БИОГАЗ - получение и использование

к.т.н. Крушневич Тадеуш Казимирович
Институт газа НАН Украины.

Смотрите также:
  Биогаз – получение и использование в энергетике

Важным источником энергии в наше время являются нефть и газ. Газ по происхождению делят на природный, попутный, генераторный, искусственный, шахтный метан, биогаз и др. Природный газ образует самостоятельные скопления в виде газовых и газоконденсатных месторождений. Попутный газ находится в нефти в растворенном состоянии в объеме 100 - 200 м3 на 1 тонну нефти. Искусственные газы образуются в различных технологических процессах, например, в металлургии. Биогаз образуется в результате микробиологического синтеза органических веществ.

Попутный и природный газ состоит из углеводородов метанового ряда с примесью азота, диоксида углерода, сероводорода и некоторых других газов. Газ является наиболее экономичным видом топлива и широко используется на электростанциях, в черной металлургии, для удовлетворения коммунально-бытовых нужд, в химической промышленности, получения пластмасс и др.

Вопрос происхождения нефти и газа вызывает много споров. Сторонники неорганического происхождения нефти и газа считают, что в глубинах земли под действием огромных температур из углерода и водорода образуются углеводородные радикалы. Они поднимаются к верхним слоям земли, соединяются с водородом и образуют различные углеводородные соединения нефти и газа. Эти соединения скапливаются в структурных ловушках Земли.

Сторонники теории органического происхождения нефти и газа считают, что они образуются из растительных и животных остатков, которые накапливаются на морском дне вместе с осадочными породами. В недрах земли находится примерно 2*1016 тонн отмерших, главным образом простейших организмов, которые скопились за последние полмиллиарда лет существования Земли (из 4.5 млрд лет).

Эти растительные и животные остатки подвергались переработке микроорганизмами. Некоторые бактерии извлекают из органических веществ азот, кислород, серу, фосфор, увеличивая относительное содержание углерода и водорода, из комбинации которых образуются  молекулы нефти и газа. Другие бактерии сами способны вырабатывать газ метан. Такие процессы, очевидно, происходят под влиянием природных катализаторов при высоких температурах (30 - 160 оС), давлениях (25 - 60 МПа) и в течение многих миллионов лет.

Современный уровень развития цивилизации требует  значительных расходов энергии, в том числе нефти и газа, запасы которых интенсивно снижаются. Поэтому поиск альтернативных источников энергии является важной научной задачей.

Рассмотрим, прежде всего, процессы, в которых можно получить энергию из отходов жизнедеятельности человека и сельскохозяйственных животных.

Продукты  жизнедеятельности человека (отходы) удаляются через канализационную систему города и в виде твердого мусора вывозятся на свалки.

В Киеве канализационные стоки собираются и обрабатываются в специальных отстойниках - аэротенках, в которые подается воздух. При этом происходит окисление органических веществ, которые откладываются на дно и затем вывозятся на поля в виде удобрения. Очищенная вода также подается на поля для орошения или сбрасывается в реки.

Часть канализационных стоков подается в метантенки, представляющие собой герметичные сосуды большой емкости. В метантенках без доступа кислорода специально выращенные микроорганизмы (бактерии) при определенных температурных условиях перерабатывают органические вещества с выделением метана и диоксида углерода (углекислоты). Полученный биогаз можно использовать в качестве топлива.

Твердые бытовые отходы складируются за пределами городской черты в естественных углублениях или на специально подготовленных площадках (полигонах), которые могут занимать территорию в несколько гектар. При закрытии свалки ее территория засыпается землей, укрывается специальной пленкой и покрывается глинистым грунтом для исключения неприятных запахов при размещении вблизи них производств и нахождении людей. Через 5 лет в слое свалки образуются колонии микроорганизмов и начинает интенсивно выделяться биогаз. Поэтому с поверхности полигона бурят скважины на всю глубину свалки и собирают газ в коллекторы для использования или сжигания на факеле. Выделение биогаза может продолжаться 25 лет.

Биогаз. Скважины

На фотографии 1 показана такая свалка в одном из городов США. На ней пробурено 60 скважин (часть их видно на фото), из которых добывается сейчас 4000 кубических метров биогаза в час. Этот газ сжигается на факеле (фото 2). Нами разработан проект очистки этого биогаза от примесей и подачи его в газопровод. ЗАВОД ИЗГОТОВЛЕН В Украине и поставлен заказчику в США. В Киеве такой же полигон в Пирогово закрыт. Было пробурено несколько скважин и на этом все проблемы были зарыты, хотя можно было получить и полезно использовать значительные энергоресурсы.

Биогаз. Факел

Процессы получения (образования) газа метана, описанные ранее, можно значительно ускорить, используя новые технологии и наши знания в области микробиологических процессов.

Более подробно рассмотрим процессы, происходящие в метантенках.

Анаэробная обработка содержимого метантенка осуществляется путем биохимического разложения органических материалов в отсутствие кислорода. Как считают ученые, разложение органики происходит в четыре стадии и на каждой из них работает определенный вид бактерий. Первая группа отвечает за растворение и гидролиз органики. Вторая - действует на растворенные продукты, превращая их в более простые органические продукты. Третья - продолжает разрушение с образованием уксусной, масляной, пропионовой, валериановой и других кислот. И, наконец, четвертая группа состоит собственно из метаногенных бактерий, которые образуют метан, углекислый газ, водород и др. за счет ранее полученной другими бактериями питательной среды. Скорость и эффективность указанных микробиологических процессов зависит от многих факторов; температуры 30-35 или 52-57 оС, кислотности (РН 6,6-7,6), скорости подачи питания, степени перемешивания и др. Поэтому большие метантенки оборудуются системами обогрева, перемешивания, контроля РН, рекуперации тепла сброженного продукта, а сам метантенк покрывается слоем теплоизоляции. Для поддержания теплового режима метантенка затрачивается от 20 до 50 % вырабатываемого биогаза в зависимости от температуры окружающей среды.

Сырьем для метантенков служат чаще всего отходы животноводства и птицеводства и отходы сельскохозяйственного производства (солома, ботва), спиртового производства (барда) и др.

По ранее выполненным расчетам специалистов, в Украине ежегодно образуется более 120 млн. тонн органических отходов по сухой массе, каждая тонна которых может дать от 300 до 800 м3 биогаза. Переработка всего количества отходов может дать только биогаза от 36 до 75 млрд. м3 биогаза или в пересчете на метан от 20 до 45 млрд. м3 в год. Отметим, что в настоящее время в Украине добывается менее 20 млрд. м3 природного газа при потребности около 70 млрд. м3 газа. Использование хотя бы части потенциала отходов позволит сократить закупки газа, решить экологические проблемы и получить высококачественные удобрения. По данным некоторых авторов стоимость биогаза составляет около 25% прибыли  от биоконверсии органических отходов, остальные 75% составляет прибыль от использования высококачественных удобрений, охраны окружающей среды и др.  В полученное в результате биоконверсии удобрение, не содержащее семян сорных растений и гельментов, могут добавляться фосфорные, калийные и другие минеральные удобрения в зависимости от культуры, под которые будут вносится удобрения. При этом расход удобрений составит 1-5 тонн на гектар вместо 60 тонн необработанного навоза. 

 За сутки от навоза при стойловом содержании животного можно получить следующее количество биогаза; крупный рогатый скот - 1,5; свиньи - 0,2; куры, кролики - 0,015 кубического метра.

На основе ранее выполненных научно-исследовательских, конструкторско-технологических работ и опыта промышленной  эксплуатации  отдельных агрегатов  предлагается для практической реализации биоэнергетический комплекс,  включающий принципиально новую технологию биологической обработки  метановым  сбраживанием  помета птицефабрик и навоза крупного рогатого скота и свиней с получением высококачественного  органического удобрения и биогаза.

Новая технология метанового сбраживания позволяет провести дополнительную обработку продуктов сбраживания для обогащения и  связывания азота, что  существенно  повышает качество удобрения и в итоге урожайность почвы. При этом значительно будут снижены затраты  хозяйства  на приобретение дорогостоящих минеральных удобрений. В публикациях имеется информация о том,  что в некоторых случаях выгоднее  производить  и реализовать высококачественное органическое удобрение, чем производить мясо и молоко.

Вырабатываемый в метантенке биогаз будет содержать 65-85 % об метана с  незначительным  содержанием сернистых соединений.  Технологией предусмотрено компримирование,  охлаждение и очистка биогаза. Товарный биогаз будет использоваться в качестве моторного топлива в разрабатываемых газодизельных электроагрегатах с выработкой электроэнергии, а избыток биогаза  будет поставлятся другим потребителям или использоватся для подогрева воды. Для технологических нужд энергокомплекса будет использоватся тепло отработанных газов двигателей и тепло системы охлаждения двигателей.

Выполненные расчеты показывают,  что  на  базе  животноводческого комплекса на  1200  голов  крупного  рогатого  скота можно получить 65 куб.м биогаза/ч. Из него будет выработано 140 кВт электроэнергии в час и  получено  тепло  для  подогрева метантенка и других технологических нужд,  а еще примерно 3 м3/час горячей воды выдано  другим  потребителям. По  оценкам,  вырабатываемой электроэнергии достаточно для покрытия собственных нужд хозяйства и примерно третья часть может поставлятся в другие хозяйства.

Предлагаемый биоэнергетический  модуль позволяет решать следующие задачи:

    Эффективность использования  биогазовых  установок  определяется в основном методами преобразования получаемого биогаза как энергоносителя. Можно отметить следующие направления использования биогаза:

     Выбор направления  использования  биогаза  определяется  в каждом конкретном случае для каждого хозяйства.  На сегодняшний день наиболее остро стоит вопрос обеспечения хозяйств электроэнергией.

     Теплотворная способность биогаза, содержащего 70% об метана, составляет 25100 кДж/м3 (метана--35880) или 5990 ккал/м3.  Из вырабатываемого в хозяйстве биогаза  в  объеме  65 м3/ч можно получить 172 кВт.ч электроэнергии и 163500 ккал/ч тепла.

Такого количества  тепла  достаточно для нагрева 4 м3/ч оборотной воды от 30 до 70 оС, которая используется для технологических целей - подогрева метантенка- 3 м3/ч ,  а 1 м3/ч может быть направлен другим потребителям. Указанные соотношения потребителей тепла будут изменятся сезонно,  т.к. в зимний период  потребуется  больше тепла подавать на метантенк.  В этом случае обеспечение других потребителей горячей водой возможно за счет снижения выработки электроэнергии и сжигания биогаза в подогревателях воды.

  Конкретные соотношения выработки электроэнергии и тепла будут  регулироваться в зависимости от требований потребителей.

По теплотворной способности 1 м3 биогаза эквивалентен 0.7 м3 природного газа, 0.643 л или 0.566 кг дизельного топлива, 0.856 кг условного топлива. При средней величине выхода биогаза 65 м3/ч суточное производство  составит 1560 м3, годовое - 569400 м3. Затраты на собственные нужды биоэнергетического модуля приняты 22 кВт/ч.

При сложившейся на сегодняшний день структуре цен  на  энергоносители  доход хозяйства только за счет экономии электроэнергии может быть получен 197 тыс грн (36.8 тыс дол) в год,  которую не нужно будет закупать у электроснабжающих организаций.  Здесь не учтено тепло,  эквивалентное 150 кВт/ч, которое можно получить при рекуперации  тепла  отработавших  газов двигателя внутреннего сгорания.  В связи с увеличением цен на дизельное топливо можно  рассматривать  проблему перевода  автотракторного  парка хозяйства на работу на компримированном до 200 кгс/см2 биогазе с целью экономии дизельного топлива.  Следует  учесть, что ценность получаемых при сбраживании навоза органических удобрений примерно в 2-3 раза выше, чем стоимость получаемой электроэнергии.

Ориентировочные затраты на создание биоэнергетической установки на базе фермы на 1200 голов КРС составят 247000 долларов США.

Указанная стоимость установки и отдельных этапов работы уточняется в процессе проектирования.

В тоже время для небольших фермерских хозяйств наиболее подойдут метантенки объемом 4-8 м3, рассчитанных на переработку отходов от 1-4 голов крупно-рогатого скота, 3-5 свиней, 5 членов семьи, птицы и др.

В такой  установке можно переработать 30-50 тонн свежего навоза в год и выработать около 3 000 м3 биогаза. Такого количества биогаза достаточно для работы бытовой газовой плиты в зимний период времени и получения горячей воды в летний период для северных районов Украины. Стоимость такой установки составит около 1 000 долларов в зависимости от материалов и вспомогательного оборудования.


Советуем Вам также просмотреть статью "Биогаз - получение и использование в энергетике" (2009 год)

12.05.2010