Индивидуальная биогазовая установка
В приведенной статье Г. Осадчего предлагается аккумулировать часть солнечной энергии в биогазе
В России, зимой, кроме потребления выработанного биогаза на технологические нужды дополнительно его львиная доля идет на отопление просторных помещений (их объем определяется требованиями пожаро(взрыво)безопасности), где размещаются биореакторы. Поэтому предлагается производство биогаза в России осуществлять только летом, с размещением биореактора в солнечном соляном пруду, с использованием солнечной энергии, и его производство (биогаза), большую часть времени, осуществлять в термофильном режиме, наиболее эффективном режиме метаногенерации, исключая использование биогаза на технологические нужды. По существу, для зимнего периода, предлагается аккумулировать часть солнечной энергии в биогазе.
Технологии, использования отходов растениеводства и животноводства для производства биогаза (биометана) описаны подробно [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Эти технологии более всего подходят для удаленных районов с низкой плотностью населения, энергообеспечение которого связано с высокими затратами по доставке органического топлива и передаче электроэнергии.
Кроме этих технологий, можно продолжать использовать в качестве топлива коровий навоз в высушенном виде, солому и стручки семян для обогрева домов. В настоящее время они также относятся к одному из видов возобновляемых топливно-энергетических ресурсов — «другая биомасса».
Однако при естественной сушке навоза в атмосферу выделяется много биометана и СО2, что приводит к загрязнению окружающей среды и нерациональному использованию отходов. Так, в США в настоящее время на отходы животноводства приходится около 8 % связанных с деятельностью человека выбросов биометана. Поэтому в США для хранения животных отходов часто используются крытые пруды. При этом для сбора биогаза, выделяющегося из отходов (как правило, при психофильном режиме) применяется так называемая плавающая крыша, вершина которой снабжена клапаном и системой труб для отвода биогаза потребителю. Особенности этой биогазовой технологии подробно описаны в работе [7].
Развитие микробиологической отрасли по анаэробному превращению органических веществ это актуальная задача сегодняшнего дня. В зависимости от конкретной обстановки на первый план может выходить прямое получение энергии, экономия энергии в процессе очистки органических стоков, получение исходных восстановленных веществ из возобновляемых источников энергии (ВИЭ), получение энергии в виде моторного топлива, удобрений длительного действия.
Использование энергии из возобновляемых источников представляется возможностью решения ряда глобальных и региональных проблем, вызванных развитием энергетики, основанной на ископаемом топливе. Современное использование биомассы можно считать использованием возобновляемых ресурсов только в том случае, если система обеспечивает соответствующее возрастание урожая.
Определенные надежды часто возлагают на фотосинтез водорослей, которые могут расти значительно быстрее, чем происходит наземная вегетация. Однако для культивирования водорослей требуется концентрация углекислоты и создание установок, сопоставимых по сложности с гидропоникой. Поскольку последняя дает пищевую продукцию, она, бесспорно, будет иметь приоритет. Вообще в альтернативе: пища или топливо приоритет должен быть отдан пище. Наглядным примером служило развитие гидролизной промышленности в СССР, которая использовала наиболее дешевую и доступную биомассу — лесные отходы.
Традиционная энергетика, основанная на газе, нефти, угле, несомненно приводит к исчерпыванию резервуара О2 быстрее, чем «зеленое топливо», одновременно производящее кислород, но она не требует таких огромных площадей и главное не конкурирует с производством пищи.
Тем не менее, анализ возможностей «зеленого топлива» как основного источника энергии приводит к пессимистическим выводам.
Оптимистический прогноз возникает лишь при рассмотрении возможностей анаэробного метаногенеза органического сырья (отходов) как многоцелевого процесса. Этот процесс, резко уменьшающий расход энергии при переработке, осуществляется сообществом микроорганизмов, которые способны из самых разнообразных органических веществ (кроме лигнина) образовывать смесь биометана с углекислотой, получившую название «биогаз».
Общие схемы переработки биомассы представлены в монографии [8].
Как известно, режимы биогазовых технологий в зависимости от температуры подразделяются на психофильный (15 – 20 °С), мезофильный (30 – 40 °С) и термофильный (52 – 56 °С). Анаэробная переработка органических веществ, в биогазовых реакторах представляет собой сложный процесс. Он осуществляется в три основных этапа при участии целого ряда микроорганизмов. Первоначально группа микроорганизмов преобразует органические вещества в форму, которую вторая группа микроорганизмов использует для выработки органических кислот. А затем биометан-производящие анаэробные бактерии разлагают эти кислоты и завершают процесс переработки.
Анаэробные бактерии способны «переваривать» органический материал в отсутствии кислорода, в отличие от аэробного разложения при компостировании, которое требует много кислорода. Более сухой навоз, сложенный в кучи, под действием микроорганизмов-аэробов понемногу разлагается, и разогревается в процессе разложения до 50 – 70 °С.
Для увеличения концентрации метанобразующих бактерий в реакторе и интенсификации образования биометана используют способность микроорганизмов хорошо адсорбироваться на поверхностях твердого тела. В качестве иммобилизующих поверхностей используют стекловолокно, капроновые нитки, активированный уголь и другие материалы, причем выход биогаза увеличивается в 2 раза [9].
Также влияет на интенсивность метаногенеза температура.
Теоретические и практические исследования в области биологической переработки растительной биомассы, отходов животноводства и т.д. в биогаз показали, что активность бактерий и соответственно объем биогаза, получаемого в результате переработки, при прочих равных условиях напрямую зависит от температуры. Чем выше температура, тем быстрее идет процесс переработки, больше вырабатывается биогаза, меньше остается бактериальных и вирусных болезнетворных организмов. Так, при температуре от 52 до 56 °С выработка биогаза идет в 1,5 – 3 раза быстрее, чем при 30 – 40 °С, и достигается эффективное обеззараживание получаемых удобрений (активность бактерий и, следовательно, выработка биогаза существенно падает в интервале температур 51,7 и 39,4 °С, и в меньшей степени от 35 до 0 °С).
Сегодня интенсивность метаногенерации является одним из основных показателей эффективности технологии получения биогаза, и её повышение – приоритетная задача научных исследований и разработок. Также этот процесс очень чувствителен к таким факторам, как изменение в исходных материалах и к колебаниям температуры — метановые бактерии сравнительно легко выдерживают температурные колебания среды в биореакторе только в пределах 3 – 4 °С/сутки.
Устойчивый процесс метаногенеза может быть осуществлен лишь при равномерной подаче однородного субстрата. В этом случае накапливается микрофлора, осуществляющая основной маршрут, и скорость процесса возрастает. Какие-либо перебои или изменения в составе субстрата, изменения физико-химического режима приводят к тем более длительной задержке, чем интенсивнее шел процесс до этого. Таким образом, не может быть универсальной установки для переработки органического сырья в биометан. Действующим инструментом является не сооружение, а микробное сообщество в нем. Поэтому рекордные возможности метаногенеза обычно бывают на откормочных пунктах, там, где длительная стабилизация состава навоза.
Недостатком подавляющего большинства эксплуатируемых в настоящее время биогазовых установок различных типов является то, что у них поддержание термофильного режима переработки отходов в биогаз обеспечивается за счет недопустимо высокого расхода различных высоколиквидных топлив (за счет сжигания ⅓ части вырабатываемого биометана). А при эксплуатации их в России зимой для них требуются изолированные помещения (укрытия), а значит и дополнительный расход энергии на поддержание в этих помещениях микроклимата. Для сравнения. Потребление теплоты на собственные нужды котельной составляет: при сжигании газового топлива — 2,3 – 2,4, твердого — 2,4 – 4,9, жидкого — 3,5 – 9,7 %.
Возвращаясь к схемам возможных микробиологических путей переработки органических веществ в топливо, следует отметить, что только метаногенез имеет обратный маршрут к биомассе. Сброженный осадок метантенка представляет удобрение длительного действия, которое возвращает питательные элементы на поля и, следовательно, экономит энергию, затрачиваемую на удобрения. Обычным возражением против метаногенеза в сельском хозяйстве служит ссылка на необходимость использования навоза как органического удобрения. Эта ссылка не совсем точна, поскольку при метаногенезе происходит сокращение на ⅔ балластных органических веществ, отходящих в виде биометана и углекислоты, и соответственном сокращении транспортных расходов на вывоз удобрений на поля. Особенно выгоден термофильный вариант метаногенеза, который выполняет наиболее жесткие санитарные требования. Недостатком метаногенеза является его высокая стоимость как метода очистки органических стоков по сравнению с аэробной очисткой.
Таким образом, при самом скептическом отношении к возможностям «зеленого топлива», развитие анаэробных методов переработки органических отходов представляется беспроигрышным подходом.
Если биогазовое сырье высушить и сжечь, то теплота его сгорания составит примерно 16 МДж/кг (около 10 % потенциальной теплоты сгорания теряется в процессе сбраживания). Таким образом, КПД конверсии составляет 90 %. В то же время, материал с повышенной влажностью, будучи введен в процесс сбраживания, дает высококачественное с хорошо управляемым горением газообразное топливо, тогда как одно лишь удаление 95 % влаги из навоза требует до 40 МДж теплоты на 1 кг сухого остатка [10].
Поиски оптимальной архитектуры комбинированных биогазовых установок, способствующей уменьшению использования биометана на собственные технологические нужды при его производстве находит все более широкое отражение в трудах исследователей [11]. Так использование оборудования энергетики ВИЭ — ветроустановок, солнечных коллекторов, для поддержания рабочей температуры в биореакторе позволяет практически в 1,5 – 2 раза повысить КПД биогазовой системы. Это особенно актуально, если очищенный от СО2 биометан затем использовать в качестве моторного топлива для автотранспорта, или закачивать в существующие сети природного газа.
Вывод биогазовой отрасли на устойчивую рентабельность в весенне-летний период и до глубокой осени возможен на взгляд автора за счет поддержания в метантенк-реакторах температуры 53 – 54 °С в составе комбинированной установки, разработанной в Конструкторском Бюро Альтернативной энергетики «ВоДОмёт» (г. Омск), включающей в себя также солнечный соляной пруд (рисунки 1, 2) с соответствующим запасом тепловой энергии. За счет использования солнечной энергии.
Метантенк-реактор 1 (рисунок 1) размещен на дне пруда 2, в который поступает прямое солнечное излучение 4 и отраженное от концентратора 5.
1 – метантенк-реактор, 2 – солнечный соляной пруд, 3 – корпус теплового коллектора, 4 – солнечное излучение, 5 – концентратор солнечного излучения, 6 – грунт, 14 – зазор между корпусом теплового коллектора 3 и метантенк-реактором 1.
Рисунок 1 – Схема гелиометантенк-реактора биогазовой комбинированной установки
1 – метантенк-реактор, 2 – солнечный соляной пруд, 3 – корпус теплового коллектора, 7 – трубопровод подачи сырья в реактор, 8 – трубопровод отвода биогаза из реактора, 9 – трубопровод отвода шлама из реактора, 10, 11, 12 – вентиль запорный, 13 – заборник воздуха из атмосферы, 14 – зазор между корпусом теплового коллектора 3 и корпусом метантенк-реактора 1.
Рисунок 2 – Разрез по А — А рисунка 1
Сырьё (растительная биомасса, отходы животноводства и т.д.) по трубопроводу 7 (рисунок 2) подается в метантенк-реактор 1, далее по тексту, в реактор 1, где перемешивается с имеющимся в нем сырьём мешалкой, за счет принудительной гидроциркуляции или по патенту А.В. Семенова [12], что обеспечивает равномерность состава и температуры сырья. Выработанный биогаз по трубопроводу 8 отводится в газгольдер (условно не показан). Образующийся в процессе переработки сырья (ферментации) шлам, равный по объему, поступившему в реактор сырью, выводится (утилизируется) из производственного технологического процесса по трубопроводу 9. В случае если в реакторе 1 отсутствует устройство отделения шлама от сырья, то вместе со шламом удаляется и часть сырья.
Поддержание необходимой температуры ферментации в реакторе 1, за счет использования солнечной энергии обеспечивается следующим образом.
Реактор 1 размещен внутри корпуса теплового коллектора 3 с зазором 14. При заполнении этого зазора водой (при открытых вентилях 10 и 11 и закрытом вентиле 12 поступающая через вентиль 11 вода вытесняет воздух из зазора 14 через вентиль 10 в атмосферу) поступление тепла из солнечного соляного пруда 2 к сырью в реакторе 1 максимально. Это обеспечивает, при необходимости, ускоренный нагрев сырья до наиболее эффективной температуры ферментации от 52 до 56 °С. После нагрева сырья до требуемой температуры, при закрытом вентиле 11 открывают вентили 10 и 12, что обеспечивает слив воды через вентиль 12 и осушение зазора 14. В результате интенсивность поступления тепла из солнечного соляного пруда 2 через воздушный зазор 14 уменьшается в десятки-сотни раз, по сравнению с тем, когда он был заполнен водой.
Дальнейшее поддержание температуры сырья в требуемых пределах можно обеспечивать как за счет синхронного регулирования подачи «холодного» сырья по трубопроводу 7 и отвода шлама по трубопроводу 9 так и за счет создания в зазоре 14 низкого вакуума или прокачке через него воды.
Такая комбинированная установка генерации биогаза обеспечивает работу реактора 1 в термофильном режиме, без затрат вырабатываемого биометана на собственные технологические нужды. Это очень актуально, если затем биометан используется в качестве моторного топлива, для обжига кирпича, освещения, для производства асфальта, выработки пара и для других технологических процессов, где нужна температура намного превышающая 100 о С. Биометаном можно заправлять локомотивы-турбовозы. Удаляемый при очистке биогаза до биометана углекислый газ можно использовать для выращивания водорослей.
При работе солнечной биогазовой установки только летом, зимой можно создавать значительные запасы навоза. Используя его летом вместе с отходами овощеводства и растениеводства можно бесперебойно готовить однородную органическую массу для ферментации — обеспечивая максимальную эффективность работы.
Подогретая в зазоре 14 реактора вода весной может использоваться для полива в теплицах и парниках, обеспечивая поддержание в них приемлемой температуры не только воздуха но и грунта, т.к., например, в мае естественная средняя месячная температура почвы на юге Омской области на глубине 0,4 составляет 8,7 °С, на глубине 0,8 м — 5,1 °С, а на глубине 1,6 м — всего 0,9 °С.
Зимой реактор 1, после очистки от шлама, можно использовать для резервного хранения биометана, пропана, бутана или природного газа.
При выработке биогаза насущной задачей является поиск оптимизации режимов — наилучшего режима без дополнительных текущих затрат.
Использование в технологическом производстве биогаза солнечной энергии позволяет обеспечить его летнее и осеннее производство с наибольшей эффективностью, что особенно важно в районах, отрезанных от крупных энергетических центров из-за разлива рек, бездорожья и т.д. Биогазовая отрасль может занять подобающее ей место, поскольку будет также обеспечивать, за счет вырабатываемого удобрения подержание плодородия почв, предотвращать свободную эмиссию биометана в атмосферу.
Стоимость биометана зависит от многих факторов, включая продажи «побочных» продуктов. Самую значительную прибавку к прибыли от продажи биометана можно получать от реализации жидких удобрений, поскольку это высоколиквидная продукция, пользующая постоянным спросом. Спрос на удобрения есть всегда, поскольку необходимым фактором функционирования аграрной биосистемы является баланс между внесением в почву и выносом из неё энергии в виде питательных веществ: внесение их должно быть не менее выноса.
По данным Х.З. Барабанер [13] сейчас в среднем за год гектар пашни получает (получал) 48 – 50 кг минеральных удобрений и 5,0 – 5,6 т навоза: что соответствует внесению — 11624078 МДж, а вынос всем биологическим урожаем — в 7 раз больше. Если же учесть, что органическая масса корневой системы, стерни и часть стеблей остаются в почве, то разница сокращается с 7 до 3,5 – 4 раз. Нельзя не учитывать и способности бобовых культур фиксировать биологический азот в почве (люцерна — 300, клевер — 200, кормовые бобы — 100, соя — 80, люпин — 70 кг/га), что позволяет снизить указанную разницу с 3,5 – 4 до 2,0 – 2,5 раз. Эта разница и определяет пределы необходимого сбалансирования выноса и внесения в почву питательных веществ. В связи с тем, что удельная энергоемкость навоза на порядок ниже минеральных удобрений, максимизация его внесения неразрывно связана с оптимизацией насыщенности сельских хозяйств животноводством. Для сохранения плодородия почвы необходимо иметь 74 условные головы крупного рогатого скота на 100 га пашни.
Исходя из такой потребности в удобрениях, приводим краткий перечень органических отходов различных производств, пригодных для выработки биогаза (биометана) и удобрений: зерновая и меласная послеспиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом (при производстве сахара из свеклы отходы и побочные продукты составляю 85 – 88 % веса сырья), отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки). А также трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов — соленая и сладкая молочная сыворотка, отходы производства биодизельного топлива — технический глицерин от производства биодизеля из рапса, отходы от производства соков — жом фруктовый, ягодный, овощной, виноградная выжимка, водоросли, отходы производства крахмала и патоки — мезга и сироп, отходы переработки картофеля, производства чипсов— очистки, шкурки, гнилые клубни, кофейная пульпа [14].
В таблице 1 приведена возможная выработка биогаза при переработке подобного биотоплива.
Таблица 1 – Средний удельный выход биогаза при переработке различных сельскохозяйственных отходов [15]
Выход биогаза на единицу массы сухого органического вещества, л/кг
Источник