Технологические аспекты производства биогаза

Глава 13. ПРОИЗВОДСТВО И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОГАЗА

В современных условиях для человечества очень важны две проблемы: дефицит энергоносителей и охрана окружающей среды. Именно эти проблемы обусловили формирование нового научно-технического направления − биоэнергетики, суть которого состоит в получении и использовании энергии топлива из возобновляемого органического сырья: − растительной биомассы, сельскохозяйственных, бытовых и промышленных отходов. Запасы растительной биомассы на Земле оцениваются в 1836 млрд. т, что по энергосодержанию эквивалентно 640 млрд. т нефти. Природоохранный аспект биоэнергетики очевиден: энергетическая переработка отходов приводит к значительному уменьшению загрязненности окружающей среды.

Способы получения энергии и топлива из растительной биомассы и отходов разнообразны: сжигание, сухая перегонка, гидролиз с последующей биоконверсией продуктов гидролиза, ферментативное анаэробное разложение.

Наибольший интерес представляют экономичные анаэробные технологии: метановое сбраживание с получением биогаза; биоконверсия в этанол; анаэробная ферментация с образованием ацетона, бутанола и водорода. Одним из наиболее эффективных методов переработки органических отходов является метановое сбраживание, в результате которого органические вещества отходов превращаются в биогаз. Состав биогаза, а также его выход сильно зависят от природы (химического состава) перерабатываемого отхода и колеблется в достаточно широких пределах, % об.: СН₄ − 55−80; СО₂ − 15−50; N₂ − до 5; O₂ − до 3; Н₂S − до 3. Энергетический потенциал биогаза составляет 20−27 МДж/н. м³, плотность при нормальных условиях 0,98−1,40 кг/м³. По теплотворной способности 1 н. м³ биогаза эквивалентен 0,6 дм³ керосина, или 1,5 кг угля.

Известно, что развитие биогазовых технологий позволяет решать проблемы, которые особенно характерны для сельской местности:

− экологическую – утилизация отходов агропромышленного комплекса, бытовых отходов;

− энергетическую – получение газообразного топлива, электрической и тепловой энергии;

− агрохимическую – производство экологически чистых органических удобрений;

− социальную – улучшение условий труда и быта сельского населения.

Мировое производство биогаза для практического применения составляет более 700 млрд. м³ в год. Биогазовые технологии широко распространены в Китае, Индии, США, Канаде, Германии, Англии, Швейцарии и в ряде других стран. В Китае и Индии количество находящихся в эксплуатации биогазовых установок исчисляется миллионами. В Российской Федерации имеется небольшое число действующих промышленных биогазовых установок, предназначенных главным образом для переработки осадков коммунальных очистных сооружений крупных городов. Часть построенных метантенков не эксплуатируется либо функционирует без утилизации биогаза, что объясняется, как правило, отсутствием оборудованных контрольно-измерительными приборами систем биогазоснабжения, а также низким качеством метантенков. В Республике Беларусь анаэробные технологии утилизации органических отходов только начинают внедряться в результате закупки единичных биогазовых установок за рубежом.

В качестве сырья для производства биогаза могут быть использованы отходы, содержащие биологически разлагаемое органическое вещество, имеющие высокую влажность (90−94%), нейтральную или близкую к нейтральной величину рН и не содержащие токсичных химических соединений (антибиотиков, СПАВ и др.) в концентрациях, ингибирующих рост и размножение бактерий. Прежде всего это отходы животноводческих комплексов и птицефабрик, осадки коммунальных и производственных сооружений по очистке сточных вод, промышленные органосодержащие отходы. В США и некоторых странах Западной Европы получает распространение анаэробная переработка городского мусора. Твердофазная метангенерация возможна при условии, что влажность отходов не ниже 30−40%.

Одним из основных сырьевых ресурсов для получения биогаза является навоз. Концентрация животных на крупных фермах и комплексах приводит к резкому увеличению объемов навозных отходов, являющихся серьезным источником загрязнения окружающей среды, в том числе нитратами, патогенными микроорганизмами. Метановое сбраживание является рациональным способом обезвреживания навозных отходов с одновременным получением экологически чистого органического удобрения и газообразного энергоносителя. Анаэробная обработка навоза обеспечивает его дезодорацию, дегельминтизацию, потерю способности семян сорных растений к всхожести, практически полное сохранение важнейших питательных элементов − азота, фосфора, калия.

В мировой практике получили распространение биогазовые установки двух типов: внутрифермерские, обеспечивающие переработку навоза фермы (комплексов) с использованием полученного биогаза на внутрипроизводственные и бытовые нужды; крупные централизованные установки производственного типа, перерабатывающие навозные отходы близлежащих животноводческих ферм и поставляющие очищенный биогаз внешним потребителям.

По принципу функционирования различают установки непрерывной (проточной), периодической и аккумулятивной (бассейновой) систем сбраживания. Непрерывная система наиболее пригодна для крупных биогазовых установок, обеспечивает равномерное образование и максимальный выход биогаза. Исходный субстрат поступает в камеру сбраживания (метантенк) непрерывно или порциями, равномерно, до 10 раз в сутки.

Установки периодической системы включают две или несколько камер сбраживания, которые загружаются и разгружаются попеременно. При загрузке камеры исходный субстрат смешивается с затравочным остатком сброженного на предыдущей операции навоза. Выделение биогаза неравномерное; начинается по истечение 5−10 сут, достигает максимума и постепенно уменьшается до минимума. Коэффициент использования полезного объема камеры значительно ниже по сравнению с непрерывной системой.

При аккумулятивной (бассейновой) системе сбраживания хранилище для навоза выполняет роль камеры сбраживания и одновременно служит для хранения сброженного навоза до его выгрузки. Эта система используется редко, главным образом при переработке жидкого сточного навоза.

Основным оборудованием биогазовой установки является камера сбраживания (метантенк, ферментатор) с нагревательным и перемешивающим устройствами и емкость для хранения биогаза − газгольдер. Метантенки имеют объем от одного десятка до нескольких тысяч кубических метров. Аппараты должны быть герметичными, иметь хорошую теплоизоляцию (практикуется заглубление метантенков в грунт), высокую коррозионную стойкость. Метантенки малых размеров изготавливаются из листовой стали или пластика (полистирола, полипропилена), большие камеры сооружаются из сборного железобетона. Форма метантенков разнообразна (рис. 56).

Наиболее благоприятные гидродинамические условия для перемешивания и тока жидкости создаются в метантенках овальной формы. Цилиндрические камеры с коническими нижней и верхней частями более просты в изготовлении и обеспечивают возможность удаления сверху корки и снизу отстоявшейся жидкой массы. Перемешивание содержимого в цилиндрических метантенках с плоскими крышкой и днищем требует больших удельных затрат энергии. Преимущество камер такой конструкции заключается в технологичности их изготовления. Расположение горизонтальных камер под углом к горизонту способствует лучшему заполнению, смешиванию и выгрузке навоза.

Рис. 56. Формы камер сбраживания:

а − овальная; б − цилиндрическая; в − цилиндроконическая;

г − наклонно-горизонтальная

Нагревательные устройства. Биометаногенез может протекать при различных температурных режимах: психрофильном (до 20°С), мезофильном (20−40°С) и термофильном (40−50°С). Повышение температуры увеличивает скорость сбраживания субстрата. Одновременно возрастает потребность в тепловой энергии на поддержание требуемой температуры ферментационной среды в метантенке. В среднем на стабилизацию температуры в мезофильном процессе расходуется 15−25% образующегося биогаза, а в термофильном − 35−50%.

Подогрев перерабатываемого навоза может осуществляться перед его загрузкой или непосредственно в метантенке. Наиболее характерные технические решения нагревательных устройств приведены на рис. 57.

Греющим агентом в теплообменных устройствах является вода. При малой скорости движения ферментационной среды у поверхности нагревателя и температуре греющего агента выше 60°С взвешенные вещества отлагаются на теплопередающей поверхности и коэффициент теплопередачи снижается. Наиболее эффективен нагрев сбраживаемого материала острым паром или циркуляцией содержимого метантенка через обогреваемый горячей водой теплообменник. Следует учитывать, что в первом случае возрастает содержание влаги в отводимом из метантенка биогазе.

Рис. 57. Схемы нагревательных устройств:

а − настенное отопление; б − донное отопление;

в − отопительный цилиндр; г − теплообменник;

д − отопительный змеевик; е − нагнетание пара

Перемешивание ферментационной среды. При переработке навоза перемешивание сбраживаемого материала является непременным условием эффективной ферментации в связи с тем, что происходит выравнивание температуры в реакционном объеме, ликвидируется градиент концентрации биомассы микроорганизмов и взвешенных веществ по высоте аппарата, улучшается контакт бактерий с субстратом, интенсифицируются массообменные процессы.

Распространенные системы перемешивания среды в метантенках представлены на рис. 58.

		а
	б
		в

Рис. 58. Схемы устройств для перемешивания субстрата

а - механическое перемешивание; б - гидравлическое перемешивание,

в - перемешивание газом

Механические перемешивающие устройства целесообразно применять в метантенках небольшого объема (до 100 м³). Наличие сальниковых уплотнений вала мешалки в реакторе снижает взрывобезопасность устройства. В крупных метантенках эффективно гидравлическое перемешивание или за счет барботажа биогазом, нагнетаемым компрессором из газовой зоны реактора, или из газгольдера. При перемешивании биогазом возникает опасность флотации включений и интенсивного коркообразования на поверхности среды.

Хранение биогаза. В подавляющем большинстве случаев целесообразно использовать биогаз в качестве топлива на месте его производства. При равномерном потреблении биогаза обеспечивают его резерв в объеме не более суточного расхода в емкостных аппаратах-хранилищах различного типа (рис. 59). Газгольдеры изготавливаются из стального листа, пластика, газонепроницаемых прорезиненных тканей или синтетических пленок. Они могут быть «сухими» и «мокрыми», постоянного или переменного объема, низкого (<5 кПа), среднего (0,2−2,0 МПа) или высокого (>20 МПа) давления.

	а
		б

Рис.59. Типы газгольдеров:

а – совмещенные низкого давления:

1 − постоянного объема; 2, 3 − переменного объема;

б − раздельные низкого давления:

1, 2 − переменного объема «сухие»; 3 − пневморегулируемый;

4 − раздельный среднего давления; 5 − раздельный высокого давления

Чаще всего в биогазовых установках используют газгольдеры низкого давления (давление в метантенках обычно находится в пределах 4–10 кПа). Высокое давление необходимо, если биогаз применяется в качестве горючего для транспортных средств.

Принимая давление биогаза после гидрозатвора метантенка 4 кПа, рекомендуют при проектировании системы сбора и транспортировки биогаза потребителю рассчитывать диаметр газопроводов так, чтобы давление биогаза у потребителя составляло 1,2–1,5 кПа, а в газгольдере поддерживалось на уровне 3 кПа. Система утилизации биогаза снабжается факельной «свечой» (для сжигания биогаза), на которую может быть направлен образовавшийся по каким-либо причинам излишек биогаза.

На газгольдер приходится значительная доля стоимости биогазовой установки, поэтому обьем его рассчитывают на 2–4-часовой запас биогаза или на суточный запас для установок малой мощности с неравномерной выработкой биогаза.

Конструкции биогазовых установок. Несмотря на простой аппаратурный состав, существует множество конструкций биогазовых установок, которые различаются главным образом устройством основного аппарата − метантенка, а также уровнем контроля и управления процессом. Можно выделить 4 типа установок:

− без подогрева и перемешивания сбраживаемой массы;

− без подогрева, но с перемешиванием ферментационной среды;

− c подогревом и перемешиванием сбраживаемого субстрата;

− с предварительной подготовкой субстрата к сбраживанию, подогревом и перемешиванием, с системой контроля и управления процессом анаэробного сбраживания.

Простейшие установки первого типа в большом количестве используются в странах с жарким климатом (Индия, Корея, Сингапур и др.). Разогрев, перемешивание и сбраживание массы в этих установках протекает неуправляемо и бесконтрольно, что обусловливает большую продолжительность процесса сбраживания (40 и более сут) и низкий удельный выход биогаза (не более 0,5 м³ на 1 м³ полезного объема метантенка в сутки). Повышение температуры сбраживания до 30°С и перемешивание ферментационной среды увеличивает выход биогаза в 2,0−2,5 раза (до 1,2 м³/м³ в сутки) и сокращает продолжительность процесса до 20−25 сут. Подземное расположение метантенков ограничивает возможности использования современных теплоизоляционных материалов, из-за чего ухудшаются теплотехнические показатели процесса.

Схема классической биогазовой установки для переработки навоза приведена на рис. 60. Метаногенез осуществляют, как правило, при температуре 30−37°С или 50−57°С. Считают рациональной технологию двухстадийной ферментации со смешанным температурным режимом. Первую стадию − кислотогенную − проводят при температуре 30−37°С, вторую − метаногенную − при 50−57°С. Такая технология позволяет экономить энергию при сохранении высокой скорости метаногенеза.

Рис. 60. Технологическая схема производства биогаза:

1 − ферма; 2 − навозоприемник; 3 − насос; 4 − метантенк; 5 − газгольдер;

6 − теплообменник; 7 − котел; 8 − приемник сброженной массы

Степень разложения органического вещества навоза при метановом сбраживании составляет 30−40%. Сброженный навоз удаляется из метантенка в накопитель насосом или самотеком через шлюзовую камеру. Способствует повышению выхода биогаза предварительное диспергирование твердых включений в потоке поступающего в метантенк навоза с помощью мешалки-измельчителя.

В современных биогазовых установках предусматривается автоматическое регулирование температуры сбраживания, уровня ферментационной среды в метантенке, операций по загрузке и разгрузке аппарата. За счет стабилизации оптимальных параметров технологического процесса можно обеспечить выход биогаза около 2 м³ в расчете на 1 м³ метантенка. Установлено, что на скорость процесса и выход биогаза влияет предварительная подготовка навоза, которая включает измельчение включений и выстаивание навоза при температуре метаногенеза до полного потребления кислорода из рабочей суспензии, в результате чего создаются микроаэрофильные условия, способствующие активизации кислотогенных микроорганизмов. Запатентованы способы предварительной химической обработки навоза щелочью или слабой кислотой (до рН 3,5) с выдержкой в течение 6−12 ч при температуре 35−200°С и последующей корректировкой величины рН до оптимальной.

Современные технологии предусматривают отстаивание сброженного навоза в течение 10−12 ч, обезвоживание сформировавшегося осадка центрифугированием с получением удобрения и доочистку осветленной жидкости и фугата на аэробных очистных сооружениях. Возможно использование жидкой фракции в системе орошения сельскохозяйственных угодий. Сброженный навоз вносят на поля в осенне-весенне-летний период, в связи с чем предусматривают хранилище жидкого навоза вместимостью на 3-месячный запас и склад для хранения твердой фазы сброженного навоза. При анаэробной обработке навоза фосфор и калий практически полностью сохраняются в сброженной массе. Потери азота в процессе метаногенеза не превышают 5%.

Исходя из накопленного производственного опыта, в табл. 30 представлены усредненные данные по выходу навоза от сельскохозяйственных животных и птицы и количеству получаемого из него биогаза.

Таблица 30