Биогазовые установки и возможности их модернизации
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 нашей стране наблюдается увеличение спроса на биогазовые установки (БГУ), как для малых потребителей (с объемом метантенка 3‑20 кубических метров), так и для средних (с объемом метантенка 30‑100 кубометров).
Комплексный подход
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. Именно такой комплексный подход, когда отходы и побочные продукты одного производства выступают в качестве сырья или полуфабрикатов для другого, поможет решить проблему устойчивого развития общества.
Известно, что животные не полностью усваивают энергию растительных кормов и более половины ее уходит в навоз, который является, после того или иного вида переработки, ценным органическим удобрением.
Содержание животных на фермах приводит 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 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.
Структура установки
Обычно под биогазовой установкой 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 нем, 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.
Сырье для биогаза
Поскольку сырьем для получения биогаза может служить широкий спектр органических отходов, на многих существующих установках используется добавка к обрабатываемым веществам так называемой зеленой массы. Конечно, измельчение зеленой массы приводит к дополнительным затратам энергии.
Активный обмен веществ и высокая скорость биохимических обменных процессов в метантенке достигаются 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 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. Современные БГУ позволяют перерабатывать субстраты с содержанием сухого вещества до 12 процентов, если размер волокнистых или стеблевых элементов не превышает 30 миллиметров.
В метантенке необходимо организовать периодическое перемешивание субстрата, которое обеспечивает эффективную и стабильную работу установки. Цель перемешивания – высвобождение образованного биогаза, примешивание 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 часов.
Оптимальное перемешивание сырья повышает выход биогаза до 50 процентов.
Режимы производства
БГУ обеспечивают утилизацию (переработку) органических отходов в следующих режимах.
1. В психрофильном режиме. Оптимальная температура в метантенке 15‑20 °С, 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.
2. В мезофильном режиме. При температуре 30‑40 °С органические отходы перерабатываются 7‑15 дней, в зависимости от вида отходов.
3. В термофильном режиме. При температуре 52‑56 °С 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. Он 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 °С в час, мезофильном – ± 1 °С в час, термофильном – ± 0,5 °С в час.
Поскольку, например, в Московском регионе среднегодовая температура исходного субстрата составляет около 10 °С, а температура окружающей среды около 4 °С, то необходимость в системе подогрева субстрата и поддержания его температуры в процессе ферментации очевидна. До 60 процентов полученного биогаза тратится на собственные нужды БГУ. При этом наиболее энергоемким является процесс нагрева субстрата, суточной дозы загрузки метантенка, на который идет около 95 процентов 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.
Возможности применения
В состав биогаза входит примерно 55‑60 процентов биометана и 40‑45 процентов углекислого газа. На этом газу могут работать бытовые газовые приборы, включая газовые водонагреватели, обогреватели воздуха и газогенераторы. Биометан – продукт, получаемый путем очищения биогаза от СО2, используемый как биотопливо (ГОСТ Р 52808‑2007).
Биогаз легче воздуха (1,05‑1,2 кг /м 3 ), поэтому стремится вверх.
Оптимальный способ накопления биогаза зависит от того, для каких целей он будет использован. При прямом сжигании биогаза в горелках котлов и двигателях внутреннего сгорания не требуются большие газгольдеры. В этих случаях они должны обеспечивать выравнивание неравномерностей газовыделения и улучшение условий последующего горения, в зависимости от типа и выдерживаемого давления объем газгольдера составляет от одной пятой до одной третьей объема реактора. Пластиковые газгольдеры применяют для сбора биогаза в простых, совмещенных установках, где пластиком покрывают открытую емкость, служащую в качестве реактора, или отдельный пластиковый агрегат соединяют с реактором. Газгольдер должен вмещать суточный объем вырабатываемого биогаза. Стальные газгольдеры делят на газгольдеры низкого (0,01‑0,05 кгс / см 2 ), среднего (8‑10 кгс / см 2 ) и высокого (200 кгс / см 2 ) давления. Стальные газгольдеры низкого давления оправданы только в случае большого расстояния (минимум 50‑100 метров) 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. Агрегаты высокого давления используют для заправки автомашин и баллонов.
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.
Биогаз позволяет существенно снизить суточную потребность домашнего хозяйства в газе для приготовления пищи и подогрева воды. Обычно она составляет 2‑3 кубометра природного газа в сутки. Это эквивалентно 3,5‑5 кубометров биогаза.
Еще одно направление использования составных компонентов биогаза – утилизация углекислого газа, содержащегося в нем в количестве около 40 процентов. 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.
Преимущества солнечного соляного пруда
Мы рассмотрим традиционную БГУ и установку, метантенк которой размещен на дне солнечного соляного пруда.
Использование для биогаза солнечных соляных прудов имеет ряд отличительных особенностей. Так, например, для БГУ с ССП не требуется здания (помещения) для размещения метантенка.
Не требуется система подогрева субстрата от теплоносителя биогазовой котельной установки (подогрев осуществляется от теплоты рассола солнечного соляного пруда) и система вентиляции с резервным электропитанием. Не требуется система контроля концентрации газов в воздухе помещения метантенка (контроль герметичности метантенка осуществляется по отсутствию / наличию пузырьков биогаза, поднимающегося на поверхность зеркала ССП), оборудование для размораживания сырья зимой, система пожаротушения. Но нужен навес (помещение) для пульта управления (в традиционном варианте последний расположен в здании, где находится метантенк). Поскольку солнечный соляной пруд может одновременно являться и противопожарным водоемом, это предотвращает расход части средств.
БГУ должна располагаться, по возможности, ближе к источникам перерабатываемого сырья (местам содержания животных, складирования отходов и т. д.). Тепловую энергию ССП можно будет использовать для горячего водоснабжения ферм.
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.
Весной при переходе с мезофильного на термофильный режим, для повышения температуры субстрата в метантенке объемом 20 кубометров с 35 до 53 °С требуется около 420 кВт-ч теплоты. При использовании для этой цели теплоты рассола пруда площадью 78,5 квадратного метра (диаметр пруда 10 метров) температура рассола понизится примерно на 6 ºС.
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.).
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.
Результаты испытаний
Они были проведены сотрудниками Казахского научно-исследовательского института механизации и электрификации сельского хозяйства.
Биореактор испытывался в режиме биообработки жидкого навоза, поступающего на обработку из коровника на сорок голов. Технология содержания животных – смешанная (стойлово-выгульная).
В результате испытаний установлено, что биогазовая установка соответствует требованиям ГОСТ 31343‑2007.
Производительность установки по биогазу составляет – 6,5‑11,5 м 3 / сут., по удобрению – 0,5‑0,7 т / сут., объем биореактора – 5 кубометров, температура субстрата в биореакторе соответствует термофильному режиму – 52‑54 °С, расход биогаза на нагрев – 6,2 м 3 / сут., доза загрузки – 10 процентов, плотность полученного удобрения – 964,9 кг / м 3 , массовая доля сухого вещества – 4,7 процента, эффективность обеззараживания навоза – 99 процентов.
По результатам проведенной в Казахстане работы следует, что для БГУ, метантенк которой размещен в ССП, для ускорения начала термофильного режима весной и мезофильного осенью, а также снижения времени перерыва в выработке биогаза целесообразно готовить в термостатированной емкости субстрат с колонией термофильных (мезофильных) бактерий анаэробного вида.
В связи с тем, что БГУ обоих типов могут работать как в мезофильном, так и в термофильном режиме ферментации, вырабатываемые ими два вида удобрений будут одинаковы.
Различие будет в товарных объемах этих видов удобрений и биогаза (биометана), поскольку в традиционной установке значительная часть биогаза используется на поддержание температуры термофильного режима, а это не всегда приветствуется в хозяйствах и часто будет вынуждать собственника переходить на мезофильный режим работы.
Самое главное – разработка и регистрация стандарта предприятия на эффлюент – органическое удобрение, полученное в результате анаэробной переработки органических отходов в метантенках (фугата – жидкой фракции эффлюента, шлама – твердой фракции эффлюента) (ГОСТ Р 52808‑2007).
Ведь только при условии надлежащей реализации эффлюента возможен коммерческий успех любого биогазового проекта.
Принцип работы
Перспективным представляется более расширенное использование солнечной энергии, аккумулированной солнечным соляным прудом.
Энергию солнечного соляного рва (пруда в форме кольца, охватывающего придонную боковую поверхность метантенка) можно использовать для подогрева субстрата и для больших биогазовых установок.
Метантенк размещен на дне пруда, в который поступает прямое солнечное излучение и отраженное от боковой наружной поверхности метантенка солнечное излучение.
Поддержание необходимой температуры ферментации в метантенке за счет использования солнечной энергии (теплоты рассола рва) обеспечивается следующим образом.
При заполнении наружного и внутреннего кольцевых зазоров водой поступление тепла из солнечного соляного пруда к субстрату в метантенке максимально. Это обеспечивает, при необходимости, ускоренный нагрев сырья до требуемой температуры ферментации. После нагрева субстрата до требуемой температуры производится слив воды из наружного или внутреннего зазоров, и их осушение. В результате интенсивность поступления тепла из солнечного соляного пруда через воздушные зазоры уменьшается в десятки-сотни раз по сравнению с тем, когда они были заполнены водой. Можно осушать и один из зазоров.
Дальнейшее поддержание температуры субстрата в требуемых пределах можно обеспечивать как за счет синхронного регулирования подачи «горячего» сырья и отвода эффлюента, так и за счет периодического заполнения зазоров водой и создания в этих зазорах низкого вакуума.
Такая комбинированная установка генерации биогаза может обеспечить работу метантенка в термофильном режиме, в первую очередь в странах с жарким климатом (Киргизия, Узбекистан, Таджикистан), без затрат вырабатываемого биогаза на собственные технологические нужды. Это очень актуально, если затем биометан используется в качестве моторного топлива, для обжига кирпича, освещения, для производства асфальта, выработки пара и для других технологических процессов, где нужна температура, намного превышающая 100 °С.
В зазоре наружном, при осушенном внутреннем, в течение всего летнего периода можно подогревать воду для приготовления субстрата.
Кроме того, можно подогревать воду весной, для использования при поливе в теплицах и парниках, обеспечивая поддержание в них приемлемой температуры не только воздуха, но и грунта, т. к., например, в мае естественная средняя месячная температура почвы на юге Омской области на глубине 0,4 метра составляет 8,7 °С, на глубине 0,8 метра – 5,1 °С, а на глубине 1,6 метра – всего 0,9 °С.
При наружном зазоре прокачкой холодной воды по внутреннему можно охлаждать субстрат.
Для более эффективного аккумулирования солнечной энергии солнечным соляным рвом с северной стороны метантенка надо установить отражатель (концентратор солнечной энергии), который будет направлять отраженное солнечное излучение в северную часть рва (пруда) в наиболее солнечное время.
Дополнительные достоинства
Использование в технологическом производстве биогаза солнечной энергии позволяет обеспечить его летнее и осеннее производство с наибольшей эффективностью, что особенно важно в районах, отрезанных от крупных энергетических центров из‑за разлива рек, бездорожья и т. д.
БГУ такого типа позволят более эффективно обеспечивать за счет вырабатываемого удобрения поддержание плодородия почв, предотвращать свободную эмиссию биометана в атмосферу.
Прибыль от эксплуатации БГУ зависит от многих факторов, включая продажи «побочных» продуктов. Самую значительную прибавку к прибыли от продажи биометана можно получать от реализации жидких удобрений, поскольку это высоколиквидная продукция, пользующаяся постоянным спросом. Спрос на удобрения есть всегда, поскольку непреложным фактором функционирования аграрной биосистемы является баланс между внесением в почву и выносом из нее энергии в виде питательных веществ: внесение их должно быть не менее выноса.
При выработке биогаза использование солнечной энергии для подогрева субстрата в большом метантенке позволит летом и осенью применять термофильный режим ферментации. В этом случае, при том же объеме метантенка, выход биогаза увеличится в полтора-два раза.
Стоимость БГУ с солнечным соляным прудом значительно ниже стоимости традиционной БГУ при одинаковых объемах метантенков. При этом использование термофильного режима ферментации в них дополнительно ведет к снижению стоимости 1 кВт их установленной мощности.
За летний период эксплуатации БГУ с ССП при работе большую часть времени в термофильном режиме можно получать больше товарного биогаза по сравнению с традиционной БГУ.
Поскольку эффективность обеззараживания удобрения у БГУ с ССП выше, то и доход от реализации удобрений будет также выше.
Модернизация с использованием соляного пруда БГУ позволит уменьшить вес удельных капитальных затрат в полтора-два раза (в расчете на единицу мощности) и повысить рентабельность биогазовых проектов.
