К термохимическим методам относят гидрогенизацию, пиролиз и газификацию биомассы. К биохимическим методам относится биоконверсия биомассы, а к агрохимическим – экстракция

Энергия биомассы и методы ее преобразования

Методы и устройства переработки биомассы [1], [2, С. 109–116], [2, С. 26–93]

Среди энерготехнологических методов переработки биомассы можно выделить термохимические, биохимические и агрохимические.

К термохимическим методам относят гидрогенизацию, пиролиз и газификацию биомассы. К биохимическим методам относится биоконверсия биомассы, а к агрохимическим – экстракция.

Процесс биоконверсии – получения биогаза из органических отходов – состоит в управляемом сбраживании отходов при участии анаэробных бактерий в отсутствие или при недостатке кислорода и света. Биогаз представляет собой смесь метана (около 60…65 %) и углекислого газа (порядка 30 %), а также ряда других газов, содержащихся в существенно меньшем количестве: водород, кислород, сероводород, азот, оксид углерода.

Анаэробное разложение биомассы является двухстадийным процессом. На первой стадии – анаэробной переработки – кислотообразующие бактерии воздействуют на сложные органические вещества и преобразуют высокомолекулярные соединения: жиры, белковые вещества, углеводы – в простые органические кислоты. Вторая стадия – ферментация – связана с переводом простых органических кислот в метан и углекислоту. На этой стадии действует другой вид бактерий – метанообразующие, для которых органические кислоты служат питательной средой.

Для поддержания непрерывности сбраживания необходимо обеспечить надлежащее соотношение между кислотообразующими и метанобразующими бактериями.

Температурный диапазон метафильного (среднетемпературного) сбраживания от 30 до 45 °С, термофильного – от 45 до 60 °С. Длительность процесса составляет от 10 до 20 суток.

Схема технологического процесса получения биогаза из органических отходов на примере биогазовой станции «Лучки» Прохоровский район, Белгородская область, РФ (рис. 4.1) [1].

 

Рис. 4.1. Схема технологического процесса получения биогаза из органических отходов на биогазовой станции «Лучки»: 1 – приемный резервуар; 2 – резервуар-смеситель; 3 – насосная станция; 4 – ферментатор; 5 – резервуар дображивания; 6 – система охлаждения и очистки газа; 7 – блочная ТЭЦ; 8 – хранилище биоудобрений (эффлюента)

 

Рабочий процесс осуществляется следующим образом. Измельченные отходы мясоперерабатывающего завода, жидкий свиной навоз и силос поступают в резервуар-смеситель, а после смешивания подаются в ферментаторы через теплообменники, находящиеся в насосных станциях.

Все компоненты нагреваются до 38…39 °С. Биогазовая установка должна быть абсолютно герметичной, т.к. даже небольшое количество поступившего извне кислорода может воспрепятствовать жизнедеятельности бактерий. Принципиальная схема типовой биогазовой установки приведена на рис. 4.2. [2, рис. 7.1].

Под воздействием бактерий при поддержании заданной температуры происходят процессы кислотообразования и ферментации, в результате которых вырабатывается биогаз. Биогаз по трубопроводам подается в резервуары дображивания. В эти же резервуары подается для дображивания и смесь органических компонентов из ферментаторов.

 

Рис. 4.2. Газификационная установка с подвижным стальным накопителем биогаза: 1 – земляной грунт; 2 – ферментационная камера; 3 – подвижный накопитель газа; 4 – выход газа; 5 – загрузка навоза; 6 – отбор компоста

 

В дображивателях завершается процесс ферментации, газ через систему охлаждения и очистки подается на блочную ТЭЦ, а продукт ферментации (биологические удобрения) – в хранилище удобрений.

Теплотворная способность биогаза в зависимости от находящегося в нем количества углекислого газа составляет 20…26 МДж/м³. Отстой, получаемый в результате анаэробного разложения, (продукты ферментации) имеет гораздо большую ценность как удобрение, чем исходный органический материал, так как содержит большое количество азота.

Биогазификация применяется также для комплексной переработки городских отходов. Городские твердые отходы предварительно измельчаются. Это дает возможность отделить органические вещества от неорганических. Перед загрузкой в биогазовую установку отходы смешивают с питательными и химическими (бикарбонат натрия NaHCO₃, фосфор) веществами, необходимыми для нормальной работы реактора. В реакторе поддерживаются постоянными температура и давление, и его содержимое подвергается непрерывному перемешиванию, благодаря которому обеспечивается равномерное сбраживание субстрата на обеих стадиях процесса. Получаемый биогаз часто загрязнен прочими газами, выделяющимися из отходов. Поэтому его подвергают очистке, а остаток субстрата разделяют на жидкую и твердую фракции. Жидкость может быть возвращена в реактор для дальнейшей переработки, а твердый осадок, если его высушить до 25 % влажности, имеет теплоту сгорания около 9 МДж/кг.