Общие сведения о биогазе Процесс образования биогаза
Биогаз образуется в несколько этапов ферментации посредством активности анаэробных микроорганизмов.
Высокомолекулярная, как правило, органическая субстанция расщепляется в несколько этапов до низкомолекулярных веществ, а затем – до метанового газа.
Ферментация происходит во влажной среде, микроорганизмам необходимо минимум 70 % содержания воды в исходном субстрате.
 Анаэробное сбраживание
При анаэробном сбраживании органические вещества разлагаются в отсутствие кислорода. Этот процесс включает в себя два этапа. На первом этапе сложные органические полимеры (клетчатка, белки, жиры и др.) под действием природного сообщества разнообразных видов анаэробных бактерий, разлагаются до более простых соединений: летучих жирных кислот, низших спиртов, водорода и окиси углерода, уксусной и муравьиной кислот, метилового спирта. На втором этапе метанообразующие бактерии превращают органические кислоты в метан, углекислый газ и воду.
Первичные анаэробы представлены разнообразными физиологическими группами бактерий: клеткоразрушающими, углеродосбраживающими (типа маслянокислых бактерий), аммонифицирующими (разлагающими белки, пептиды, аминокислоты), бактериями, разлагающими жиры и т.д. Благодаря этому составу, первичные анаэробы могут использовать разнообразные органические соединения растительного и животного происхождения, что является одной из важнейших особенностей метанового сообщества. Тесная связь между этими группами бактерий обеспечивает достаточную стабильность процесса.
Метановое брожение протекает при средних (мезофильное) и высоких (термофильное) температурах. Наибольшая производительность достигается при термофильном метановом брожении. Особенность метанового консорциума позволяет сделать процесс брожения непрерывным. Для нормального протекания процесса анаэробного сбраживания необходимы оптимальные условия в реакторе: температура, анаэробные условия, достаточная концентрация питательных веществ, допустимый диапазон значений рН, отсутствие или низкая концентрация токсичных веществ.
Температура в значительной степени влияет на анаэробное сбраживание органических материалов. Наилучшим образом сбраживание происходит при температуре 30-40оС (развитие мезофильной бактериальной флоры), а также при температуре 50-60оС (развитие термофильной бактериальной флоры). Выбор мезофильного или термофильного режима работы основывается на анализе климатических условий. Если для обеспечения термофильных температур необходимы значительные затраты энергии, то более эффективной будет эксплуатация реакторов при мезофильных температурах.
Наряду с температурными условиями на процесс метанового брожения и количество получаемого биогаза влияет время обработки отходов
При эксплуатации реакторов необходимо проводить контроль за показателем рН, оптимальное значение которого находится в пределах 6,7-7,6. Регулирование этого показателя осуществляется путем добавления извести.
При нормальной работе реактора получаемый биогаз содержит 60-70% метана, 30-40% двуокиси углерода, небольшое количество сероводорода, а также примеси водорода, аммиака и окислов азота. Наиболее эффективны реакторы, работающие в термофильном режиме при 43-52оС. При продолжительности обработки навоза 3 дня выход биогаза на таких установках составляет 4,5 л на каждый литр полезного объема реактора. В исходную массу для интенсификации процесса анаэробного сбраживания навоза и выделения биогаза добавляются органические катализаторы, которые изменяют соотношение углерода и азота в сбраживаемой массе (оптимальное соотношение C/N=20/1-30/1). В качестве таких катализаторов используются глюкоза и целлюлоза.
Получаемый при брожении биогаз имеет теплоту сгорания 5340-6230 ккал/м3 (6.21-7.24 кВт.ч/ м3).
В бродильных камерах необходимо проводить энергичное перемешивание для предупреждения образования в верхней части слоя всплывающего вещества. Это значительно ускоряет процесс брожения и выход биогаза. Без перемешивания для получения такой же производительности объем реакторов должен быть значительно увеличен. Отсюда следствие - большие затраты и удорожание установки.
Перемешивание осуществляется:
- механическими мешалками различной формы или погружными насосами с приводом от электродвигателя,
- гидравлическими насадками за счет энергии струи, перекачиваемого насосом сбраживаемого навоза, или рециркуляцией,
- избыточным давлением биогаза, пропускаемого через барботер или трубку, расположенную в нижней части редуктора.
Остаток, образующийся в процессе получения биогаза, содержит значительное количество питательных веществ и может быть использован в качестве удобрения. Состав остатка, полученного при анаэробной переработке животноводческих отходов, зависит от химического состава исходного сырья, загружаемого в реактор. В условиях, благоприятных для анаэробного сбраживания, обычно разлагается около 70% органических веществ, а 30% содержится в остатке.
Основное преимущество анаэробного сбраживания заключается в сохранении в органической или аммонийной форме практически всего азота, содержащегося в исходном сырье.
Метод анаэробного сбраживания наиболее приемлем для переработки животноводческих отходов с точки зрения гигиены и охраны окружающей среды, так как обеспечивает наибольшее обеззараживание остатка и устранение патогенных микроорганизмов.
Жидкая фаза навоза после анаэробной переработки обычно отвечает требованиям, предъявляемым к качеству сточных вод органами охраны природы. Отработанная жидкая органическая масса поступает через выгрузочную камеру в резервуар сброженной массы, а оттуда перекачивается в цистерны, с помощью которых вносят на поля обычную навозную массу.
Этапы ферментации:
1. Гидролиз:
Органическая субстанция при помощи бактерий расщепляется на более мелкие единицы.
2. Образование кислоты:
На этом этапе бактерии расщепляют более мелкие молекулярные единицы до органических кислот.
3. Образование уксусной кислоты:
Бактерии расщепляют органические кислоты и спирты на уксусную кислоту, угледиоксид и водород.
4. Образование метана
Свойства биогаза являются очень важным фактором для его применения с точки зрения вредных веществ и энергетического содержания (теплотворности). Важными считаются следующие информации:
- содержание метана
- постоянство качества газа
- содержание вредных веществ
Сырьевые органические материалы
Для производства биогаза возможно использование следующих органических материалов. В скобках указан размер выработки биогаза в м3 на тонну сырого материала:
жидкий навоз, твердый компост (20 - 70)
биологические отходы, собранные на фермах (100 - 200)
вторичное (вторично выращенное) сырье (кукурузный силос, непищевые зерна)
нечистоты и жир сточных вод (80 - 150)
старый жир (1000)
трава и биологические отходы от
ферм по забою крупного рогатого скота (100),
пивоваренных заводов и дистилляторов (20),
складов для хранения фруктов и вина, молочных ферм (25).
Для снабжения биогазом когенерационной установке с электрической мощностью 500 кВт требуется: компост от 2500 коров, 15000 свиней или 300000 куриц (соответствует отходам приблизительно 60 ферм). Интересно, что одна корова в год, кроме молока, дает около 600 литров бензина (в энергетическом эквиваленте).
Дерево не подходит для выработки биогаза так как лигнин, содержащийся в нем, не перерабатывается метановой бактерией. Пестициды, вещества для дезинфекции и антибиотики также негативно влияют на бактерии и образование биогаза.
Преимущества
Альтернативное использование компоста, жидкого навоза и другого органического сырья в качестве источника энергии
Высокая экономическая эффективность и короткие сроки окупаемости
биогаза заменяет традиционное топливо
Высокий общий КПД (электрический и тепловой) - до 92%
Оставшийся сухой осадок от ДИГЕСТОРА может быть использован в качестве сельскохозяйственного удобрения
Коррозийный эффект нейтрализуется высоким уровнем РН
Отходы от ферментации не содержат запаха
Способствует снижению влияния факторов, влияющих на возникновение парникового эффекта (выработка энергии с пониженными выбросами СО2).
Состав биогаза
Метан 40-75%
Двуокись углерода 25-55%
Водяной пар 0-10%
Азот 0-5%
Кислород 0-2%
Водород 0-1%
Аммиак 0-1%
Водород серы 0-1%
На основе относительно высокой калорийности можно использовать биогаз как энергоноситель для производства тепла и производства электроэнергии. Средняя теплотворная способность биогаза составляет примерно 6 000 ккал / m⊃3; (25. 000 кДж / m⊃3 соответствует;). Таким образом средняя теплотворная способность кубометра биогаза примерно 0,6 л жидкого топлива соответствует.
Ход процесса в биогазовой установке
Подача
После подачи жидкие субстраты временно сохраняются в предварительном бункере и затем подаются через насосную станцию в основной ферментатор. Сухие субстраты сохраняются в передвижном бункере, а затем по мере необходимости при помощи загрузочного механизма для сухих компонентов (загрузочная воронка и подающий шнек) также подаются в основной ферментатор.
Производство газа
Субстрат в анаэробной среде без доступа воздуха при температуре 35°C - 55°C подвергается брожению в ферментаторе (нагретом и изолированном), т.е. содержащиеся в субстратах углегидраты, жиры и протеины расщепляются и на последнем этапе расщепления преобразуются при помощи метанообразующих бактерий вметан (CH4) и угледиоксид (CO2).
Использование газа
Для использования газа предусмотрена блочная теплоэлектроцентраль. В газовом двигателе полученный из ферментатора и временно сохраненный в газовом накопителе биогаз реализовывается и преобразуется в термическую и электрическую энергию.Произведенная электроэнергия поступает в общественную распределительную сеть.Термическая энергия используется для своих потребностей, а также различными теплопотребителями.
Конечный субстрат
Из конечного ферментатора остатки брожения перекачиваются через насосную станцию в конечный накопитель. Эти остатки сохраняются в конечном накопителе до вывода на сельскохозяйственные площади или до использования в других целях.
|
.gif)