Расширенный поиск
Рекомендуем

 

 

Главная  /  Каталог статей  /  Отопление и газоснабжение

Получение биогаза

Получение горючего газа из органических отходов открывает возможности использования бытового газового оборудования в местности, где подвод магистрального газа невозможен или запредельно дорог. Биогазовые установки при их правильной эксплуатации позволяют получить необходимое количество газообразного топлива при минимальных затратах.

Отдельные случаи получения биогаза примитивным способом были зафиксированы на Ближнем Востоке и в Азии, начиная с XVII века до нашей эры. Но систематические научные исследования стали проводить только спустя 3,5 тысячелетия.

Первое научно обоснование образования горючего газа в болотах и озерных отложениях дал А. Вольта в 1776 году, установив наличие метана в болотном газе. Свой вклад в изучение происхождения биогаза внесли и российские ученые. Влияние температуры на количество выделяемого газа детально изучил Попов в 1857 году. Он определил, что речные отложения начинают выделять биогаз при температуре близкой к 6°С. С ростом температуры до 50°С количество выделения газа значительно увеличивается, при этом состав газа остается неизменным – 65% метана, 30% углекислого газа, 1% сероводорода, а также примеси азота, оксида водорода и окиси углерода.

Детальным исследованием природы анаэробного брожения занимался В.Л. Омельянский. Его наработки пригодились европейским ученым, которые в 1881 году занялись исследованиями по использованию биогаза для освещения и обогрева жилых помещений. Начиная с 1895 года, уличное фонарное освещение целого района города Эксетер обеспечивалось газом, получаемым в результате брожения сточных вод в закрытой емкости. Через два года биогазовая установка дала первый газ в индийском Бомбее. Этот газ использовался там для работы различных промышленных двигателей.

В начале ХХ века были проведены исследования в области повышения количества биогаза путем увеличения температуры брожения. Немецкие ученые Имхофф и Бланк в 20-ых годах ХХ века запатентовали ряд нововведений, которые описывали устройства по обогреву емкости для брожения органики.

Дефицит топлива в период Первой мировой войны привел к распространению биогазовых установок в Европе. Но первые биогазовые установки были несовершенны, поскольку в них не устанавливался оптимальный режим синтеза. Одним из важнейших научных шагов в истории развития биогазовых технологий базируется на экспериментах Бусвелла по комбинированию различных видов органических отходов с навозом, проводимые в 30-ых годах ХХ века.

Биотехнология анаэробного метанового брожения

Свежий навоз, получаемый на животноводческих фермах, и его жидкие составляющие вместе со сточными водами являются загрязнителями окружающей среды. Повышенная чувствительность сельскохозяйственных культур к свежему навозу приводит к его невостребованности и, как следствие, к загрязнению грунтовых вод и воздушного бассейна. В животном навозе сохраняется жизнедеятельность болезнетворных бактерий, а также жизнеспособность яиц гельминтов и семян сорных трав.

Следствием накопления большого количества отходов является негативное влияние на окружающую среду, а именно:

  •  эмиссия газов;
  •  проникновение в грунтовые воды;
  •  заражение емкостей и резервуаров, находящихся на поверхности, распространение болезнетворных микроорганизмов.

Для устранения этих негативных последствий необходима специальная технология обработки навоза, позволяющая повысить концентрацию питательных веществ и одновременно устранить неприятные запахи, подавить патогенную микрофлору, снизить содержание канцерогенов.

Цикл получения биогаза

Перспективным, экологически безопасным и экономически выгодным направлением решения этой проблемы является анаэробная переработка навоза и отходов в биогазовых установках. Образующаяся после переработки органическая масса представляет собой качественное обеззараженное натуральное удобрение.

Для получения биогаза используется дешевое и доступное сырье – сельскохозяйственные отходы: помет крупного и мелкого рогатого скота, свиней, птичий помет, солома, стружка, тырса, сорная растительность, органические бытовые отходы, отходы жизнедеятельности человека, различный органический мусор (листья, срезанные побеги, трава и т.д.).

Полученный биогаз может быть использован для отопления жилых и хозяйственных помещений, теплиц, приготовления еды, для прочих сельскохозяйственных нужд (сушки сельхозпродукции и древесины). Содержание питательных веществ после утилизации навоза увеличивается на 15% по сравнению со свежими отходами. При этом в утилизированном продукте отсутствуют живые гельминты болезнетворные бактерии, а также семена сорняков. Такой перегной может использоваться без дополнительных выдержек. Дополнительным продуктом утилизации является жидкий экстракт, который идет на полив овощей и сельскохозяйственных трав. Сухое удобрение используется по его прямому назначению. Урожайность овощей при этом увеличивается на 20-30%, а зерновых культур на 12-15%.

Одна корова способна производить навоз, из которого можно получить до 2,5 м³ биогаза в сутки. Данное количество в энергетическом эквиваленте соответствует 1,5м³ природного газа или 1,65 л дизтоплива.

Согласно приведенной технологической схеме биогазовая установка работает следующим образом. По мере накопления в резервуаре (15) органических отходов они откачиваются фекальным насосом (14) в верхнюю часть реактора (1). В реакторе органика перемешивается и увлажняется до необходимой концентрации сухого вещества. В процессе транспортировки субстрат и свежая органическая масса обмениваются теплом в теплообменнике (13). При этом отработанный шлам теряет тепло, а свежие поступления нагреваются. Подогрев субстрата осуществляется в теплообменнике (3), находящемся в реакторе. Регулировка мощности теплообменника осуществляется с помощью миксерной установки, в которую входит трехходовый кран с сервоприводом (10) и циркуляционный насос.

Образующийся биогаз постепенно поступает в устройство удаления серы (5), удаления углекислого газа (6), и собирается в газгольдере (7). Газ направляется по трубопроводу 9 на нужды самой БГУ (биогазовой установки), и по трубопроводу(8) в отбор для хознужд.

Биогазовая установка с рекуперацией тепла

Схема производства биогаза:1 – реактор установки с конусами доверху и донизу; 2 – верхний конус установки для сбора биогаза; 3 – трубчатый нагревательный элемент; 4 – нижний конус для сбора шлама; 5 – устройство для удаления серы; 6 – устройство для удаления углекислого газа; 7 – газгольдер; 8 – трубопровод поставки готового биогаза; 9 – трубопровод транспорт биогаза на нужды БГУ; 10 – сервопривод с трехходовым клапаном; 11 – трубопровод жидкой фазы шлама; 12 – сепаратор фаз отработанного субстрата; 13 – коаксиальный теплообменник для рекуперации тепла отработанного шлама; 14 – фекальный насос; 15 – резервуар для органических отходов; 16 – циркуляционный насос системы теплообеспечения БГУ; 17 – поле сушки сухой части шлама.

Отработанный шлам обладает высоким запасом тепловой энергии, который обычно рассеивается в окружающей среде. Летом разница температур между биомассой, находящейся в реакторе и покидающей его составляет 20°С. Зимой эта разница может достигать 40-50°С. Для максимально полной утилизации тепла рекомендуется использовать тепловой насос, позволяющий снизить потери тепла при нагревании поступающего сырья в несколько раз.

Метаногенез и оптимальные условия его протекания

Процесс биометаногенеза проходит при участии метанобразующих микроорганизмов, из которых только известных видов насчитывается до пятидесяти. Это симбиотическое сообщество способно поддерживать внутри своей среды оптимальный водородный показатель рН, окислительно-восстановительный потенциал и термодинамическое равновесие в реакторе.

Формирование микрофлоры метантенка происходит за счет микроорганизмов, которые попали в него вместе с субстратом. Биометаногенез протекает в трех этапах: гидролиз, ацидогенез и, собственно, метаногенез.

Для активной деятельности метаногенов необходимо создать ряд условий. Благоприятной для жизнедеятельности метанобразующих микроорганизмов является среда, в которой концентрация сухого вещества находится на уровне 8-12%, а длина частиц биомассы не превышает 3 см.

Оптимальными температурами, при которых жизнедеятельность метанобразующих микроорганизмов протекает наиболее активно, являются: 6-20°С (психрофиты), 32-33°С (мезофиллы), 52-54°С (термофилы). Таким образом, различают три температурных режима получения биогаза:

  •  психофильный – 0-20°С;
  •  мезофильный – 20-40°С;
  •  термофильный – 40-60°С.

В ферментируемой биомассе должны отсутствовать тяжелые металлы, антибиотики и прочие токсины.

Подготовка биогаза для использования в теплотехническом оборудовании

Метан можно использовать как топливо, а диоксид углерода – как инертный газ для сварочных работ, заправки огнетушителей, в пищевой промышленности и как удобрение в тепличных хозяйствах. СО2 (углекислый газ) и Н2S (сероводород) являются самыми распространенными вредными примесями биогаза. Количество сероводорода варьируется от нескольких процентов, до долей процента в зависимости от источника. Кроме того, биогаз содержит балластовые и вредные примеси, способные вызывать коррозию и загрязнение аппаратуры. Для удаления этих примесей газ подвергается очистке (грубой, тонкой и средней) в зависимости от требуемой чистоты газа.

Основные свойства загрязнителей биогаза.

Углекислый газ является кислотным оксидом способным ограниченно растворяться в воде и сильно взаимодействовать с щелочами, растворами солей, обладающих щелочными свойствами, карбонатами натрия и калия, органическими соединениями, содержащими этанолы. Диоксид углерода содержится в природном и коксовом газе и в биогазе, где его содержание наибольшее – 20-4 об.%.

Сероводород – бесцветный газ с характерным тухлым запахом. Этот газ немного тяжелее воздуха, сжижается при -60°С и переходит в твердое состояние при -85,7°С. На воздухе сероводород горит с выделением диоксида серы и воды.

Грубая очистка биогаза производится следующими способами:

  • очистка водой под давлением;
  •  этаноламиновая очистка;
  •  очистка горячим поташем.

Тонкая очистка:

  •  щелочная очистка газа от СО2;
  •  очистка от СО2 методом низкотемпературной абсорбции метанолом;
  •  биокаталитическая безреагентная очистка от Н2S.

Грубая очистка биогаза позволяет использовать его для работы газовых горелок плит и водогрейных котлов. Тонкая очистка требуется для использования газа в качестве топлива для ДВС, а также при транспортировке на дальние расстояния. При использовании биогаза для бытовых и хозяйственных нужд обычно хватает грубой очистки.

06.01.2014
Автор текста: М. Тамилин



Понравилась статья? Поделись с друзьями:


Данный текст статьи защищен авторскими правами! Любое копирование возможно, только после письменного согласия администрации.

Карта сайта|Контакты|Политика конфиденциальности