БИОГАЗОВЫЕ УСТАНОВКИ И ИХ МОДЕРНИЗАЦИЯ
Г.Б. ОСАДЧИЙ1 (г. Омск)
В условиях постоянного повышения цен на ископаемые энергоносители, а также истощения запасов нефти и газа всё большее количество стран развивают альтернативные источники энергии. Одним из таких видов является биогаз. Глубокие исследования в этой области проводятся в Республике Казахстан. В значительно меньшей степени это относится к России, хотя полномасштабное развитие биогазовой отрасли РФ позволило бы решить ряд важных экономических задач. В частности, привело бы к снижению задолженности потребителей за газ, которая у нас на 1 апреля 2014 г. составила 141.6 млрд рублей2.
Следует отметить, что основным недостатком биогазовой энергетики является значительный вес удельных капитальных затрат (в расчёте 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 объёмом метантенка 3-20 м3), так и для средних (с объёмом метантенка 30-100 м3).
Современные технологии (производства), по возможности, должны быть связаны между собой таким образом, что конечный цикл одного из них становится началом другого, благодаря чему достигается практически полная безотходность и интенсификация про-
1 Осадчий Геннадий Борисович - инженер-изобретатель, автор 140 изобретений СССР.
2 Газета "Энергетика и промышленность Рос-
сии". 2014. № 11.
изводства на достаточном удалении от границ динамической устойчивости экосистем.
Известно, что животные не полностью усваивают энергию растительных кормов и более половины её уходит в навоз - ценное удобрение.
Содержание животных на фермах и комплексах привело к увеличению объёмов навоза и навозных стоков в хозяйствах. А это даёт возможность организовать их переработку не только в удобрения, но и в биогаз, не загрязняя окружающую среду. Таким образом, биогаз по сути своей становится рукотворным возобновляемым источником энергии.
Обычно под биогазовой установкой (БГУ) 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 герме- § тичен, в него не должен попадать кис- £ лород, так как только при отсутствии е кислорода возможна жизнедеятель- | ность метанообразующих бактерий.
Оптимальная температура метаноге- | неза зависит от вида перерабатываемо- £ го установкой субстрата (органических | отходов). Контрольно-измерительные Л приборы, устанавливаемые на метан- 1 тенке, должны обеспечивать контроль 1 уровня субстрата в метантенке, темпе- I ратуры и давления внутри него. ^
Современные технологии позволяют перерабатывать в биогаз любые виды
© Г.Б. Осадчий
57
органического сырья, однако наиболее эффективно использование биогазовых технологий для переработки отходов животноводческих, птицеводческих ферм и сточных вод, так как они характеризуются постоянством потока отходов во времени и простотой их сбора. При этом навоз и помёт должны поступать с ферм и из хозяйств, животные на которых не подвержены зооан-тропонозным заболеваниям.
Активный обмен веществ и высокая скорость биохимических обменных процессов в метантенке достигается за счёт максимального поддержания и непрерывного обновления величин граничных поверхностей между твёрдой и жидкой фазами. Поэтому твёрдые 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 твёрдых 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 ю обеспечивает эффективную и стабиль-§ ную работу БГУ.
г Цель перемешивания - высвобож-I дение образованного биогаза, переме-| шивание свежего субстрата и бактерий £ (прививка), предотвращение образова-| ния корки и осадка, недопущение обра® зования участков разной температуры внутри метантенка, обеспечение рав-| номерного распределения популяции 1 бактерий, предотвращение формиро-^ вания пустот и скоплений, уменьшаю-Л щих эффективную площадь метантен-= ка. При выборе метода перемешивания нужно учитывать, что процесс сбраживания представляет собой процесс жиз-
недеятельности 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-го и 4-го класса опасности в следующих режимах:
- в психрофильном режиме оптимальная температура в метантенке 1520 °С, но может быть и ниже. В таком режиме отходы перерабатываются 3040 дней. Психрофильный режим обычно используется в летнее время в случае, когда тепло и количество субстрата (отходов) значительно меньше обычного, например из-за выпаса скота;
- в мезофильном режиме при температуре 30-40 °С органические отходы перерабатываются 7-15 дней, в зависимости от вида отходов;
- 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. Такой режим подходит больше 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 жёстче, чем выше температура процесса ферментации: при психро-фильном температурном режиме - 2 °С в час; при мезофильном - 1 °С в час; при термофильном - 0.5 °С в час.
Поскольку, например, в Московском регионе среднегодовая температура
Таблица 1
Составляющие положительного денежного потока биогазовых проектов
Составляющая
Доля в структуре выручки (в %)
Продажа электроэнергии Продажа тепловой энергии
Снижение платы за технологическое присоединение (для новых и расширяющихся предприятий)
Продажа мощности Продажа удобрений Снижение экологических платежей
Продажа углеродных квот
60-75 10-20
0-50 0-30 10-30
0-20
0-10*
* Производство 1000 м3 биогаза обеспечивает замещение 10 т выбросов СО2. Средняя рыночная цена 1 т СО2 сегодня составляет 10 евро.
V_У
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. По данным А.А. Ковалева3, до 60% полученного биогаза тратится на собственные нужды БГУ. При этом наиболее энергоёмким является процесс нагрева субстрата.
Наиболее распространённой системой подогрева является внешняя система подогрева с водонагреватель-ным котлом (котельной установкой), работающим на биогазе, электричестве или твёрдом 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.
По данным И. Егорова, директора биогазовых проектов АЕпегду (табл. 1), при гарантированной надёжности и долговечности срок работы БГУ может достигать 40 лет.
Мы рассмотрим традиционную БГУ и БГУ метантенк, который размещён на дне солнечного соляного пруда (ССП)4.
Что такое солнечный соляной пруд?
В последнее время всё более широко обсуждаются возможности использования солнечной энергии для удовлетворения потребностей в электричестве и тепле. Детальное обследование территории России показало, что более 60% её территории, включая многие северные районы, характеризуются существенным среднегодовым поступлением солнечной энергии в размере 3.5-4.5 кВт • ч/м2 в день. Наиболее "солнечные" - районы Дальнего Востока, Якутии, Прибайкалья, Алтая, Северного Кавказа. В целом технический (доступный технологически) потенциал использования солнечной энергии вдвое превышает общее энергопотребление страны. Способов трансформации энергии солнечной радиации в необходимые виды энергии довольно много. Один из них - так называемый "солнечно-соляной пруд".
Солнечно-соляной пруд - это неглубокий (2-4 м) бассейн с крутым рассолом в нижней его части. В качестве рассола используется насыщенный раствор, состоящий из 95% хлорида магния и 5% хлорида кальция. Во избежание растекания жидкости обеспечивается гидроизоляция бассейна. Для сокращения тепловых потерь через грунт рекомендуется обеспечивать теплоизоляцию дна и стенок бассейна.
По своей сути солнечно-соляной пруд является солнечным коллекто-
3 Ковалев А.А. Повышение энергетической эффективности биогазовых установок. Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук, Москва, 2014.
4 Осадчий Г.Б. Гелиометантенк-реактор биогазовой установки // Промышленная энергетика. 2006, № 12.
л
Рис. 1.
Строение солнечно-соляного пруда. Справа - график изменения температуры с глубиной.
ром - тепловой ловушкой. В пруду часть солнечного излучения - инфракрасного спектра полностью поглощается верхним слоем
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.