тепловые двигатели различного типа, например, поршневые двигатели внутреннего сгорания или газотурбинные двигатели. При этом выработка электрической энергии осуществляется генератором, приводящимся во вращение силовым агрегатом (двигателем), а выработка тепловой энергии осуществляется путем отбора излишков тепловой энергии от систем двигателя (системы охлаждения, системы смазки) и его отработавших газов. Полученную тепловую энергию посредствам теплообменных аппаратов передают к потребителю тепла.

Применение когенерационных установок позволяет повысить эффективность использования топлива, например, при электрической мощности когенерационной установки в 1 МВт, потребитель получает до 2 МВт тепловой мощности в виде горячей воды или пара, которые в свою очередь могут использоваться для промышленных нужд, отопления, и водоснабжения.

Температура воды после генератора 90°С. Теплая вода с температурой 90°С смешивается с водой 40°С и поступает в реактор с температурой 60 °С. Вода специально подготовленная и рециркуляционная. В зимний период биогазовой установке требуется до 70% вторичного тепла отведенного от теплоэлектрогенератора. В летний - около 10%. Если биогазовая установка работает только на производство газа, тогда теплая вода берется от специально установленного водогрейного котла. Затраты тепловой и электрической энергии на нужды самой установки составляют от 5 до 15% всей энергии, которую дает биогазовая установка.

Среднее время гидравлического отстаивания внутри реактора (в зависимости от субстратов) - 20-40 дней. На протяжении этого времени органические вещества внутри биомассы метаболизируются (преобразовываются) микроорганизмами. Например, для кукурузного силоса период брожения составляет 70-160 дней. Период брожения определяет объем реактора.

 

Рис.5 – Схема этапов процесса брожения

 

Всю работу по сбраживанию отходов проделают микроорганизмы. В реактор микроорганизмы вводятся один раз при первом запуске. Дальше никаких добавок микроорганизмов и дополнительных затрат не требуется. Введение микроорганизмов производится одним из трех способов: 1) введение концентрата микроорганизмов; 2) добавление свежего навоза или 3) добавление биомассы с другого действующего реактора. Обычно используется 2 и 3 способ из-за дешевизны. В навозе микробы присутствуют и попадают в него еще из кишечника животных. Эти микроорганизмы полезны и не приносят вреда человеку или животным. К тому же реактор - это герметичная система. Поэтому реакторы, а точнее их назвать ферментерами, располагаются в непосредственной близости На выходе имеем два продукта: биогаз и от фермы или производства.

биоудобрения (компостированный и жидкий субстрат). Биогаз сохраняется в емкости для хранения газа - газгольдере. Здесь в газгольдере выравниваются давление и состав газа. Газгольдер - это высокопрочная растягивающаяся EPDM мембрана. Материал мембраны стоек к солнечному свету, осадкам и испарениям в реакторе. Срок службы газгольдера около 15 лет. Газгольдер герметически накрывает реактор сверху, накрываемый дополнительно тентом. В пространство между газгольдером и тентом закачивается воздух для создания давления и теплоизоляции. В отдельных случаях газгольдер представляет собой многокамерный мешок. Такой мешок в зависимости от проектного решения может крепиться сверху бетонного свода ремнями либо в специальной бетонной емкости. Запас объема газгольдеров обычно 0,5-1 день.

Из газгольдера идет непрерывная подача биогаза в газовый или дизель-газовый теплоэлектрогенератор. Здесь уже производится тепло и электричество. 1м3 газа дает 2кВт*ч электрической и 2кВт*ч тепловой энергии. Крупные биогазовые установки имеют аварийные факельные установки на тот случай, если двигатель/двигатели не работают и биогаз надо сжечь. Газовая система может включать в себя вентилятор, конденсатоотводчик, дульфулизатор и т.п.

 

 

Рис.6 - Факельная установка

 

Всей системой управляет система автоматики. Система контролирует работу насосной станции, мешалок, системы подогрева, газовой автоматики, генератора. Для управления достаточно всего 1 человека 2 часа в день. Этот человек ведет контроль с помощью обыкновенного компьютера. После 2-х недельного обучения на установке может работать человек без особых навыков.

Переброженная масса- это биоудобрения, готовые к использованию. Жидкие биоудобрения отделяются от твердых с помощью сепаратора и сохраняются в емкости для хранения биоудобрения. Твердые удобрения хранятся на специальном участке. Из емкости хранения жидких удобрений насосами масса перекачивается в бочки-прицепы и вывозится на свои поля или на продажу. Как вариант возможна комплектация биогазовой установки линией фасовки и упаковки биоудобрений в бутылочки по 0,3; 0,5, 1,0 л. Если биоудобрения не представляют никакого интереса для собственника и требуется избавится от жидкого субстрата, тогда биогазовая установка комплектуется устройствами с дополнительными степенями очистки.

В случае, когда предприятию требуется не электроэнергия, а газ для заправки автомобилей, биогазовая установка комплектуется системой очистки и метановой заправочной станцией. Система очистки биогаза - устройство по отделению CO2 из биогаза. Например, если требуется техническая углекислота, то по принципу абсорбера - десорбера. Содержание углекислого газа доводится с 40% до 10% (и даже 1%, если требуется). Стоимость переоборудования одной единицы техники составляет 2500-3500 $.

Для отдельных видов сырья описанный выше способ требует коррекции. Например, такой способ совершенно недопустим для моносырья как послеспиртовая барда и пивная дробина. В таком случае используется двухстадийная технология с дополнительными реакторами гидролиза. Особенностью процесса является поддержание уровня кислотности в реакторах гидролиза.

Работа БГУ непрерывна. Т.е. постоянно в реактор поступает свежий субстрат, сливается переброженный, сразу же разделяясь на воду, био - и минеральные удобрения.

Наиболее эффективной работы биогазовой станции можно добиться при соблюдении следующих условий:

• Бесперебойной и бесплатной поставки сырья для работы установки
• Полном использовании продукции биогазовой установки, прежде всего, электроэнергии на предприятии.

Преимущества биогазовых установок над другими системами энергоснабжения:

1. Повсеместная доступность сырья – твердых и жидких отходов агропромышленного комплекса, осадков сточных вод, отходов пищевой промышленности.

2. Гибкость сбыта и использования энергии: использование биогаза дает возможность получения одновременно нескольких видов энергоресурсов – газа, моторного топлива, тепла, электроэнергии.

3. Постоянство генерации энергии во времени, что позволяет использовать биогаз как единственный источник энергии и снизить капитальные затраты на систему энергоснабжения.

4. Собственная автономная биогазовая энергетика позволит ликвидировать зависимость от растущей стоимости газа, тепла и электроэнергии, возможных сбоев в поставках сетевых энергоресурсов, повысит конкурентоспособность производителей сельхозпродукции, позволит снизить экологическую нагрузку.

 

Сырье

Навоз КРС. Во всем мире к числу наиболее популярных относят биогазовыеустановки, предусматривающие использование в качестве базового сырья навоза. Содержание одной головы КРС позволяет обеспечить в год 6,6–35 т жидкого навоза. Этот объем сырья может быть переработан в 257–1785 м³биогаза. По параметру теплоты сгорания указанные показатели соответствуют: 193–1339 кубометрам природного газа, 157–1089 кг бензина, 185–1285 кг мазута, 380–2642 кг дров.

Одна дойная корова дает в сутки от 30 до 70 кг навоза. Одним из ключевых преимуществ использования коровьего навоза в целях выработки биогаза является наличие в ЖКТ крупного рогатого скота колоний бактерий, вырабатывающих метан. Это означает, что отсутствует необходимость дополнительного внесения микроорганизмов в субстрат, а следовательно, потребность в дополнительных инвестициях. Вместе с тем однородная структура навоза делает возможным применение данного типа сырья в устройствах непрерывного цикла. Производство биогаза будет еще более эффективным при добавлении в ферментируемую биомассу мочи КРС.

Навоз свиней и овец. В отличие от КРС, животные этих групп содержатся в помещениях без бетонных полов, поэтому процессы производства биогаза здесь несколько осложняются. Одна свиноматка с 20–24 поросятами дает в день приблизительно 14,5 кг навоза. Свинья на откорме весом от 30 до 110 кг обеспечивает, в среднем, 3,5 кг. Из 1 т свиного навоза выходит 65 куб. м биогаза. Использование навоза свиней и овец в устройствах непрерывного цикла невозможно, допускается лишь его дозированная загрузка. Вместе с сырьевой массой данного типа в биореакторы нередко попадают растительные отходы, что может существенно увеличить период ее обработки.

Птичий помет. В целях эффективного применения птичьего помета для получения биогаза рекомендуется оснащать птичьи клетки насестами, поскольку это позволит обеспечить сбор помета в больших объемах. Свежий помет несушек, цыплят и бройлеров при клеточном содержании дает выход биогаза 130–140 куб. м с тонны. Помет с подстилкой, убираемый раз в 35–40 дней, обеспечивает около 80 куб. м биогаза с тонны. Для получения значительных объемов биогаза следует перемешивать птичий помет с коровьей навозной жижей, что исключит излишнее выделение аммиака из субстрата. Особенностью применения птичьего помета при производстве биогаза является необходимость введения 2-стадийной технологии с использованием реактора гидролиза. Это требуется в целях осуществления контроля над уровнем кислотности, в противном случае бактерии в субстрате могут погибнуть.

Фекалии. Для эффективной переработки фекалий требуется минимизировать объем воды, приходящийся на один санитарный прибор: единовременно он не может превышать 1 л.

С помощью научных исследований последних лет удалось установить, что в биогаз, в случае использования для его производства фекалий, наряду с ключевыми элементами (в частности, метаном) переходит множество опасных соединений, способствующих загрязнению окружающей среды. Например, во время метанового брожения подобного сырья при высоких температурных режимах на станциях биоочистки стоков практически во всех пробах газовой фазы обнаружено около 90 µg/м³ мышьяка, 80 µg/м³ сурьмы, по 10 µg/м³ ртути, 500 µg/м³ теллура, 900 µg/м³ олова, 700 µg/м³ свинца. Упомянутые элементы представлены тетра- и диметилированными соединениями, свойственными процессам автолиза. Выявленные показатели серьезно превышают ПДК указанных элементов, что свидетельствует о необходимости более обстоятельного подхода к проблеме переработки фекалий в биогаз.

Хороший потенциал имеют и другие отходы животноводства. Например, продукты бойни в количестве 1 т обеспечивают 300 куб. м биогаза.

 

Энергетические растительные культуры. Подавляющее большинство зеленых растений обеспечивает исключительно высокий выход биогаза. Множество европейских биогазовыхустановок функционируют на кукурузном силосе. Это вполне оправданно, поскольку кукурузный силос, полученный с 1 га, позволяет выработать 7800–9100 м³ биогаза, что соответствует: 5850–6825 м³ природного газа, 4758–5551 кг бензина, 5616–6552 кг мазута, 11544–13468 кг дров.

Около 290–490 м³ биогаза дает тонна различных трав, при этом особенно высоким выходом отличается клевер: 430–490м³. Тонна качественного сырья картофельной ботвы также способна обеспечить до 490 м³, тонна свекольной ботвы – от 75 до 200 м³, тонна отходов, полученных в процессе уборки ржи, - 165 м³, тонна льна и конопли – 360 м³, тонна овсяной соломы - 310 м³ .

Следует отметить, что в случае целенаправленного выращивания энергетических культур для производства биогаза существует необходимость инвестирования денежных средств в их посев и уборку. Этим подобные культуры существенно отличаются от иных источников сырья для биореакторов. Необходимости в удобрении подобных культур нет. Что касается отходов овощеводства и производства зерновых культур, то их переработка в биогаз имеет исключительно высокую экономическую эффективность.

«Свалочный газ». Из тонны сухих ТБО может быть получено до 200 м³ биогаза, свыше 50% объема которого составляет метан. По активности выбросов метана «свалочные полигоны» намного превосходят любые другие источники. Использование ТБО в производстве биогаза не только позволит получить существенный экономический эффект, но и сократит поступление загрязняющих соединений в атмосферу.

Показатели, характеризующие выход биогаза и концентрацию в нем метана, зависят в том числе от влажности базового сырья. Рекомендуется поддерживать ее на уровне 91% в летний период и 86% в зимний.

В целях обеспечения максимального выхода биогаза большинство различных типов сырья допускается смешивать с другими видами посредством кавитационной переработки субстрата. При этом достигаются оптимальные соотношения углекислого газа и азота: в обрабатываемой биомассе они должны обеспечиваться в пропорции 16 к 10.

Интенсифицировать работу биогазовой установки помогут катаболические (разрушающие) энзимы — природные протеины, ускоряющие разложение органических веществ. Они повышают выход биогаза на 20–30% без увеличения объемов исходного сырья, предотвращают образование корки на поверхности биомассы в реакторах, увеличивают теплопроводность сырья и экономят тепловую энергию на его подогрев. Энзимы уже успели положительно себя зарекомендовать на биогазовых станциях в Германии. Стоимость энзимов — 32 евро за 1 кг. Их расход составляет примерно 100 г на 1 т органического сухого вещества.

 

Проблемы при эксплуатации. Решение вопроса

В традиционной установке биогаза лидирующих немецких фирм, процесс происходит в нейтральной среде (РН=6). Процесс протекает так, как будто это происходит в живой природе и влияние человека ограничивается созданием вокруг разлагающейся массы бетонного или стального контейнера.

К сожалению, в установках биогаза не происходит существенного уменьшения массы навоза, но при этом количество загрязненной воды может возрасти. Кроме того, после процесса установки биогаза снова необходимы лагуны, для 6-месячного хранения переработанных отходов. Процесс нагревания биомассы происходит с помощью спирального внутреннего трубного нагревателя. Если, в результате незначительного дефекта, трубопровод прохудится, то придется останавливать установку, сливать весь навоз, восстанавливать трубопровод, снова наливать навоз и ждать, когда установка войдет в режим, ведь все микроорганизмы слиты вместе с навозом перед ремонтом. Кроме того, необходимо учитывать, что в течение этого времени не будут поступать доходы от продаваемой тепловой и электрической энергии, которые для установки мощностью 1 МВт за два месяца составят около пяти миллионов рублей и выше.

Кроме того, в устаревших установках свежая партия навоза всегда заливается при температуре окружающей среды, а значит, в холодное время года сырье может подаваться в сильно охлажденном виде, особенно, это заметно зимой. Залитая в подогретый реактор, холодная масса останавливает термофильный процесс, что соответственно приводит к гибели части микроорганизмов. Температура в метантенке (реактор) может понизится на 2-3^оС, а в зоне впрыска свежего сырья еще больше.

Решит этот вопрос внешнее нагревание. Оно имеет большое дополнительное преимущество, т.к. температура вливаемого сырья всегда совпадает с температурой в метантенке, а также систему цикличной добавки свежего навоза и удаления переработанного.

В обычных метантанках перерабатываемое сырье находится около 30 дней (РН = 6). Каждый день в реактор наливается свежий навоз в количестве 1/30 части метантанка и выливается 1/30 часть. Посмотрим, что же реально происходит. Если мы залили 1/30 часть свежего навоза, перемешали и вылили 1/30 часть, то в вылитой части навоза содержится 1/900 часть свежевлитого навоза. Также в вылитой части переработанного навоза находится вчерашний не переработанный навоз (29/900х1/30,), позавчерашний (28/900х1/30) и т.д. вплоть до навоза, который был залит 30 дней назад (1/900).

Суммируя весь не переработанный навоз, находящийся в реакторе, и попадающий в слитый, и, имея ввиду, что процесс разложения сырья нелинейный, делаем вывод, что в слитом навозе находится до 20-30% непереработанного или слабо переработанного навоза. Говорить о том, что это уже готовое удобрение не совсем верно. Решить проблему можно установкой второго метантанка, что увеличит количество энергии, т.к. есть еще до 30% не переработанного сырья. Но и из второго реактора выйдет 30% от 30% вошедшего, поскольку после второго реактора в отходах будет находится до 15% свежего навоза. Кроме того, ясно, что количество аммиака NH4 в «переработанном» навозе увеличится, т.к. для разложения аммиака на атмосферный азот, необходим кислород, которого в метантенке нет. Поэтому дополнительно необходимо поставить установку, которая делает процесс нитро-денитро, то есть расщепляет аммиак и переводит его в атмосферный азот.

В новых установках переработка всего сырья происходит за 4-12 часов. Таким образом, в ежедневно сливаемой части нет непереработанного навоза, КПД установки значительно выше. Это приводит еще к одному огромному достоинству: реактор теоретически может состоять из однодневного объема перерабатываемого навоза. В реальности, он рассчитан на пяти - десятидневный запас, связанный с аварийными остановками биогазовой установки и необходимым для дальнейшей работы количеством микроорганизмов.

Что касается перемешивания навозной массы, находящейся в метантенке: существуют различные системы перемешивания, которые в той или иной мере работают. В установках нового типа, электрическая потребляемая мощность на перемешивание составляет 15-25% от традиционного среднего потребления. При перемешивании важно обратить внимание на два фактора:

· Отсутствия в навозной массе инертных и неразлагающихся веществ (типа хитина, лигнина, песка), которые имеют тенденцию к осаждению, а легкие частицы навоза (лигнин) стремятся всплыть и образовать корку. Имея ввиду, что в навозе может находится 1-3% данных веществ существует очень большой риск накапливания твердых отходов на дне реактора и корки сверху.

· Наличие способа контролировать перемешиваемую массу на предмет однородности состава и температуры во всех частях реактора. В процессе переработки сырья в метантенке, на выходе образуется смесь навоза и воды 80-90% влажности (т.е. 10% сухого вещество+90%воды). После отжатия на сепараторе, получаем сырье влажностью до 30% (или больше) (т.е. 30% сухого вещества + 70% воды). При лучшем отжатии проблема грязных вод возрастает. BOD5 (Биологическое потребление кислорода (5 – дней)) этой воды составляет 20-30 тыс. единиц, и эта вода не подходит для переработки на установках водоочистки биологическими методами или подходит дорогостоящими системами-пруды, каскады и прочее.

В реакторе навозная масса при РН=4 находиться в однородном желеобразном состоянии, а инертные удаляются заранее на специальной установке. Таким образом исключается вероятность образования корки на поверхности и сильно снижается масса осаждаемых частиц. Кроме того, в связи со 100%-ным разложением органических остатков BOD5 составляет около 2000-3000 единиц и легко снижается биологическими способами. Этим и объясняется более высокая скорость и эффективность работы установки.

Пример проекта.

Пример средних затрат и доходов при установке биогазового оборудования: калькуляция затрат и доходов на примере биогазовой установки для спиртового завода. Стоимость установки 1280 тыс. евро. Все услуги и работы включены. Производительность по зерновой барде 100 т в сутки.

Влажность сепарированной барды 70%. Средний срок окупаемости проекта 2-3 года. А при полном использовании возможностей установки окупаемость может быть 1,5-1,8 года. Использование возможностей – это добавление коферментов, использование тепла в теплицах, продажа полностью всех производимых удобрений.

Затраты на энергоносители – одна из основных статей издержек, которая существенно влияет на себестоимость продукции. Очистные сооружения потребляют около 50% энергии, а при постройке биогазовой установки происходит экономия этих 50%. Предприятие получает газ, электроэнергию, тепло, удобрения и обеспечивает замкнутый цикл производства.

Проект окупается за счет уменьшения себестоимости продукции, поскольку снижаются затраты на покупку газа, электроэнергии, горячей воды и удобрений. Дополнительная прибыль может быть направлена на погашение кредита и на развитие производства.

Затраты:	Евро/ Рублей
Обслуживание реактора	32 000/2080000
Амортизационные расходы	27 800/1807000
Обслуживание электрогенератора	4 000/260000
Электроэнергия (для случая, если производится только газ)	6 500/422500
Оплата труда (с запасом берем 2 человека низкой квалификации)	7 000/455000
Всего затрат за год	77 300/5024500
	Ед. изм.	Выход в час	Выход за год	Стоимость евро/руб.	Общая сумма евро./руб.
Биогаз	м3		5 037 000	0,08/5,2	402 960/26192400
Гумус	тонн	0,616	5 400	80/5200	432 000/28080000
Жидкие биоудобрения	м3	3,221	28 200	4/260	113 000/7345000
Квоты СО2	тонн		22 000	8/520	176 000/1144000
Общая прибыль	1 123 960/73057400
Чистая прибыль	1 046 660/68032900