Тандем - 2, шлакоблочные станки, бетоносмесители


Производство оборудования и технологии
Рубрики

Основи та системи анаеробної ферментації

Процес анаеробної ферментації відзначається комплексним ефектом [150-152], який має такі складові:

г — екологічний;

У енергетичний;

г — соціальний;

У ефект від виробництва шламу;

г — ефект від повторного використання води:

о від запобігання впливу на гідросферу; о від повернення частини мікроорганізмів в реактор.

Використання БГУ в складі ТТС базового господарства забез­печує високий ступінь безвідходності основного технологічного процесу. Згідно розробок дослідників співвідношення ефектів в процентах таке [151]:

біогаз: шлам: екологія = (13.. ,45):(16.. .81):(0,5.. .25).

Як було віще наведено найбільшого поширення набуло анае­робне (без кисневе) зброджування біомасси з метою здобуття мета­ну. Виробництво біогазу з біомаси сільськогосподарських тварин засноване на використанні процесу анаеробного зброджування біо­маси в спеціальних герметичних ємкостях — метантенках. За раху­нок вживання анаеробної переробки біомаси в сільському госпо­дарстві, наприклад, в Індії, покривається 20 % потреби в енергії, в Китаї — ЗО %. Серед країн Європейського Союзу найефективніше використовують анаеробну переробку в Португалії, Франції, Гер­манії, Данії, Італії і Іспанії [124, 125]. За даними комітету ЄЕС з

освоєння енергії біомаси, країни Західної Європи можуть отримати з міських, промислових і сільськогосподарських відходів 100…200 т. у.п./рік [3, 125, 153]. Очисні споруди, що використовують метано­ве бродіння для обробки органічних відходів, відомі з кінця мину­лого століття. Перший такий досвід відноситься до 1895 р., коли в англійському місті Екзетер був введений в експлуатацію так званий септіктенк для очищення комунальних відходів. Окрім чисто сані­тарних завдань, цей септіктенк виробляв біогаз, який використову­вався для освітлення вулиць.

Анаеробний метод обробки відходів довгий час застосовував­ся в основному для стабілізації опадів водоочисних станцій і відхо­дів тваринництва. Проте з початком енергетичної кризи 1970-х рр. цей метод привернув особливу увагу у зв’язку з ідеєю здобуття біо — газу як енергетичного джерела для локальних споживачів. [2, 153]. Анаеробне зброджування біомаси із здобуттям біогазу можна здій­снити по багатьом технологічним варіантам, починаючи з констру­ктивно невимогливих, не професійно виготовлених установок, за­кінчуючи технологічно здійсненими установками безперервної дії, в яких використані найпрогресивніші елементи регуляції і автома­тизованих [2, 3]. Анаеробне зброджування здійснюється в метанте — нках, де забезпечуються всі необхідні параметри процесу (темпера­тура, концентрація органічних речовин, кислотність і ін.).[2, 35]. Метантенк має теплову ізоляцію, що дозволяє забезпечувати і під­тримувати на заданому рівні температурні режими зброджування і у ньому є пристрої для постійного перемішування біомаси. Вступ біомаси в метантенк регулюється так, щоб процес зброджування протікав рівномірно. Під час зброджування в гної розвивається мік­рофлора, яка послідовно руйнує органічні речовини до кислот, а останні під дією синтрофних і метаноутворюючих бактерій пере­творюються на газоподібні продукти — метан і вуглекислоту. Міра руйнування органічної речовини при анаеробному зброджуванні гною знаходиться в межах 25.. .45 % [154, 155].

Дослідження показують; що при розпаді жирів, що містяться в біомасі, питомий вихід біогазу в 1,5 разу вище, ніж при розпаді ву­глеводів і білків [156]. Якщо говорити про чисельне значення пи­томого виходу біогазу, при анаеробному розпаді, то вони склада-

Подпись: 80 -г тер МО Ф1ЛЬНИЙ Р ЄЖИ М І мезо ф ільний р е жим збр о д жз^вання з бр о д жув ання Рисунок 4.8 - Склад біогазу отриманого при анаеробному розпаді вуглеводів, жирів або білків [157]

ють з жирів — 1,329, вуглеводів — 0,821, білків — 0,717. При збро­джуванні білків і жирів в біогазі міститься більше метану, чим при зброджуванні вуглеводів, це можна спостерігати з діаграми проце­нтного співвідношення біогазу отриманого при анаеробному розпа­ді одного кілограма вуглеводів, жирів або білків (рис. 4.8).

image087

Межа зброджування по біогазу (межа розпаду), в процентному співвідношенні при анаеробному розпаді одного кілограма вугле­водів, жирів і білків приведений на рисунку 4.9.

Виробництво біогазу з різних видів сільськогосподарських ві­дходів, головним чином, біомаса, є традиційно використовуваною технологій у ряді країн, що розвиваються. [З, 158, 159, 2]. Це перш
за все відноситься до таких країн як Китай, Індія, Таїланд, Індоне­зія, де в цілому до теперішнього часу побудовано і експлуатується близько 6 млн. біогазових установок з об’ємом реакторів до 10 м. [2, 160-162].

Протягом останніх років біогазові установки стали набувати поширення і в промислово-розвинених країнах, особливо в західно — європейських, де число біогазових установок, що діють, за остан­ній час зросло з 40 до 750. З цього числа приблизно % доводиться на невеликі установки з ємкістю реакторів від 100 до 300 м, що пе­реробляють, в основному, відходи тваринництва. [153]. Такі уста­новки набули найбільш широкого поширення в Німеччині, Франції, Італії, Швейцарії, Бельгії, Швеції, в кожній з яких експлуатується близько 100 установок. Технологічна схема найбільш поширеної біогазової установки, призначеної для переробки рідкого гною, представлена на малюнку 4.10.

image088

1 — тваринницьке приміщення; 2 — гноєприймач; 3 — насоса; 4 — метантен — ка; 5 — газгольдера; 6 — теплообмінника; 7 — казана; 8 — гноєсховища.

Рисунок 4.10 — Технологічна схема біогазової установки для переробки рідкого гною

Технологічний процес здійснюється таким чином. Гній з тва­ринницького приміщення поступає в накопичувальну ємність, далі фекальним насосом його завантажують в метантенк, де і здійсню­ється анаеробне зброджування. Біогаз, що утворюється в процесі бродіння, поступає в газгольдер і далі до споживача. Для нагріву гною до температури бродіння і підтримки теплового режиму в ме — тантенку застосовують теплообмінник, через який протікає гаряча вода, що нагрівається в казані. Зброджений гній вивантажують в гноєсховищі.

Встановлено, що багато країн світу мають в своєму розпоря­дженні великі можливості здобуття біогазу з гною сільськогоспо­дарських тварин, а також його використання для технологічних по­треб ферм. [2, 3, 153].

Згідно досліджень [37] при анаеробній переробці гною і по­сліду можна отримати наступну кількість біогазу:

• 300 м3 при переробці 1 т сухої речовини гною КРС

о

• 500 м при переробці 1 т сухої речовини гною свиней

з

• 600 м при переробці 1 т сухої речовини посліду птиць

В перерахунку на одну голову показники виходу біогазу при­ведені в таблиці 4.6.

Таблиця 4.6 — Вигляд худоби і птиці живої маси

Показники

Вид скота й птиці, живої маси

КРТ (454 кг)

Птиця (2,3 кг)

Свинки (45,5 кг)

Вихід гною, кг/гол за добу

57,0

0,37

3,35

Вихід біогазу, м /гол за добу

1,71

0,025

0,37

Фізичні властивості біогазу, приведені в таблиці 4.7, дозволя­ють судити про можливості його використання. Об’ємна теплота згорання, температура займання і межа займистості визначається в основному вмістом СН4, оскільки незначна кількість Н2 і H2s на цей показник майже не впливає.

Таблиця 4.7 — Фізичні властивості компонентів біогазу

Показники

Компоненти

СЩ

со2

н2

H2S

Об’ємна доля, %

50…70

25…42

1

3

Об’ємне тепло згорання, МДж/м

35,8

10,8

22,8

Температура займання, °С

650…750

585

Щільність нормальна, г/л

0,72

1,98

0,09

1,54

Авторами даної статті були розраховані всілякі співвідношен­ня теплоти згорання біогазу з різним вмістом об’ємної долі метану в нім, і більшості інших видів палив (без врахування ККД) приведені в таблиці 4.8.

Вид палива (теплота згорання)

Біогаз (на 1 м3) зі змістом СЕЦ

Природний газ (на 1 м3)

50%

55%

60%

65%

70%

Біогаз с 55 % СЕЦ (20,000 МДж/м3)

1,12

1,00

0,93

0,86

0,80

0,56

Умовне паливо (29,330 МДж/м3)

1,63

1,47

1,37

1,26

1,17

0,82

Природній газ (35,631 МДж/м3)

1,99

1,78

1,66

1,54

1,42

1,00

Мазут (М-100) (38,175 МДж/кг)

2,13

1,91

1,78

1,65

1,52

1,07

Пічне паливо (40,891 МДж/кг)

2,28

2,04

1,91

1,76

1,63

1,15

Котельне паливо (42,220 МДж/кг)

2,35

2,11

1,97

1,82

1,68

1,19

Дизельне паливо (42,7170 МДж/кг)

2,39

2,14

1,99

1,84

1,70

1,2

Бензин

(44,000 МДж/кг)

2,46

2,20

2,05

1,89

1,75

1,24

Пропан

(88,362 МДж/м3)

4,93

4,42

4,09

3,79

3,51

2,48

Бутан

(117,363 МДж/м3)

6,56

5,87

5,45

5,04

4,67

3,29

Електричний струм (3,61 МДж/кВт-год)

0,2

0,18

0,17

0,15

0,14

0,10

Таблиця 4.8. Співвідношення теплоти згорання для різних видів палив і біогазу (без врахування ККД)____________________________________

Подпись: X Подпись: 1- Подпись: К Подпись: (4.1)
image093

Мікробіологічним процесом зброджування субстрата є склад­ний процес, тому для кінетики цього процесу ще не сформульована загальновизнана математична модель. Для опису метаногенних процесів користуються залежностями Моно, Міхаелісаментен [163- 166] і Ендрюса [167]. В даний час для опису мікробіологічних про­цесів при анаеробному зброджуванні найчастіше звертаються до моделі [.Р. Чена і А. Г. Хашимото [2, 167, 168]. Відповідно до цієї моделі швидкість виходу метану, ь/т, м СН4/(м доба) визначається з рівняння

де: В — граничний вихід метану на одиницю маси завантаженої в біореактор

• — • з

органічної речовини при нескінченно великій тривалості процесу, м

СІЕ/кг;

К = f (S) — кінетичний параметр пронесу;

pm — максимальна питома швидкість росту біомаси, доб-1;

Подпись: (4.2)рт = 0.013 -1 -0.129 t,

t — температура зброджування, °С.

З приведених формул виходить, що швидкість виходу метану визначається концентрацією органічної речовини S у вихідному субстраті. Вона залежить від вологості W, зольності на суху масу А і об’ємній щільності середовища роб, тобто

Подпись: (4.3)S = Роб -(100- W)-(100-А).

Дослідження [169] показують, що інтенсивність процесу анае­робного зброджування залежить від співвідношення маси води Мв і органічної речовини Морг у вихідному субстраті

Подпись: Морг S (4.4)

Результати різних проаналізованих досліджень дозволяють зробити вивід, що технологія анаеробної переробки твердого гною з розбавленням його рідкою фракцією збродженого осаду дозволяє підвищити вихід біогазу на 50…80 %, в порівнянні з технологією переробки рідкого гною, понизити витрати енергії на підігрівання вихідного гною до температури бродіння в 1,3…2 рази, залежно від вологості вихідного твердого гною.

Хоча одним з істотних чинників, що впливають на показники біогазової установки є природнокліматичні умови тваринницьких ферм. Проте найбільший вплив на тепловий баланс надає вміст су­хої органічної речовини (СОВ) в зброджуваній біомасі. Авторами даної роботи були проведені експериментальні дослідження в цій області на біоенергетичній установці ПТК комбінату ВАТ «Запо — ріжсталь» описаною в роботах [127]. Усереднені результати даних досліджень представлені на (рис. 4.11).

image097

Рисунок 4.1 L — Залежність виходу біогазу від вмісту сухої органічної речовини

По результатах, проведених досліджень можна зробити насту — пні виводи, що при вмісті СОВ 20 кг/м і менш біогазові установки мають порівняно малий вихід біогазу, отже, негативний тепловий баланс. Оптимальний вихід біогазу мають установки, що працюють в мезофільному режимі, в яких вміст СОВ складає 80 кг/м в ура­нішні години. В цьому випадку витрати енергії на власні потреби складають 20…22 %. Можна сказати, що в осіннє і весняні пори ро­ку найбільш вигідний тепловий баланс мають установки, що пере — робляють гній з вмістом СОВ більше 40 кг/м. У зимові періоди ро­ку коефіцієнт витрати енергії на влісні потреби може перевищити 50 % навіть при зброджуванні гною з СОВ 80 кг/м3.

На підставі математичних обчислень і обробки отриманих ек­спериментальних даних було виведено рівняння кількості виходу біогазу b від вмісту сухої органічної речовини тс р, яка має вигляд:

Ь = 2,833е°’°283тс-р. (4.5)

Результати цих досліджень мають істотну практичну значу­щість і повинні враховуватися при розробці, введенні в дію і екс­плуатації біогазових установок.

Кліматичні умови роблять істотний вплив на ефективність процесу. За даними випробувань в літній час на підтримку процесу в установці витрачається на 70…80 % менше кВтч/доба, чим в зи­мовий період.

Виходячи з вище сказаного біогаз отриманий при анаеробній переробці успішно застосовується як паливо. Його можна спалюва­ти в пальниках опалювальних установок, водонагрівних казанів, га­зових плит, використовувати в холодильних установках типа абсо­рбції, в інфрачервоних випромінюй гелях, в автотракторних двигу­нах, в газовому циклі Отто (з іскровим запаленням) і газодизельно — му циклі (з уприскуванням невеликої дози запального дизельного палива). Карбюраторні двигуни легко перекладаються на газ: до­сить лише замінити карбюратор на змішувач [170-178].

При виробництві електроенергії з біогазу в електричний струм перетвориться всього ЗО % його енергоресурсу, остання частина — теплота відкидна. Її можна використовувати при нагріванні води для побутових потреб і вмісту худоби, опалювання житлових примі­щень і теплиць, підігрівання повітря для сушарок, а також при створенні мікроклімату в тваринницьких приміщеннях і нагріву гною потрібної температури бродіння в біогазових реакторах.

Інтерес до використання біомаси як джерело енергії виклика­ний тим, що біомаса постійно поновлюється; енергія, запасена в бі — огазі, може зберігатися і використовуватися протягом довгого часу і конвертується в різні види палива; у ряді регіонів біопаливо є еко­номічно вигіднішим або основнішим виглядом енергії; в деяких ви­падках біогаз є джерелом екологічно чистій енергії, при його вико­ристанні не утворюються шкідливі газоподібні оксиди сірки, не змінюється баланс вуглекислого газу в біосфері [2, 137, 178].

З біологічних методів конверсії поновлюваних видів енергії найближчими роками основний розвиток отримає виробництво біо­газу, зокрема анаеробна переробка. Анаеробне переробка біомаси, таке, що є найбільш перспективним засобом здобуття палива з ор­ганічної маси цей вивід визначений фізичними характеристиками отримуваного біогазу, відносною простотою і економічністю тех­нологій і особливостями процесів, що ефективно знешкоджують і утилізували відходи [179]. Біогаз з відходів, що отримуються в сві­товому тваринництві в рік, може на 10 % покрити потреби сучасної енергетики в паливі [3].

У СІЛА надають велике значення анаеробному виробництву біогазу з гною: по-перше, в енергетичному аспекті, в других у зв’я­зку з тим, що зі всього об’єму гною, що щорік утворюється на тва­ринницьких фермах, економічно прийнятного для переробки в біо­газ приблизно половина доводиться на інтенсивні виробничі систе­ми (крупні відгодівельні комплекси і майданчики КРТ, промислові

свинарські і птахівницькі комплекси) [180, 181]. У таких виробни­чих системах є всі економічні передумови для організації промис­лового виробництва біогазу на спеціалізованих підприємствах.

У тваринництві Німеччини щорічний вихід гною складає в да­ний час 300 мли. т, у тому числі 110 мли. тонн в рідкому вигляді. Необхідність в утилізації всього об’єму гною в умовах обмежених сільськогосподарських площ і підвищених вимог до охорони до­вкілля ставить перед фахівцями і фермерськими господарствами завдання по розробці методу повного знезараження гною і приготу­вання з нього високоякісного органічного добрива. Останніми ро­ками в країні поновилися інтенсивні розробки методу анаеробного метанового зброджування рідкого гною. За підрахунком західноні­мецьких фахівців, при анаеробній переробці такого об’єму гною в біогаз можна отримувати енергію, рівну 7 % загальнонаціональній потребі [182-184].

У Великобританії доля біогазу потенційно може складати до 5 % від загальної кількості споживаного в країні природного газу. Переробка гною від всього поголів’я КРС, свиней і птиці дозволить отримувати щорік кількість газу, еквівалентну 3,7 млн. т нафти [1, 2].

У сільському господарстві Японії щорік утворюється 90,3 млн. т гнойових стоків. З переходом на інтенсивне виробництво тварин­ницької продукції при сучасному рівні технології фахівці вважають економічно за доцільне переробляти всю гнойову масу для здобуття біогазу в об’ємі 2,7 млрд. м3 або 1,5 млн. т нафти [3, 185].

За даними Індійського національного радого з прикладних економічних досліджень, в сільському господарстві Індії утворю­ється 1500 млн. т вологого гною в рік. З цієї кількості відходів мо — жна отримати 9,3 млрд. м біогазу [3].

Наявність паливного потенціалу біомаси для анаеробної пере­робки в Україні вимагає проведення аналізу існуючих технологій її енергетичного використання, в першу чергу — з екологічного по­гляду, у тому числі, визначення питомих викидів парникових газів. Останнє особливо актуально при реалізації проектів в рамках Кіот — ського протоколу.

Після детального вивчення основ та ефектів системи анаероб­ної ферментації, слід зробити аналіз вивчення схем біогазових установок та приділити увагу основним елементам біогазової уста­новки.

Оставить комментарий