Перспектива использования биогаза

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПЕРСПЕКТИВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОГАЗА

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Биогаз как нетрадиционный источник энергии

1.2 Перспектива биогазовых технологий

1.3 Сырьё для получения биогаза

1.4 Процесс метанового брожения биогаза

1.5 Перспективы установки биогазовой установки и их типы для частного сектора

1.5.1 Продукты биогазовой установки

1.5.2 Хранение продуктов, произведенных биогазовой установкой

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Объекты исследования

2.2 Методики исследования

2.2.1 Статистические методы анализа

2.2.2 Метод расчета биогаза по различным сырьевым продуктам

2.2.3 Метод расчета выхода биогазa

2.2.4 Метод расчета веса биошлама

2.2.5 Расчет конструктивно-технологических параметров для выбора биогазовой установки

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЯ

3.1 Статистический анализ населения Республики

3.2 Анализ климатических условий регионов Казахстана

3.3 Анализ животноводства по регионам Республики

3.4 Анализ кормовой базы регионов Казахстана

3.5 Результаты расчета выхода биогаза

3.6 Потенциал энергии биогаза

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

РЕЗЮМЕ

В мире спрос на энергоносители значительно выше их предложения. Этот процесс ускорил развитие и внедрение энергосберегающих технологий, одной из которой является использование биогаза. Целью данного исследования было изучение перспектив применения биогаза в частном секторе.

Ключевые слова: биогаз, метан, микроорганизмы, метанобразующие бактерии, навоз.

ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Возобновляемый источник энергии - источник энергии, использующий энергию Солнца, ветра, Земли, биомассы, морей и океанов, рек (с использованием мини и микро ГЭС), которые существуют постоянно или периодически возникают в окружающей среде.

Биомасса - не ископаемые органические вещества биологического происхождения.

Первичная биомасса - растения, непосредственно (или без химической обработки) используемые для получения (добычи) энергии. К ним относятся, прежде всего, отходы сельского и лесного хозяйства.

Вторичная биомасса - остатки переработки первичной биомассы веществ - прежде всего в результате их потребления человеком и животными или переработки в домашнем хозяйстве или промышленности. К ним относятся, прежде всего, навоз, жидкий компост, жидкие стоки очистных сооружений.

Биотопливо - отходы сельскохозяйственного производства, пищевой и других видов промышленности, органическое вещество сточных вод и городских свалок - отходы, состоящие из биологического сырья -- веществ биологического происхождения.

Брожение - анаэробный (происходящий без участия кислорода) метаболический распад молекул органических веществ.

Биогаз - газ, получаемый водородным или метановым брожением биомассы.

Парниковый газ - газ с высокой прозрачностью в видимом диапазоне и с высоким поглощением в дальнем инфракрасном диапазоне.

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВИЭ - возобновляемые источники энергии

БГУ - биогазовая установка

ТБО - твердые бытовые отходы

КРС - крупно рогатый скот

БГ СХП - биогаз, получаемый из сельскохозяйственных производств

БГ КОС - биогаз, получаемый в канализационных сооружениях

БГ ТБО - биогаз, получаемый на полигонах твердых бытовых отходов

ОСВ - органический компонент сухого вещества

ГСМ - горюче-смазочные материалы

ВВЕДЕНИЕ

Постепенно подходит к своему концу эпоха углеводородной экономики. Наступает новый период, в которой человеческая жизнедеятельность будет основываться не только и не столько на нефти и газе, сколько на возобновляемых источниках энергии.

Казахстан является одним из ключевых элементов глобальной энергетической безопасности. Наша страна, обладающая крупными запасами нефти и газа мирового уровня, ни на шаг не будет отступать от своей политики надежного стратегического партнерства и взаимовыгодного международного сотрудничества в энергетической сфере.

В стратегии «Казахстан 2050» говорится: «В условиях ограниченности, исчерпаемости природных ресурсов Земли беспрецедентный в истории человечества рост потребления будет подогревать разнонаправленные как негативные, так и позитивные процессы. Наша страна обладает здесь рядом преимуществ. Важно переосмыслить наше отношение к своим природным богатствам. Мы должны научиться правильно ими управлять, и самое главное - максимально эффективно трансформировать природные богатства нашей страны в устойчивый экономический рост. Оставаясь крупным игроком на рынке углеводородного сырья, мы должны развивать производство альтернативных видов энергии, активно внедрять технологии, использующие энергию солнца и ветра. Все возможности для этого у нас есть. К 2050 году в стране на альтернативные и возобновляемые виды энергии должно приходиться не менее половины всего совокупного энергопотребления» [1].

Современное состояние энергетики во всем мире характеризуется дефицитом и загрязнением окружающей среды вредными отходами разных производств. Стратегия развития энергокомплексов многих стран мира связана с использованием новых (нетрадиционных) и возобновляемых источников энергии, что является реальным путем для успешного решения проблемы энергоснабжения и сохранения окружающей среды [2].

В понятие возобновляемой энергетики входят технологии и устройства, создающие электричество и тепло, и отличающиеся от основных средств современной энергетики, работающих на углеводородном сырье и ядерном топливе тем, что используют иные источники энергии (например, силу ветра, энергию солнца и т.д.) и считающихся возобновляемыми.

В мировой практике газоснабжения собран достаточный опыт использования возобновляемых источников энергии, в том числе, энергии биомассы. Наиболее перспективным газообразным топливом является биогаз, использование которого в последние годы продолжает возрастать. Под биогазами подразумеваются метансодержащие газы, которые образуются при анаэробном разложении органической биомассы [3].

В данной работе рассмотрены технологии получения этих газов, их состав, положительные эффекты на состояние экологии и экономики.

Актуальность темы исследования:

Ограниченность запасов традиционных источников энергии, и приносимый ими вред окружающей среде, дает перспективы использования биогаза как альтернативу традиционным источникам энергии. Использование возобновляемых источников энергии, таких как биогаз сохраняет традиционные полезные ископаемые на территории страны. Казахстан является аграрной страной, а 86% биогазового потенциала содержится в сельскохозяйственном сырье и лишь 8% в промышленных и коммунальных отходах [4], поэтому целесообразно массовое использование биогаза в частном секторе.

Цель работы: Изучение перспективы использования биогаза в частном секторе, аналитический расчет получения тепловой энергии для определения его эффективного использования.

Задачи исследования:

- определение регионов страны - потенциальных потребителей биогаза и биогазовых установок по следующим критериям: климатическим, наличию кормовой базы для КРС, численности населения сельской местности, численности КРС в частном секторе;

- сравнительный анализ замещения биогазом традиционных источников энергии и тепла для Южно-Казахстанской и Алматинской областей;

- оценка количества сырья (кормовой базы) для производства биогаза по регионам страны;

- определение выработки биогаза из продуктов жизнедеятельности КРС.

Теоретическая и практическая значимость исследования:

- определение эффективности использования биогаза и установок по выработке биогаза в частном секторе РК, с учетом влияния типов климатических зон республики.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Биогаз как нетрадиционный источник энергии

Энергетический кризис 1973 г. и Чернобыльская катастрофа 1986 г. заставили большинство стран пересмотреть свою энергетическую политику в отношении темпов и перспектив использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) [5].

В понятие нетрадиционной или альтернативной (возобновляемой) энергетики входят технологии и устройства, создающие электричество и тепло, и отличающиеся от основных средств энергетики сегодняшнего дня, работающих на углеводородном сырье и ядерном топливе тем, что используют иные источники энергии (например, силу ветра, энергию солнца и т.д.).

Отрицательные тенденции развития традиционной энергетики обусловлены в основном наличием двух факторов - быстрым истощением природных ресурсов и загрязнением окружающей среды. Примерно около 80% всех видов загрязнений приходится на сжигание и получение энергии из традиционных источников энергии. Истощение залежей угля предполагается в 2082-2500 гг., а запасов нефти хватит примерно на 40-50 лет [6].

Современные технологии традиционной энергетики повышают эффективность использования энергоносителей, но никак не улучшают экологическую ситуацию и в следствии этого тепловое, химическое и радиоактивное загрязнение окружающей среды может привести к катастрофическим последствиям.

В связи с этим возникает необходимость выявления возможностей рационального использования ресурсов традиционной энергетики с одной стороны и развитие научно-технических работ по использованию нетрадиционных и возобновляемых источников энергии - с другой.

В нетрадиционной энергетике особое место занимает переработка биомассы (органических сельскохозяйственных и бытовых отходов) метановым брожением с получением биогаза, содержащего около 50-70% метана, и обеззараженных органических удобрений [7].

Чрезвычайно важна утилизация биомассы в сельском хозяйстве, и в сферах, где на различные технологические нужды расходуется большое количество топлива и непрерывно растет потребность в высококачественных удобрениях. Всего в мире в настоящее время используется или разрабатывается около 60-ти разновидностей биогазовых технологий.

В зависимости от источника получения биогазы подразделяются на три основных вида:

- газ из метантенков, получаемый на городских очистных канализационных сооружениях (БГ КОС);

- биогаз, получаемый в биогазовых установках (БГУ) при сбраживании отходов сельскохозяйственных производств (БГ СХП);

- газ свалок, получаемый на полигонах отходов, содержащих органические компоненты (БГ ТБО).

В каждом крестьянском хозяйстве в течение года собирается значительное количество отбросов. Это может быть навоз, ботва растений и другие различные пищевые отходы. Обычно после разложения их используют как органическое удобрение. Биогаз, выделяемый при ферментации в дальнейшем использованный в виде энергии может быть использован для бытовых нужд сельскими жителями.

Биогаз - это смесь метана и углекислого газа, образующаяся в специальных реакторах - метантенках, устроенных и управляемых таким образом, чтобы обеспечить максимальное выделение метана. Энергия, получаемая при сжигании биогаза, может достигать от 60 до 90% той, которой обладает исходный материал [8]. Однако биогаз получают из жидкой массы, содержащей 95% воды, поэтому на практике точный выход биогаза достаточно трудно определить. Другое, и очень важное, достоинство процесса переработки биомассы состоит в том, что в его отходах содержится значительно меньше болезнетворных микроорганизмов, чем в исходном материале.

При производстве биогаза отходы, которые образуются (шламы биогазовой установки), могут быть использованы непосредственно без каких-либо дополнительных преобразований. Они представляют собой прекрасное высокоэффективное и экологически безопасное удобрение. Ценность этого удобрения настолько высока, что сравнима или даже превосходит ценность вырабатываемого биогаза. Поэтому при правильной утилизации всех выходных продуктов биогазовой установки срок ее окупаемости может быть существенно ниже, чем у всех других устройств альтернативной энергетики.

В среднем по подсчетам из 1 кг органического вещества, биологически разложимого на 70%, производит 0,18 кг метана, 0,32 кг углекислого газа, 0,2 кг воды и 0,3 кг неразложимого остатка [9].

Состав биогаза. Биогаз - смесь метана и углекислого газа (45-65% метан, 25-35% СО2), получаемая в результате анаэробной (без доступа воздуха) ферментации (перепревании) органических веществ самого разного происхождения в специальных реакторах - метантенках, устроенных и управляемых таким образом, чтобы обеспечить максимальное выделение метана [10].

В продуктах альтернативной энергетики биогаз занимает немного особенное положение. Обычно все устройства альтернативной энергетики производят энергию из так называемых «возобновляемых источников». Называются они так потому, что на самом деле энергия эта берется от солнца, причем временной промежуток между попаданием конкретной порции солнечной энергии на Землю и ее утилизацией устройствами альтернативной энергетики относительно небольшой, от нуля до максимум нескольких лет.

Метан, болотный, или рудничный газ - CH4, первый член гомологического ряда насыщенных углеводородов (алканов); бесцветный газ без запаха; tкипения - 164,5 °С; tплавления - 182,5 °С; плотность по отношению к воздуху 0,554 (20°С); горит почти бесцветным пламенем, теплота сгорания 50,08 МДж/кг (11954 ккал/кг); реакция горения:

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O + 144,8ккал/моль.

Метан - наиболее термически устойчивый, насыщенный углеводород, основной компонент природных газов (77--99% по объёму), попутных нефтяных газов (31--90%) и рудничных газов (34--40%). Также метан встречается в вулканических газах; непрерывно образуется при гниении органического веществ под действием метанобразующих бактерий в условиях ограниченного доступа воздуха (болотный газ, газы полей орошения).

Биогаз также выделяется из биомассы, не только растительной, но и животной биомассы. Поэтому сроки окупаемости устройств для получения биогаза (биогазовых установок или БГУ) могут иметь тот же порядок, что и сроки окупаемости других устройств альтернативной энергетики [11].

Наиболее важные для практического применения физические свойства биогаза таковы: средняя теплота сгорания биогаза, содержащего около 60% метана равна 22 МДж/м3. Поскольку горючая часть биогаза состоит из метана (температура воспламенения метана около 645°С), его причисляют к семейству природных газов. Из одной тонны навоза КРС можно получить до 60 м3 биогаза.

Биогаз, как и биоэтанол, производится с использованием биологических преобразований. В процессе этих преобразований биомасса разлагается как на энергетический продукт (биогаз, спирт), так и на органические отходы. В случае с получением биоэтанола такие отходы непосредственно представляют вред для окружающей среды, и только после энергоемкой переработки (сушки и измельчения) могут быть использованы в качестве корма для скота.

Xимический состав биогаза. Биогаз по своему химическому составу преимущественно состоит из метана (CH4). Это горючий газ, младший в ряду углеводородов, из которого преимущественно состоит известный природный газ. Но природный газ содержит метана более 90%, а биогаз -45-75%. В жидкое состояние метан переходит при температуре -161,600C. Метан почти не растворим в воде. Метан легче воздуха. При комнатной температуре и при нормальном атмосферном давлении метан практически не вступает в химические реакции [12].

Второй значительный по объему составляющий компонент биогаза - углекислый газ (CO2). Этот газ выделяется при аэробном дыхании всех живых организмов. Он тяжелее воздуха, хорошо растворяется в холодной воде. При комнатной температуре и давлении больше чем 5,28 атм углекислота переходит в жидкое состояние. В биогазе содержится около 25-35% углекислого газа.

Третий компонент биогаза - это пары воды (H2O). Количество паров воды зависит от температуры биогаза и условий его получения и хранения и составляет единицы процентов. Обычно биогаз осушают перед использованием.

Четвертый компонент биогаза, который часто присутствует в нем - сероводород (H2S). Его может содержаться в биогазе от 0 до 2%. Сероводород плохо растворяется в воде. При сжигании сероводорода получается сернистый газ (SO2). В большой концентрации сероводород разъедает металлы. Также сернистый газ может служить источником получения серной кислоты [13].

Пятый компонент биогаза - аммиак (NH3). Обычно его концентрация не превышает одного процента. Это тоже один из агрессивных газов.

Остальные компоненты присутствуют в биогазе в виде следов в доли процента - азот, кислород, водород. Они не оказывают существенного влияния на его свойства.

Таблица 1 - Состав биогаза

Газ	химическая формула	объем
Метан	CH4	40-70%
Углекислый газ	CO2	30-60%
Другие газы		1-5%
Водород	H2	0-1%
Сероводород	H2S	0-3%

биогаз установка энергия источник

При сжигании биогаза сгорает метан, содержащийся в нем. Теплота, образующаяся при сгорании биогаза, меньше теплоты, образующейся при сжигании природного газа, это связано с пропорциональным соотношением количеств метана в природном газе и биогазе. Поскольку в биогазе меньше метана, чем в природном газе, то для сгорания единицы объема биогаза нужно меньше воздуха, чем при сжигании такой же единицы объема природного газа. Поэтому, если применяются горелки для газа, в которых сжигается предварительно созданная смесь горючего газа и воздуха, то для таких горелок надо уменьшать подачу воздуха в смесь при сжигании биогаза. Это единственное изменение, которое имеет смысл вносить в бытовые газовые приборы при настройке их для работы на биогазе [14].

Смесь биогаза с воздухом может быть взрывоопасной. Но взрывоопасна она в гораздо более узком диапазоне соотношений воздуха и биогаза, чем для смеси природного газа и воздуха. Поэтому вероятность взрыва смеси биогаза с воздухом при утечке намного меньше, чем при утечках природного газа. Средняя плотность биогаза составляет примерно 1,13 кг/м3, то есть, в среднем он легче воздуха, плотность которого при комнатной температуре составляет около 1,2 кг/м3 [15].

Таблица 2 - Основные характеристики биогаза (состав: 60% метан, 38% углекислый газ, 2% газовые примеси) по сравнению с другими горючими газами (согласно Кьюберле [16]).

Основные характеристики горючести биогаза и других газов
Газ	Еденица измерения	Биогаз	Природный газ	Пропан	Метан	Водород
Теплота сгорания	кВт*ч/мі	6	10	26	10	3
Плотность	кг/мі	1,2	0,7	2,01	0,72	0,09
Соотношение плотности с воздухом		0,9	0,54	1,51	0,55	0,07
Температура воспламенения	?С	700	650	470	650	585
Максимальная скорость распостранения пламени в воздухе	м/с	0,25	0,39	0,42	0,47	0,43
Предел воспламенения газа в воздухе	%	6-12	5-15	2-10	5-15	4-80
Теоретическая потребность в воздухе	мі/мі	5,7	9,5	23,9	9,5	2,4

1.2 Перспектива биогазовых технологий

Отлаженно работающая биогазовая установка, приносит преимущества ее владельцу, обществу и окружающей среде в целом. Эти перспективы можно обобщить как:

Экономия денег:

* экономятся деньги, ранее затрачиваемые на топливо и электроэнергию;

* экономятся деньги, затрачиваемые на покупку удобрений и гербицидов;

* возможность продажи биогаза и биоудобрения;

* можно получать дополнительный заработок при повышении урожайности выращиваемых сельскохозяйственных культур за счет применения биоудобрений;

* получение дополнительных доходов при выращивании животных и птиц за счет кормовых добавок из переработанного сырья.

Быстрая окупаемость установок:

* биогазовая установка c подогревом сырья любой мощности окупается примерно за год эксплуатации;

* уменьшается риск респираторных и глазных заболеваний за счет очистки воздуха в результате сокращения объемов органических отходов в местах их складирования;

* улучшается эпидемиологическая обстановка в результате гибели части микроорганизмов, содержащихся в отходах;

* улучшается здоровье за счет получения экологически чистой сельскохозяйственной продукции при использовании экологически чистых удобрений.

Экономия времени, места и труда:

* экономия времени, затрачиваемого на обслуживание печи по сравнению с обслуживанием печей использующих уголь, дрова и т.п.;

* экономия времени, затрачиваемого ранее на сбор, транспортировку, сушку топлива, и место, занимаемое топливом - кизяком, углем, дровами и т.д.;

* экономия времени при использовании биоудобрений, затрачиваемого на прополку сорняков, вносимых с обычным навозом, так как их семена погибают в процессе сбраживания в реакторе биогазовой установки.

Экологические выгоды:

* уменьшение выброса в атмосферу метана (парниковый газ), образуемого при хранении навоза под открытым небом;

* уменьшение выброса углекислого газа и продуктов сгорания угля, дров и других видов топлива;

* уменьшение загрязнения воздуха азотистыми соединениями, имеющими неприятный запах;

* уменьшение загрязнения водных ресурсов навозными стоками;

* сохранение леса от вырубки;

* уменьшение использования химических удобрений [17-19].

Цели использования биогазовой технологии:

· Производство высококалорийной энергии

· Производство высококачественных удобрений

· Уменьшение интенсивности запахов

· Уменьшение агрессивного разъедающего действия

· Улучшение показателей текучести

· Уменьшение загрязнения воздуха аммиаком и метаном

· Предотвращение потери питательных веществ

· Уменьшение вымывания нитратов

· Лучшая приспособляемость к потреблению растениями

· Улучшение здоровья растений

· Гигиенизация гноя

Состояние использования биогаза в частном секторе Казахстана

В мировой структуре энергопотребления возобновляемые источники энергии (ВИЭ) занимают около 7%. В Казахстане доля ВИЭ в энергобалансе менее 0,5%, потенциал ВИЭ в Казахстане огромен - около 1 трлн. кВт/ч в год (примерно в 10 раз больше потребления электроэнергии в стране). Но реально «зеленой» энергии вырабатывается около 0,4-0,5 млрд. кВт/ч в год. То есть потенциал ВИЭ сегодня реализован на 0,05% в Казахстане.

Условия развития установок массового внедрения БГУ зависит от многих факторов, в том числе:

1. От климатических

2. От площади земельных угодий

3. От водообеспеченности

4. От кормовой базы

5. От количества хозяйств

6. От численности поголовья скота

Рассмотреть весь круг вопросов, связанных с влиянием этих факторов на перспективу развития биогазовых установок в частном секторе Республики Казахстан, в одной небольшой работе не представляется возможным. В данной работе были рассмотрены некоторые аспекты проблемы.

Метановый газ, содержащийся в биогазовой смеси, имеет энергетическую ценность от 10 кВт на мі (применительно к чистому метану) и является таким же газом, как и природный газ. Если смесь газов переводить в электрический ток с помощью генератора, то при его эффективности, например: 35% с 10 кВт брутто образуется 3,5 кВт электрического тока, который можно непосредственно подавать в сеть электрического питания [20].

Энергия, полученная из биогаза, принадлежит к возобновляемой, поскольку происходит из органического возобновляемого субстрата. Фактом является то, что ископаемые энергоносители на Земле заканчиваются и существует насущная потребность в альтернативных источниках, что придает еще большее значение производству биогаза на биогазовых установках. Кроме того, энергетическое использование биогаза по сравнению со сжиганием природного газа, сжиженного газа, нефти и угля является нейтральным по отношению к СО2, поскольку выделяемый СО2 пребывает в пределах естественного круговорота углерода и потребляется растениями на протяжении вегетационного периода. Таким образом, концентрация СО2 атмосфере по сравнению с использованием твердого топлива не увеличивается (рисунок 1).



Рисунок 1 - Круговорот двуокиси углерода органических субстратов

Однако метан также имеет и свои недостатки: при попадании в атмосферный воздух, он очень медленно окисляется на двуокись углевода и воду под воздействием солнечных лучей, озона и так называемых радикалов (молекулы НО- быстро вступающие в реакцию). Метан, также как и двуокись углевода, является причиной парникового эффекта на 20 % и идет после двуокиси углевода, который на 50% вызывает парниковый эффект, и поэтому метан также считается загрязнителем [21]. Кроме того, при окислении он потребляет озон и этим самым делает свой вклад в увеличение озоновой дыры в стратосфере. Газовый факел, при помощи которого в аварийных случаях сжигают газ до неопасной двуокиси углевода, имеет большое значение также по этой причине.

До периода индустриализации производство метана и его расщепление пребывали в равновесии. Сегодня этот баланс в значительной мере нарушен: при добыче угля, нефти и природного газа выделяется огромное количество не сожженного метана в атмосферу. К этому добавляется еще большое количество газа, которое возникает во всем мире от выращивания риса и животноводства. За последние несколько десятилетий это привело к постоянному возрастанию метана в атмосфере Земли. По этой же причине также потребление биогаза в технических целях имеет особое значение, поскольку, таким образом, уменьшается эмиссия метана в атмосфере.

Исходя из вышеизложенного видно, что во всем мире, в течение последних десятилетий возрастал интерес к выработке биогаза [22]. Ниже приведена иллюстрация, как изменялось в последние десятилетия в Германии количество биогазовых установок (рисунок 2).

Рисунок 2 - Рост числа сельскохозяйственных биогазовых установок в Германии

1.3 Сырье для получения биогаза

Список органических отходов, пригодных для производства биогаза очень обширен: навоз, птичий помёт, зерновая и меласная после спиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки), трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов - соленая и сладкая молочная сыворотка, отходы производства биодизеля - 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 [23].

Кроме отходов биогаз можно производить из специально выращенных энергетических культур, например, из силосной кукурузы или сильфия, а также водорослей. Выход газа может достигать до 300 мі из 1 тонны.

Таблица 3 - Выход биогаза из отходов пищевой промышленности

Субстрат	м3/т	CH4%
Каныга	60.5	55.0
Очистки сои	516.7	52.7
Картофельная барда, свежая	35.0	56.3
Овсяные хлопья	619.7	53.5
Пивная дробина, свежая	122.2	59.3
Отруби	262.4	50.7
Силосованная пивная дробина	136.5	59.1
Яблочная мезга	111.6	51.7
Соевая мука	551.6	61.2
Пшеничная барда, жидкая	36.1	58.9
Кукурузный глютен	597.1	66.0
Лактоза	756.0	50.0
Цельное коровье молоко	114.9	62.8
Пивные дрожжи, вареные	60.7	62.1
Пивные дрожжи, сухие	505.8	61.0
Старый хлеб	482.0	52.8
Отходы пекарен	650.6	52.8
Отходы сыроварни	673.8	67.5
Пищевые отходы с низким содержанием жира, влажные	75.4	59.8
Пищевые отходы с высоким содержанием жира	126.5	62.0
Пахта, свежая	54.4	59.2
Казеин	567.4	69.1
Обезжиренное молоко, сухое	628.7	57.7
Рапсовая мука	496.1	59.8
Мука подсолнечника	488.2	61.3
Разные пищевые отходы	120.0	60.0

Выход биогаза зависит от содержания сухого вещества и вида используемого сырья. Из тонны навоза крупного рогатого скота получается примерно 50-65 мі биогаза с содержанием метана около 60 %, 150-500 мі биогаза из различных видов растений с содержанием метана до 70 %. Максимальное количество биогаза - это 1300 мі с содержанием метана до 87 % - можно получить из жира [24].

В Казахстане с учетом потенциала сельско-хозяйственных угодий, сельских районов и частных секторов, нужно уделить внимание на то, что в стране преобладает животноводчество и нужно рассматривать потребностьв переработке биомассы животного происхождения. Так как в частных секторах и селах (в аулах) сельчане содержат небольшое количество малого и крупного скота, и использование биогаза на основе отходов животных очень приемлемо в таких условиях.

Таблица 4 - Отходы животноводства

Субстрат	м3/т	CH4%
Жидкий свиной навоз	20.4	60.0
Свиной навоз с подстилкой	74.3	60.0
Овечий навоз	108.0	55.0
Жидкий навоз скота на откорме	34.0	55.0
Свежий коровий навоз	90.0	50.0
Навоз молочных коров	29.8	55.0
Навоз молочных коров с остатками кормления	25.3	55.0
Лошадиный навоз	63.0	55.0
Помет куриный, сухой	90.0	55.0
Помет куриный свежий	80.0	60.0

1.4 Процесс метанового брожения биогаза

Биогаз, образующийся при метановом сбраживании, представляет собой смесь, состоящую из 50--70 % метана, 20--50 % углекислого газа, примерно 1% сероводорода, а также незначительного количества некоторых других газов (азота, кислорода, водорода, аммиака, закиси углерода и др.) [24].

В процессе анаэробного разложения органического вещества выделяют три основные стадии (рисунок 3), которые протекают под воздействием трех физиологических групп бактерий.

На первой стадии сложные многоуглеродные вещества, представляющие собой основные классы органических соединений (белки, жиры, полисахариды), подвергаются ферментативному гидролизу так называемыми «первичными анаэробами» (рисунок 3). Одновременно под воздействием микроорганизмов происходит гидролиз моносахаридов, органических кислот и спиртов. В результате образуются водород, углекислый газ, низкомолекулярные жирные кислоты, спирты и некоторые другие соединения. В осуществлении этой стадии участвуют анаэробные бактерии рода: Clostridium, Basteroides, Rumiococcus, Butyri vibrio, а также факультативные: Escherichia coli, Bacillus [25].

На второй стадии ацетогенные микроорганизмы, такие как: Syntrophobacter, Syntrophomonas, Desulfovibrio ферментируют более сложные вещества в низкомолекулярные органические кислоты, а также в Н2 и СО2. Ацетогенные бактерии включают в себя как облигатные, так и факультативные виды. Кроме того, на этой стадии действуют также гомоацетогенные бактерии, которые сбраживают одно- и многоуглеродсодержащие соединения только до уксусной кислоты без образования водорода.

На третьей стадии процесса дальнейший распад органических веществ осуществляется метанобразующими и сульфатредуцирующими микроорганизмами, использующими для поддержания своей жизнедеятельности метаболиты, которые образовались на предыдущих стадиях. На этом этапе в системах с низким содержанием сульфатов образуются, главным образом, СН4 и СО2 и не большое количество H2S.

Метанобразующие бактерии представляют собой физиологически однородную группу, но характеризуются большим разнообразием морфологических типов, из которых можно выделить четыре основных: палочки, кокки, вибрионы и спириллы [26].

С биохимической точки зрения метановое брожение представляет собой анаэробное "дыхание", в ходе которого электроны из органического вещества переносятся на углекислый газ, который впоследствии восстанавливается до метана. Помимо различных органических субстратов (таких, как уксусная кислота) донором электронов для метанобразующих бактерий служит водород, который продуцируется несколькими типами анаэробных бактерий. Для всех метанобактерий характерна способность к росту в присутствии водорода и углекислого газа, а также высокая чувствительность к кислороду и ингибиторам производства метана.

Наиболее важным субстратом является ацетат, из которого при разложении сложных органических веществ образуется более 40% метана.

Метаногенные бактерии 90-95% используемого углерода превращают в метан, и лишь 5-10% углерода переходит в биомассу. Благодаря этому до 80-90% органических веществ, разлагающихся в процессе метанового консорциума, превращается в газ [27].



Риcунок 3 - Схематическое изображение процесса образования биогаза.

Процесс анаэробного брожения с выделением биогаза условно разделяют на четыре фазы по типу происходящих процессов. Это фаза гидролиза, ацидогенеза, ацетогенеза и метаногенеза. В каждой фазе работает свой тип бактерий, причем количество видов бактерий, участвующих в каждой фазе, насчитывается сотнями. На фазе гидролиза бактерии расщепляют белки, жиры и углеводы на более простые молекулы типа сахаров, аминокислот и т.п. На фазе ацидогенеза образуются различные органические кислоты. На фазе ацетогенеза образуется уксусная кислота. И на фазе метаногенеза образуется биогаз. Это описание фаз весьма приблизительно. Каждая фаза описывается множеством химических уравнений. Одновременно происходит несколько различных реакций на каждой фазе. Количественное соотношение этих реакций зависит от типа перерабатываемого сырья, от видов участвующих на этом этапе бактерий и множества других факторов. Поэтому невозможно абсолютно точно просчитать и предсказать характер протекания реакции и количественные показатели на выходе.

Процесс анаэробного брожения различают также по температуре его протекания. Есть три температурных диапазона, при которых наблюдаются локальные максимумы интенсивности процесса брожения. Косвенным показателем этой интенсивности является объем выделяемого биогаза в единицу времени. Первый температурный режим анаэробного брожения называется психрофильным. Психрофильное брожение происходит в диапазоне температур 15-250C. Второй температурный режим называется мезофильным. Мезофильное брожение происходит в диапазоне температур 30-400C. Третий температурный режим называется термофильным. Термофильное брожение происходит в диапазоне температур 50-560C [28].

В каждом более теплом температурном режиме метаболизм бактерий происходит примерно в два раза быстрее, чем в предыдущем. Соответственно, биогаз выделяется примерно в два раза быстрее. Но более высокотемпературный процесс менее устойчив и более капризен, чем предыдущий. Поэтому самые простые биогазовые установки работают обычно в психрофильном режиме. Большие промышленные установки работают обычно в мезофильном режиме.

Как всем известно, нормальная температура тела у млекопитающих на Земле лежит в диапазоне 35-400C. Например, для человека это 36,60C. Отсюда становится понятно, почему большинство биогазовых установок работают в мезофильном режиме при температуре реакции 37-380С.

Бактерии, работающие в двух первых фазах, эффективнее функционируют при температурах психрофильного режима. Поэтому существует технология двухстадийного анаэробного брожения, когда реакция происходит в двух последовательно соединенных емкостях. В первой емкости происходят две первые фазы анаэробного брожения при температуре 250C. Во второй емкости происходят третья и четвертая фазы при температуре 37-380C. Такое решение позволяет оптимизировать и стабилизировать протекание процесса для некоторых типов сырья [29].

До сих пор нет единого мнения по поводу того, какие бактерии работают на третьей и четвертой фазах в разных температурных режимах. Одни утверждают, что это разные виды бактерий. В реальном мире они есть повсюду, но активизируются, только попав в подходящие условия. Другая теория гласит, что это одни и те же бактерии приспосабливаются к разным температурам и работают в разных режимах метаболизма.

Если взять какое-нибудь подходящее органическое сырье, поместить его в подходящую герметичную емкость с газоотводом и обеспечивать поддержание стабильной температуры соответствующего режима и периодическое перемешивание, то получится лабораторная биогазовая установка с однократной загрузкой. График зависимости скорости выделения биогаза от прошедшего времени брожения будет выглядеть в виде плавного горба. Сначала начинаются первые стадии брожения, а потом уже в действие вступают последние стадии. Но количество органического сырья в лабораторном реакторе ограничено. Это вещество разлагается, количество неразложенной органики уменьшается, и выход биогаза падает. Постепенно выход упадет до нуля. Это будет означать, что вся органика в сырье разложилась до неорганических солей. Процесс полного разложения даже в термофильном режиме занимает очень значительное время. В мезофильном режиме это время измеряется месяцами [30].

Однако, если принять во внимание только значения выхода биогаза, близкие к максимальным, то такое время будет лежать в диапазоне двух-четырех недель для мезофильного режима. Время это зависит от состава исходного сырья и называется длительностью цикла анаэробного брожения. Естественно, что если остановить брожение в конце этого цикла, то в реакторе останется частично разложенная органика. Обычно глубина разложения органики в конце цикла составляет 40-60%. Это значит, что в конечном субстрате масса органики составляет 40-60% от массы органики в субстрате, которым был изначально заполнен реактор. На такое «недображивание» идут сознательно с целью получения максимальной скорости выхода биогаза и минимизации размеров биогазовой установки [31].

Обычно биогазовые установки не работают так, как в лаборатории. В них сразу закладывают полную порцию сырья, чтобы заполнить реактор. Потом, когда реакция начинается и стабилизируется, сырье добавляют регулярно небольшими порциями, одновременно сливая перебродившую массу. Поэтому понятие длительности цикла для них заменяется понятием «времени гидравлического пребывания» в реакторе. Это условная величина, которая характеризует среднее время, которое проведет в реакторе очередная порция свежего субстрата [32].

1.5 Перспективы установки биогазовой установки и их типы для частного сектора

Постройка и налаживание работы установки по переработке органического сырья должна быть там, где это сырье образуется регулярно, дешево и в достаточных количествах. И в каждом случае существует проблема утилизации такого сырья, так как это сырье имеет негативное воздействие на окружающую среду. Устранение проблемы по утилизации этого сырья минимизирует затраты или вообще избавит от затрат на такую утилизацию. Это первая и главная причина для создания биогазовой установки. Второй побудительной причиной является энергия, которую можно получить в процессе анаэробного брожения органического сырья. Обычно этот фактор выносят во главу угла. Ну и третье - это получение из вредных для экологии органических отходов чрезвычайно полезного органического биоудобрения [33].

В зависимости от ежесуточно образующейся порции сырья можно думать о создании малой, средней или большой биогазовой установки. Такое деление по размерам - весьма условно. Скорее, установки делят по функциональности и степени автоматизации. Но вполне естественно, когда более крупные по размерам и пропускной способности биогазовые установки наделяют дополнительными функциями и минимизируют применение труда человека для их обслуживания (таблица 5).

Таблица 5 - Типы биогазовых установок

Объем реактора, м3	Производительность по биогазу,м3/сут.	Потребность
0,25	0,2	Коттеджи, садово-огородные участки
0,5	0,5
1	1
2	2	Мелкие фермы
5	5	Арендный подряд
10.00	10
25	75	Средние фермы
70	220
125	375
300	900	Крупные
500	1500	фермы
1000	3000	Комплексы

Наличие сырья - необходимое условие, но не достаточное. Еще понадобится площадка для размещения биогазовой установки. Редко удается создать настолько мобильную конструкцию, чтобы без больших усилий и затрат иметь возможность ремонтировать и перемещать установку на другое место. Поэтому очень важно, чтобы место будущего размещения установки было в собственности или же в долгосрочной аренде.

Также понадобятся соответствующие финансовые средства. Биогазовая установка - объект очень недешевый. Затраты на малые биогазовые установки обычно начинаются от нескольких тысяч долларов. Средние установки - десятки тысяч. Стоимость больших установок начинается от нескольких сотен тысяч долларов [34]. Цены на фермерские биогазовые установки с газгольдером, механической подготовкой, пневматической загрузкой и перемешиванием сырья, с подогревом сырья в реакторе июль 2011 (таблица 6).

Таблица 6 - Цены на бигазовые установки

Объем БГУ, м3	Долларов*
5	5350
10	6200
15	7100
25	9200
50	14500
100	24300
250	54500

* В данную смету не включены транспортные расходы, затраты на общестроительные работы и налоговые отчисления.

Из этих данных видно, что для частного сектора РК цены на биоустановки с малыми объемами выработки биогаза весьма приемлемы.

1.5.1 Продукты биогазовой установки

Биогазовые установки имеют одно важное коренное отличие от всех остальных устройств альтернативной энергетики. Как и при использовании других устройств альтернативной энергетики, конечным продуктом работы биогазовой установки может быть произведенная энергия, чаще всего тепловая и/или электрическая. Но помимо энергии на выходе всегда образуется (но не всегда используется) другой продукт - высокоэффективное органическое биоудобрение. В случае утилизации отходов это может быть основной причиной для строительства биогазовой установки. Преимущества утилизации методом анаэробного брожения заключатся в том, что такой техпроцесс утилизации не является энергоемким, а наоборот, выделяет энергию. Вредность же исходных отходов для окружающей среды после прохождения процедуры анаэробного брожения меняет знак с минуса на плюс, и продукт выхода становится уже чрезвычайно полезным и восстанавливающим плодородные свойства почвы.

Характеристика биогаза. Биогаз - газообразная часть продуктов анаэробного разложения органических веществ, являющегося результатом жизнедеятельности симбиоза множества видов бактерий. То есть, процесс анаэробного брожения - биологический процесс. Он существуют сам по себе и в природных условиях: во-первых, в желудках животных организмов, а во-вторых, в толще грунта или на дне водоемов, где затруднен доступ кислорода.

В силу таких исходно биологических свойств техпроцесса работы биогазовой установки невозможно абсолютно точно подсчитать заранее такие выходные параметры, как конкретный набор химических реакций, глубину разложения биомассы, удельный выход биогаза и его состав. Количество «внешних» факторов, влияющих на техпроцесс (управляющие воздействия) весьма ограничено. Обычно это температура, градиент температуры и скорость изменения температуры внутри реактора, степень герметичности реактора, частота подачи в реактор и размер порции свежего сырья, частота выемки шлама, частота и длительность циклов перемешивания субстрата внутри реактора. Естественные же «внутренние» факторы описываются тысячами возможных параметров. Одних только видов бактерий, участвующих в процессе, может быть больше тысячи, а есть еще химический состав и физические кондиции исходного сырья.

Рассчитать все это практически невозможно. Поэтому при проектировании биогазовых установок используют экспериментальные результаты, полученные на лабораторных установках, моделирующих требуемый техпроцесс в миниатюре. Также собирается статистика действующих больших БГУ. Статистические данные обрабатываются, группируются, и в результате получаются таблицы рекомендованных параметров техпроцесса и примерные выходные параметры при применении различных типов сырья. Но разброс величин в таких таблицах составляет до 50% [35].

Поэтому предсказать, например, суточный выход и состав биогаза для проектируемой биогазовой установки изначально можно именно с подобной точностью. Для увеличения точности расчетов до нескольких процентов, необходимо провести лабораторный эксперимент и соответствующие измерения. Тем не менее, простейшие расчеты позволят хотя бы оценить границы выхода биогаза, особенно верхнюю.

Как известно, исходное сырье состоит из воды и так называемого сухого вещества (СВ). Соотношение воды и сухого вещества сырья характеризуется таким параметром, как влажность.

Сухое вещество сырья состоит из органических (ОСВ) и неорганических веществ. Соотношение неорганических и органических веществ характеризуется таким параметром, как зольность.

Для получения этих параметров, необходимо взять пробы сырья и произвести соответствующие анализы в лаборатории.

Зная тип сырья, и его влажность и зольность, можно посчитать, сколько органического вещества содержится в единице массы сырья. Зная суточное количество исходного сырья, можно посчитать, сколько ОСВ будет попадать в реактор биогазовой установки ежесуточно [36].

В статистических таблицах обычно указывают, какой объем биогаза выделится из единицы массы ОСВ на протяжении оптимальной длительности цикла брожения этого типа сырья. Обычно, эта величина составляет от 0,2 до 0,8 м3/кг ОСВ. Плотность биогаза составляет примерно 1,13 кг/м3. Поэтому, если бы все органическое вещество превратилось в биогаз, то выход биогаза составил бы 0,885 м3/кг ОСВ. Однако, в процессе анаэробного брожения получается не только биогаз, но также и вода, причем масса выделившейся воды может быть равна массе выделившегося биогаза. Соотношение выделяющихся воды и биогаза зависит от преобладания в процессе тех или иных химических реакций, а оно, в свою очередь, зависит от бактериального состава и исходного состава сырья. Помимо воды и биогаза, образуется еще и некоторое количество минеральных солей.

Кроме того, оптимальная длительность цикла обычно выбирается по критерию максимальной скорости выхода биогаза. После разложения около половины ОСВ в составе сырья скорость выделения биогаза обычно заметно падает. Это связано с тем, что органический состав ОСВ в исходном сырье достаточно неоднороден. Поэтому вначале разлагаются быстро расщепляемые вещества, а «долгоиграющие» компоненты, типа лигнина, за этот срок остаются почти нетронутыми. Таким образом, глубина разложения биомассы в реакторах БГУ обычно составляет 40-60%. Эта величина может быть больше только при применении однородного искусственно созданного органического сырья, типа глицерина, либо при применении предварительной глубокой гомогенизации сырья, типа кавитационного измельчения, разрушающего даже молекулярные связи [37].

Из 1 кг ОСВ можно получить 0,3-0,5 куб.м биогаза.

Теперь разберем это все на примере. Допустим, что в Вашем хозяйстве есть 5 коров, которые стоят в стойле. Их навоз вместе с мочой собирается в отдельную канаву. Влажность такой смеси навоза с мочой обычно составляет около 85%. Суточный выход навоза без мочи у одной коровы доходит до 35 кг. Влажность навоза без мочи обычно составляет около 70%. Плотность навоза без мочи составляет около 950 кг/м3. Зольность сухой фракции коровьего навоза составляет от 2 до 20%, в зависимости от метода сбора навоза. То есть, все зависит от того, как много примесей песка и камней попадет в навоз. В данном случае зольность должна быть не выше 5 %. Влажность и зольность выбраны из статистических данных, а плотность можно измерить самостоятельно «методом Архимеда» с помощью пружинных весов и ведра [38].

Биогазовые установки практически всегда работают в непрерывном цикле. Это обозначает, что каждые сутки в них добавляется суточная доза субстрата, а получившийся излишек шлама сливается. Шлама сливается чуть меньше, чем заливается субстрата, потому что часть содержимого реактора вышла наружу в виде биогаза. Объем реактора выбирается такой, чтобы рабочее пространство реактора вмещало количество суточных доз субстрата, умноженных на длительность цикла в сутках. Так получится, что среднее время пребывания субстрата в реакторе и составит один цикл. Суточная доза - это один объект на конвейере. Конвейер имеет длину, соответствующую количеству объектов, равному длине цикла в сутках. В сутки конвейер сдвигается на одну дозу. Получается, что скорость переработки составляет 1 дозу в сутки, но благодаря длине конвейера, эта доза находится на нем всю длительность цикла.

За все время цикла должно выделиться столько биогаза, сколько сырья находится внутри реактора. Например, рекомендованная длительность цикла брожения коровьего навоза в мезофильном режиме составляет 16 суток. Значит, внутри реактора всегда находится 16 суточных объемов субстрата. За 16 суток из реактора должно выделиться в 16 раз больше биогаза, чем из одной суточной порции субстрата. Но за одни сутки выделится 16/16=1 порция биогаза, как из суточной порции субстрата за полное время цикла [39].

Теперь рассмотрим, насколько точно сделан расчет суточного выхода биогаза. Если посмотреть накопленную в мире статистику по удельному выходу биогаза из навоза КРС, то величина выхода будет лежать в пределах 0,1-0,8 м3/кг ОСВ. Значит, выход биогаза может соответственно колебаться от 5 до 40 м3.

Есть еще одна статистическая величина, при помощи которой можно проверить расчеты. На больших биогазовых установках собрана статистика по удельному суточному выходу биогаза по отношению к объему реактора. Обычно для коровьего навоза это 0,8-0,9 м3 биогаза на 1 м3 полного объема реактора в сутки.

Объем реактора в качестве примера. В сутки мы имеем эквивалент 175 кг навоза влажностью 70%. Мы добавим воду для получения субстрата влажностью 90% (для малой биогазовой установки трудно будет оперировать с субстратом меньшей влажности из-за высокой вязкости). Таким образом, мы получим в сутки 175*(100-70)/(100-90)=525 кг субстрата. Значит, мы добавили 525-175=350 кг (или л) воды. Объем исходного навоза составлял 175/950=0,184 м3, или 184 литра. Значит, общий объем суточной порции субстрата составляет 184+350=534 л. Объем рабочей части реактора должен составить 534*16=8544 л, или 8,544 м3. Обычно, объем газового буфера реактора составляет 20% его общего объема, соответственно, объем рабочей области реактора составляет 80% его объема. Тогда полный объем реактора должен составить 8,544/80*100=10,68 м3.

Выход биогаза из такого реактора, работающего на коровьем навозе должен быть в пределах 8,5 - 9,6 м3. Это значит, что коэффициент 0,4 м3/кг ОСВ, который мы изначально взяли для расчетов, завышен в два раза. Нельзя утверждать, что он неверный, вполне возможен и такой случай, но чаще всего так не бывает.

Тепловая энергия при производстве биогаза.

Биогазовая установка не вырабатывает тепловую энергию непосредственно, она ее потребляет. Температура самого распространенного режима работы биогазовых установок - мезофильного - составляет 37-380C, что выше, чем среднесуточная температура в европейских широтах, причем даже пиковые дневные температуры обычно ниже этой величины. Среди химических реакций, происходящих внутри биогазовой установки, есть как экзотермические, так и эндотермические. Но суммарный тепловой баланс реакций вместе с тепловым обменом с окружающей средой в наших широтах получается отрицательным. Поэтому в наших широтах подогревать субстрат в реакторе биогазовой установки приходится всегда.

Однако, биогаз, который выделяется в результате анаэробного брожения, содержит примерно 2/3 метана в своем составе. Поэтому самое первое применение для биогаза - сжигание для получения тепловой энергии. Такое сжигание производится в обычных газовых котлах или горелках, которые используются для сжигания природного газа или пропан - бутана. Но, как было сказано в первой главе, для оптимального сжигания биогаза желательно регулировать состав газо - воздушной смеси, если образование такой смеси перед сжиганием предусмотрено конструкцией горелки. Однако, если горелки рассчитаны и на природный газ и на пропан-бутан, это обозначает, что такая регулировка возможна, либо не нужна, поскольку для природного газа и пропан-бутана тоже нужна разная дозировка воздуха.

Тепловой выход биогаза можно выразить в калориях или джоулях. Но, думаю, для обычного человека более понятным будет сравнение биогаза по теплотворной способности с природным газом. И там, и там сгорает метан, содержащийся в этих газах. Значит энергия, выделяемая при сгорании этих газов, пропорциональна количеству содержащегося в них метана. В природном газе содержится 92-98% метана, а в биогазе - 55-75%. Возьмем средние величины - 95% и 65%. Соотношение метана в этих газах получается 65/95=0,68. Это примерно две трети. Значит, для выполнения одной и той же тепловой работы (нагрева помещения, приготовления пищи) биог...