Биогазовые установки: возможности модернизации

Научные результаты и практические данные по традионным биогазовым установкам, и возможности по модернизации этих установок

Г.Б. Осадчий, инженер

В условиях постоянного повышения цен на основные энергоносители, а также истощения углеводородных ресурсов Земли все большее количество стран развивают альтернативные источники энергии.

Одним из таких видов является биогаз. Глубокие исследования в этой области, несмотря на известные трудности, проводятся в Республике Казахстан. В значительно меньшей степени это относится к России, хотя полномасштабное развитие биогазовой отрасли в России позволило бы решить ряд важных экономических задач.

Следует отметить, что основным недостатком биогазовой энергетики является значительный вес удельных капитальных затрат (в расчете на единицу мощности), невысокая рентабельность проектов, а также проблемы с организацией сбыта энергии посредством централизованных сетей.

Несмотря на это, в России наблюдается увеличение спроса на биогазовые установки (БГУ), как для малых потребителей (с объем метантенка 3 – 20 м3), так и для средних (с объемом метантенка 30 – 100 м3).

Все дело в том, что биогазовые технологии должным образом вписываются в Доктрину ОНН устойчивого развития общества. И многие, в России, привержены этой идеи. И они, руководствуясь принципом «Рассудок — это неуклюжее орудие ученого; интуиция — безошибочный руководитель провидца» пытаются, каждый по своему, решать эту проблему.
Современные технологии (производства), по возможности, должны быть связаны между собой таким образом, что конечный цикл одного из них становится началом другого цикла, благодаря чему достигается практически полная безотходность и интенсификация производства на достаточном удалении от границ динамической устойчивости экосистем.

По мнению экспертов ООН, именно такой комплексный подход, когда осуществляется схема подбора предприятий и производств, работающих на одном виде сырья, а отходы и побочные продукты одного производства выступают в качестве сырья или полуфабрикатов для другого, может полностью решить проблему устойчивого развития общества.
Известно, что животные не полностью усваивают энергию растительных кормов и более половины её уходит в навоз, который является, после того или иного вида переработки, ценным органическим удобрением.

Содержание животных на фермах и комплексах привело к увеличению концентрации объемов навоза и навозных стоков в хозяйствах. А это дает возможность организовать их переработку не только в удобрения, но и в биогаз, не загрязняя окружающую среду. При этом биогаз по сути своей становится рукотворным возобновляемым источником энергии (ВИЭ).

Комплексный подход в производственной деятельности, когда «отходы», в том числе органические, тепловые, водные, газо-воздушные перерабатываются в технологической цепочке производства, минимально отражается на качестве окружающей среды, на продуктивности зональных экосистем. Комплексный подход, это не что-то новое. В целом «эволюционные» и «революционные» изменения в том числе в сфере энергетики взаимообусловлены, дополняют и нередко сменяют друг друга. Не исключаются и случаи возврата к «старым» техническим решениям на качественно новой технологической базе.

Обычно под биогазовой установкой (станцией) подразумевается комплекс инженерных сооружений, состоящий из устройств:

– подготовки сырья

– производства биогаза и удобрений

– очистки и хранения биогаза

– производства электроэнергии и тепла

– автоматизированной системы управления БГУ.

Метантенк БГУ должен быть герметичен, в него не должно быть доступа кислорода, так как только при отсутствии кислорода возможна жизнедеятельность метанообразующих бактерий.

Оптимальная температура метаногенеза зависит от вида перерабатываемого установкой субстрата (органических отходов).

Контрольно-измерительные приборы, устанавливаемые на метантенке, должны обеспечивать контроль уровня субстрата в метантенке, температуры и давления внутри него.

Современные технологии позволяют перерабатывать в биогаз любые виды органического сырья, однако наиболее эффективно использование биогазовых технологий для переработки отходов животноводческих и птицеводческих ферм и сточных вод, так как они характеризуются постоянством потока отходов во времени и простотой их сбора. При этом навоз и помет должны поступать с ферм и из хозяйств, благополучных по зооантропонозным заболеваниям, общим для животных (птицы) и человека.

Поскольку сырьем для получения биогаза может служить широкий спектр органических отходов, на многих существующих биогазовых установках используется добавка к обрабатываемым отходам, так называемой зеленой массы. Конечно, измельчение зеленой массы приводит к дополнительным затратам энергии.

Активный обмен веществ и высокая скорость биохимических обменных процессов в метантенке достигается, за счет максимального поддерживания и непрерывного обновления величин граничных поверхностей между твердой и жидкой фазами. Поэтому твердые материалы, в особенности растительного происхождения, должны быть предварительно подготовлены с помощью режущих, разрывающих или плющильных устройств, чтобы в результате эффективного механического воздействия получить частицы возможно меньшего размера.

Доля взвешенных в жидкости твердых частиц в значительной мере зависит от технических средств, которые используются для получения тщательного перемешивания, гидравлического транспортирования субстрата и отделения биогаза. Современный уровень развития БГУ позволяет перерабатывать субстраты с содержанием сухого вещества до 12 %, если размер волокнистых или стеблевых элементов не превышает 30 мм.

В метантенке необходимо организовать периодическое перемешивание субстрата, которое обеспечивает эффективную и стабильную работу БГУ.

Цель перемешивания - высвобождение образованного биогаза, перемешивание свежего субстрата и бактерий (прививка), предотвращение образования корки и осадка, недопущение образования участков разной температуры внутри метантенка, обеспечение равномерного распределения популяции бактерий, предотвращение формирования пустот и скоплений, уменьшающих эффективную площадь метантенка.

При выборе метода перемешивания нужно учитывать, что процесс сбраживания представляет собой процесс жизнедеятельности симбиоза различных штаммов бактерий и при разрушении этого сообщества процесс ферментации будет непродуктивным до образования нового сообщества бактерий. Поэтому слишком частое или продолжительное перемешивание вредно. Рекомендуется медленное перемешивание субстрата через каждые 4 –6 ч.

Оптимальное перемешивание сырья повышает выход биогаза до 50%.

БГУ обеспечивают утилизацию (переработку) органических отходов 3 и 4 класса опасности согласно Постановлению от 12 июля 2003 г. №344, в следующих режимах:

- в психрофильном режиме оптимальная температура в метантенке 15 – 20 ⁰С, но может быть и ниже. В таком режиме отходы перерабатываются 30 – 40 дней. Психрофильный режим обычно используется в летнее время года в случае, когда тепло и количество субстрата (отходов) значительно меньше обычного, например, из-за выпаса скота;

- в мезофильном режиме при температуре 30 – 40 ⁰С органические отходы перерабатываются 7 – 15 дней, в зависимости от вида отходов;

- в термофильном режиме при температуре 52 – 56 ⁰С органические отходы перерабатываются за 5 – 10 дней, при этом качество газа и удобрений, по ряду показателей, обычно ниже, чем в мезофильном режиме. Кроме того в термофильном режиме традиционно потребляется больше энергии для обогрева. Такой режим подходит большего всего тем, у кого основная задача — переработать большое количество отходов. При оптимизации работы установки и состава отходов, можно ускорить переработку даже до 3 – 4 дней. Выгода от работы в термофильном режиме в том, что резко снижается стоимость 1 кВт установленной мощности БГУ.

Требования к допустимым пределам колебания температуры субстрата, для оптимального газообразования, тем жестче, чем выше температура процесса ферментации: при психрофильном температурном режиме – ± 2 ⁰С в час; мезофильном – ± 1 ⁰С в час; термофильный – ± 0,5 ⁰С в час.

Поскольку, например, в московском регионе среднегодовая температура исходного субстрата, составляет около 10 ⁰С, а температура окружающей среды, около 4 ⁰С, то необходимость в системе подогрева субстрата и поддержания его температуры в процессе ферментации очевидна. По данным А.А. Ковалева [1] до 60% полученного биогаза тратится на собственные нужды БГУ. При этом, наиболее энергоемким является процесс нагрева субстрата, суточной дозы загрузки метантенка, на который идет около 95% энергии, расходуемой на собственные нужды установки.

Наиболее распространенной системой подогрева является внешняя система подогрева с водонагревательным котлом (котельной установкой), работающим на биогазе, электричестве или твердом топливе, где теплоносителем является вода с температурой около 60 °С. Более высокая температура теплоносителя, повышает риск налипания взвешенных частиц на поверхности теплообменника — теплообменники рекомендуется располагать в зоне действия перемешивающего устройства.

БГУ должна быть автоматизирована. Объем автоматически выполняемых операций биогазовых установок различного назначения может быть различен. В обязательный объем автоматизации входят:

- для биогазовых установок небольшой мощности:

при срабатывании датчика загазованности (газоанализатора) помещения автоматически включаются системы оповещения персонала (сигнальные лампы, электрические звонки и др.) и происходит аварийное отключение систем БГУ, в частности срабатывает предохранительный клапан, перекрывающий подачу газа;

при срабатывании любого теплового реле в цепях питания насосов циркуляционного, водяного или загрузочного включаются системы аварийного оповещения персонала.

По данным И. Егорова, директора биогазовых проектов AEnergy, составляющие положительного денежного потока биогазовых проектов могут быть следующими (таблица 1), при гарантированной надежности и долговечности надежной работы БГУ, за счет использования метантенка из эмалированной стали,  в течение 40 лет.

Таблица 1 – Составляющие положительного денежного потока биогазовых проектов

Мы рассмотрим традиционную БГУ и БГУ метантенк, которой размещен на дне солнечного соляного пруда (ССП) [2].

Сравнительному анализу видов затрат, связанных с сооружением БГУ, будет подвергнуты метантенки этих БГУ и сооружения и оборудование (устройства) непосредственно с ними связанные.

В качестве исходных данных для анализа принимаем следующее.

В состав биогаза входит, примерно, 55 – 60% биометана и 40 – 45% углекислого газа. На этом газу могут работать бытовые газовые приборы, включая газовые водонагреватели, обогреватели воздуха и газогенераторы.

Биометан – продукт, получаемый путем очищение биогаза от СО2, используемый как биотопливо (ГОСТ Р 52808-2007).
Биогаз легче воздуха (1,05 – 1,2 кг/м3), поэтому стремится вверх.

Роспотребнадзор регламентирует, к какому классу принадлежат те или иные виды отходов, образованные вследствие выращивания животных и производства продукции животноводства и птицеводства. Все отходы производства и потребления делят на 4 класса опасности: 1 – чрезвычайно опасные, 2 – высоко опасные, 3 – умеренно опасные и 4 - малоопасные.

Органы ФНС осуществляя плановые проверки объектов хозяйственной и иной деятельности независимо от форм собственности с целью государственного экологического контроля, принимают решения по отчислениям, по уплате экологического налога. Несмотря на то, что экологический налог нельзя считать обременительным, и он существенно не влияет на конкурентоспособность отечественной животноводческой продукции, для отдельных категорий товаропроизводителей (животноводческих комплексов и птицекомбинатов) экологический налог является одним из основных видом обязательных платежей государству.

Удобрения (эффлюент), получаемые при термофильном режиме ферментации экологически чистые, лишенные нитритов, семян сорняков, болезнетворной микрофлоры, специфических запахов. Для остальных режимов перечисленные характеристики удобрений значительно ниже.

Оборудование по подготовке и предварительной обработке сырья для: перемешивания субстрата; измельчения; сепарации примесей на входе в реактор; загрузки (подача и дозирование) сбраживающей суспензии у сравниваемых метантенков условно принимаем одинаковым.

В комплект этого оборудования для традиционной БГУ может входить агрегат для размораживания сырья (навоза).

В помещении, где размещен традиционный метантенк, по ГОСТ Р 53790-2010 должны находиться:

- комплект противопожарного инвентаря;

- диэлектрические перчатки и ковры у щитов управления электроагрегатами;

- газоанализаторы или газосигнализаторы;

- средства индивидуальной защиты;

- взрывобезопасные аккумуляторные фонари;

- аптечка первой доврачебной помощи.

Не допускается нахождение работников и проведение любых работ в помещении метантенка при неработающей вентиляции.

Электротехническое оборудование и обслуживающее помещение метантенка должны быть оборудованы резервным электропитанием, чтобы обеспечить постоянную работу вентиляторов с необходимой кратностью воздухообмена.
Контролировать концентрацию газов в воздухе помещения метантенка с помощью газоанализаторов.

В обслуживающем помещении метантенка электрическое освещение, электродвигатели, пусковые и токопитающие устройства и аппаратура должны выполняться во взрывозащищенном исполнении в соответствии с классом взрывоопасной зоны (категории помещения).

Отвод газа от метантенка, устройство и эксплуатация газгольдеров и газовой сети метантенка должны проводиться в соответствии с требованиями Правил безопасности в газовом хозяйстве и Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением.

Оптимальный способ накопления биогаза зависит от того, для каких целей будет использован биогаз. При прямом сжигании биогаза в горелках котлов и двигателях внутреннего сгорания не требуются большие газгольдеры. В этих случаях газгольдеры должны обеспечивать выравнивание неравномерностей газовыделения и улучшения условий последующего горения, в зависимости от типа газгольдера и выдерживаемого им давления объем газгольдера составляет от 1/5 до 1/3 объема реактора.

Пластиковые газгольдеры применяют для сбора биогаза в простых, совмещенных установках, где пластиком покрывают открытую емкость, служащую в качестве реактора, или отдельный пластиковый газгольдер соединяют с реактором. Газгольдер должен вмещать суточный объем, вырабатываемого биогаза. Стальные газгольдеры делят на газгольдеры низкого (0,01-0,05 кгс/см2), среднего (8-10 кгс/см2) и высокого (200 кгс/см2) давления.

Стальные газгольдеры низкого давления оправданы только в случае большого расстояния (минимум 50-100 м) от установки до использующих биогаз приборов. В других случаях следует рассматривать возможность использования более дешевого пластикового газгольдера.

В газгольдеры среднего и высокого давления газ закачивается с помощью компрессора. Газгольдеры высокого давления используют для заправки автомашин и баллонов. Контрольно-измерительные приборы, устанавливаемые на газгольдеры, должны включать в себя водяной затвор, предохранительный клапан, манометр и редуктор давления. Стальные газгольдеры должны быть заземлены.

Привлекательно применение биогаза для факельного обогрева теплиц. Кроме поступления углекислого газа из газгольдера происходит образование углекислого газа при сгорании биометана, производится освещение теплиц и одновременно образуется вода, увлажняющая воздух.

Еще одно направление использования составных компонентов биогаза — утилизация углекислого газа, содержащегося в нем в количестве около 40 %. Извлекая углекислый газ путем отмывки (в отличие от биометана он растворяется в воде), можно подавать его в теплицы, где он служит «воздушным удобрением», увеличивая продуктивность растений.

В таблице 2 приведен перечень основных видов сооружений, оборудования и контрольно-измерительных приборов, входящий в зависимости типа метантенка в БГУ, затраты (стоимость) на которые должны учитываться при выборе БГУ.
Таблица 2 – Перечень основных необходимых для размещения и работы метантенка сооружений, оборудования, контрольно- измерительных приборов и их технические характеристики.

Примечание ᵜ Поскольку солнечный соляной пруд может одновременно являться и противопожарным водоемом, изменение потребности в капитальных вложениях, для биогазовой установки может быть учтено как предотвращенный расход части средств на водоем, благодаря использованию для этих целей пруда.

Так к пожароопасным помещениям: класса П-II относятся малозапыленные помещения мельниц и элеваторов, зернохранилища; класса П-IIа относятся складские помещения для хранения горючих материалов, коровники, свинарники и другие животноводческие помещения при хранении на чердаках сена и соломы и т.д.

Ущерб от лесных пожаров в 2010 г., с учетом уничтоженных огнем деревень, составил свыше 15 млрд рублей.
Объем противопожарного водоема для сельского дома должен быть таким, чтобы при тушении пожара расход воды был не менее 10 л/с в течение 3 часов. Объем воды в водоеме должен быть более 100 м3.

Поскольку БГУ должна располагаться, по возможности, ближе к источникам перерабатываемого сырья (местам содержания животных, складирования отходов и т.д.), то тепловую энергию ССП можно будет использовать для горячего водоснабжения ферм, предотвращая использование биогаза для этих целей.

Примечание: Например, выгоднее, если емкость для смешивания сырья напрямую соединяется с полом фермы. Транспорт биогаза дешевле, чем транспортировка сырья.

Надежное, круглосуточное горячее водоснабжение будет исключать разрастания колоний возбудителя легионеллеза (Legionella pneumophil). По санитарным нормам СанПиН 2.1.4.2496-09 «Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения» температура воды в системе горячего водоснабжения должна быть более 60 ⁰С. В системе холодного водоснабжения менее 20 ⁰С.

Примечание: Легионнелы — это бактерии, которые живут в естественных источниках воды. Даже самая совершенная система водоочистки не способна защитить от их возникновения. Попадая в благоприятные условия водопровода (температура 25 – 45 ⁰С), они начинают размножаться. Заражение человека происходит при вдыхании мелких капель воды, содержащих бактерии, в том числе, например, при принятии душа.

Это позволяет существенно снизить суточную потребность домашнего хозяйства в биогазе для приготовления пищи и подогрева воды, Обычно она составляет 2 - 3 м3 природного газа, в сутки. Это эквивалентно 3,5 – 5 м3 и биогаза.
Поскольку подогрев субстрата в метантенке, размещенном на дне ССП осуществляется от теплоты рассола пруда, то режимы ферментации в нем в течение летнего периода различны. Они зависят от температуры, которой обладает рассол (рисунок 1).

а – точка окончания ферментации в термофильном режиме при температуре 53 ⁰С,
б – точка окончания ферментации в мезофильном режиме при температуре 35 ⁰С.
Рисунок 1 – Гипотетическое изменение режимов ферментации в метантенке биогазовой установки на базе солнечного соляного пруда в России в течение летнего периода

Весной при переходе с мезофильного на термофильный режим (левая часть рисунка 1), для повышения температуры субстрата в метантенке объемом 20 м3 с 35 до 53 ⁰С требуется около 420 кВт∙ч теплоты. При использовании для этой цели теплоты рассола пруда площадью 78,5 м2 (диаметр пруда 10 м) температура рассола понизится примерно на 6 ⁰С.

Осенью, когда температура в ССП понижается, для поддержания эффективного температурного режима анаэробной обработки отходов животноводства к ним можно добавлять высокоэнергетические компоненты, увеличивающие выделение экзотермической теплоты при ферментации (сахарный жом, отходы пищевой промышленности с высоким содержанием жиров, силос, клеверозлаковая смесь и т.п.). Положение точек а и б (рис. 1) зависит от экзотермической теплоты ферментации (от деятельности бактерий).

То, что работа в термофильном режиме и использование теплоты рассола ССП, вместо биогаза, для поддержания температуры ферментации имеет свои неоспоримые преимущества, подтверждается результатами испытаний БГУ в фермерском хозяйстве Республики Казахстан.

Испытания были проведены сотрудниками Казахского научно-исследовательского института механизации и электрификации сельского хозяйства (КазНИИМЭСХ), Барковым В.И., Токмолдаевым А.Б., Аблинановым В.А. и Сарыбаевым Б.А. [3]

Поскольку эти испытания наглядно отражают приведенные выше плюсы и минусы традиционных БГУ, приведем их максимально подробно.

Биореактор испытывался в режиме биообработки жидкого навоза КРС, поступающего на обработку из коровника на 40 голов. Технология содержания животных — смешанная (стойлово–выгульная).

Результаты испытаний и определения технологических параметров БГУ приведены на рисунках 2 и 3.

Рисунок 2 – Зависимости параметров метантенка от времени при нагреве
в термофильном режиме

Рисунок 3 – Выход биогаза в мезофильном и термофильном режимах

Анализ данных испытаний метантенка показывает, что время нагрева субстрата до мезофильной температуры составляет – 46 часов, а до термофильной температуры – 68 часа. Суточный расход твердого топлива (кизяка) составляет – 31 кг/сут., КПД топливного котла – 78,5 %. Производительность по навозу составляет 0,5 – 0,7 т/сут., по биогазу – 6,5…11,5 м3/сут. Выход биогаза в мезофильном режиме составляет 6,5 м3/сут., в термофильном режиме – 11,5 м3/сут. (рисунки 2 и 3).

При работе гидрозатвора в режиме теплообменника температура теплоносителя в нем колеблется в пределах 49 – 65 0С, температура в загрузочной камере — 34 – 40 0С, а в разгрузочной камере  —– 32 – 40 0С.

Исследования зависимости расхода биогаза при установке в топливном котле факельной и керамической горелок показали, что суточный расход биогаза с факельной газовой горелкой составляет 6,17 м3/сут (0,257 м3/час), а с керамической газовой горелкой – 4,8 м3/сут (0,2 м3/час).

Химический анализ проб органического удобрения, отобранных в процессе работы биогазовой установки (проба №1 – исходный навоз с влажностью 90 %, проба №2 – готовое органическое удобрение) показал высокое содержание питательных веществ (таблица 3).

Таблица 3 – Содержание питательных веществ в органическом удобрении

В 1 т сухого органического удобрения содержится: 16,52 кг азота (N), 23,2 кг фосфора (Р2О5), 21,6 кг калия (К2 О).

Анализ патогенной микрофлоры в органическом удобрении и эффективность обеззараживания, наличие яиц гельминтов и семян сорняков приведены в таблице 4.

Общее микробное обсеменение исходного навоза (коли-индекс) – 109 КОЕ, после анаэробного сбраживания в биогазовой установке общее микробное обсеменение готового органического удобрения снизилось до 107 КОЕ, таким образом, степень обеззараживания навоза в биогазовой установке составляет 99%. В органическом удобрении отсутствуют яйца гельминтов, а семена сорных растений полностью потеряли всхожесть.

Таблица 4 – Анализ патогенной микрофлоры в органическом удобрении и эффективность обеззараживания, наличие яиц гельминтов и семян сорняков

*коли-индекс: количество бактерий группы кишечных палочек в 1 дм3 воды.

По результатам авторами сделаны Выводы. В результате испытаний установлено, что биогазовая установка соответствует требованиям ГОСТ 31343-2007.

Производительность установки по биогазу составляет — 6,5 – 11,5 м3/сут., по удобрению — 0,5 – 0,7 т/сут., объем биореактора — 5 м3 , температура субстрата в биореакторе соответствует термофильному режиму — 52 – 54 0С, расход биогаза на нагрев — 6,2 м3/сут, доза загрузки — 10 %, плотность полученного удобрения — 964,9 кг/м3, массовая доля сухого вещества — 4,7 %, эффективность обеззараживания навоза — 99 %.

По результатам приведенной в Казахстане работы следует, что для БГУ метантенк, которой размещен в ССП, для ускорения начала термофильного режима весной и мезофильного осенью (рисунок 1), снижения времени перерыва в выработке биогаза, целесообразно готовить в термостатированной емкости субстрат с колонией термофильных (мезофильных) бактерий анаэробного вида.

Наиболее типичными видами термофильных бактерий являются Methanobacterium soehngenii и Methanobacillus omelianskii. Термофильные метановые бактерии обычно сопутствуют анаэробным целлюлозным бактериям или культивируются совместно с ними. Температурная граница их развития 45 – 69 °С. Особенность этих бактерий — их высокая скорость роста благодаря ускоренному обмену веществ. Наступление неблагоприятной (низкой) температуры переводит их в стадию покоя, в которой они могут пребывать неопределенное время.

А мезофильные бактерии, лучше всего растут (их оптимум для роста) в температурных пределах 20 – 45 ⁰С. Свободноживущие мезофилы в холодные сезоны года неактивны. Ниже и выше температуры 20 – 45 ⁰С они находятся в состоянии покоя или смерти в зависимости от видовой принадлежности.

Поскольку в соответствии с таблицей 2 метантенки рассматриваемых БГУ различны, то различны и устройства (сооружения) непосредственно с ними связанные. Исходя из этого необходимые, для эксплуатации этих различных БГУ, разрешительных документов должны быть различны, как по видам (структуре), так и по стоимости.

Чтобы читать полностью статью - скачайте здесь.