БИОГАЗ - получение и использование

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.

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.

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:

• обеспечения электроэнергией собственного хозяйства;
• повышения плодородия почв ( на 15-25 %);
• экспорт высококачественного  экологически чистого органического удобрения;
• обеспечения охраны окружающей среды;
• обеспечения санитарно-гигиенического благополучия ферм.

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

• сжигание в котельных агрегатах для нагрева воды и подачи  её  на технологию и сторонним потребителям;

• подготовка биогаза в соответствии с требованиями нормативно-технической документации  и подача его в газораспределительные сети местных потребителей природного газа (смешение с природным газом);

• очистка, осушка, сжатие и заправка биогазом газобалонных автомобилей, тракторов и других сельхозмашин;

• выработка электроэнергии;

• получение биомассы и др.

     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.

12.05.2010