Биоэнергетические    установки
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Разложение органического вещества – непрерывный процесс в природе. Им заканчивается цикл существования биологических существ. В процессе разложения сложные органические соединения расщепляются на элементарные, доступные к применению в дальнейшем процессе обмена вещества. В ходе упомянутого расщепления выделяется газ метан, являющийся одним из газов, создающих глобальный парниковый эффект. В управляемом процессе расщепления органических веществ можно контролировать процесс образования биологических газов и использовать их на энергетические нужды.

 
Получение биогазов из органических отходов и биомассы популярно во всем мире. В настоящее время в Германии работают свыше 2000 биоэнергетических станций (установок). Исследуются и внедряются новые технологии по получению и использованию биогазов. В настоящее время в четырех городах Швеции биогазы, полученные из канализационных стоков используются  как топливо для двигателей городских автобусов.
 

В современных биоэнергетических установках переработанные органические отходы от сельскохозяйственного и промышленного производства и бытовых стоков в дальнейшем их использований меньше загрязняют воздух, воду и плодородную почву. В процессе переработки в органических отходах уничтожаются вредные вирусы и бактерии, снижается количество выделяемых запахов, и одновременно используются местные энергетические ресурсы. Предприятия сельского хозяйства и пищевой промышленности вынуждены применять технологии утилизаций отходов, выполняя все более строгие требования охраны окружающей среды.

 

Образования биогаза – сложный процесс, в прохождений которого органические вещества подвергаются воздействию разных видов бактерий. В ходе процесса сложные органические соединения расщепляются на элементарные, которые метаногенными бактериями превращаются в биогаз смесь метана, диоксид углерода и др.

 

Для производства биогаза используются жидкие, быстро разлагающиеся органические вещества. В балансе сырья наибольшую часть составляет навоз животных (скота, свиней, птиц). В странах Европейского союза она составляет 89 % биомассы, перерабатываемой в биоэнергетических установках. Это обусловлено высокой концентрацией животноводства и отходов животноводства и популярностью технологий удаления сборки и складирования жидкого навоза.

 

В последнее время все шире применяются анаэробные процессы переработки ила, органических отходов, городских стоков канализаций и отходов пищевой промышленности (бойни, кожевенной промышленности, в производстве пищевых жиров растительного происхождения, в рыбной промышленности).

 

В ЕС стремятся запретить в будущем утилизацию бытовых отходов на свалках. Сырье для производства биогаза оценивается по выходу биогаза (м3) от единицы  органической массы (ОМ) и единицы биомассы (БМ). В таблице приведен потенциальный выход биогаза из некоторой биомассы (сырья производства  биогаза).

 

 

Выход биогаза из органических отходов

 

Сырье

OM, %

Выход биогаза, m3/кг OM

Выход биогаза,

m3/тоны БМ

Навоз крупно рогатого скота

 

510

0,200,30

1030

Навоз свиней

 

 

38

0,250,50

840

Птичий помет

 

 

724

0,350,60

25144

Отходы бойни

 

 

1620

0,40,61

84366

Отходы производства

растительного масла

 

 

40

1,0

400

Отходы производства маргарина

90

0,81

1100

Барда

1021

0,26

4080

Отходы кожевенной промышленности

17

0,51

130

Отходы переработки плодоовощей

2,55

0,45

1734

Отходы рыбной промышленности

724

0,360,45

17136

 

 

Биореактор является главным производственным узлом биоэнергетической установки (БЭУ), в котором постоянно или периодически протекают процессы гидролизации биомассы, процессы ферментации и производства метана. Биореактор должен быть герметичным, так как анаэробные бактерии чувствительны к кислороду. Кроме того, в его объеме собираются биогазы, которые в последующем хранятся в резервуарах и используются для производства энергии. Для изготовления корпуса реактора используются специально обработанная нержавеющая сталь.

 
В настоящее время в Европе распространены цилиндрические реакторы. Цилиндрическая форма удобна в эксплуатации. Для подогрева перерабатываемого субстрата в реакторе или вне его оборудуется теплообменник. Процесс выработки биогаза в реакторах этого типа протекает в мезофиловой или термофиловой среде.
 

 

 

Основными компонентами биогаза, полученного в анаэробных биореакторах, являются метан (СН4) и двуокись углерода (СО2). Состав биогаза зависит от параметров процесса, состава и сорта биомассы.

 
Энергоемкость биогаза напрямую зависит от концентраций метана. При наличии метана свыше 60 % биогаз считается ценным топливом. Метан – бесцветный, нетоксичный газ, легче воздуха, не имеющий запаха. Во время сжигания метана образуются диоксид углерода и водяной пар.

 

Сравнение биогаза с природным газом

Компонент

Единица

измерения

Природный

газ

Биогаз

CH4

%

85 – 95

55 80

CO2

%

<1,0

20 – 45

N2

%

4 12

O2

%

<0,5

H2

%

<1,0

H2S

%

<5

<3

NH3

мг/м3

<450

Влага

Точка росы 10°

Насыщенный

Плотность

кг/м3

0,82

1,0 – 1,2

Калорийность

МДж/м3

32 35

20 – 29

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
Биогаз может быть использован для приготовления пищи, сжигания в водогрейных котлах, двигателях внутреннего сгорания, накапливается в емкостях высокого давления или поставляется  в сети природного газа.
 
 
Устройство биоэнергетической установки и ее технологическая схема зависят от разных факторов: состава и сорта биомассы, способа ее доставки, величины и типа биореакторов, параметров процесса газообразования, дальнейшего использования переработанного субстрата, количества и состава выработанного биогаза, типа и состава оборудования энергетической конверсий, потребителей выработанной энергии. Классической БЭУ оборудуется; устройства сборки, подготовки и транспортировки биомассы, биореактора, хранилища выработанного биогаза, устройства для очистки и сжигания биогаза, резервуары переработанной биомассы, сепараторы, процессоры управления технологией производства, накопители данных, сети и устройства распределения тепловой и электрической энергии.
 
Переработанную биомассу можно использовать для удобрения почвы, изготовления концентрированных удобрений или компоста. В последнем случае субстрат сепарируется, а шлак компостируется или гранулируется. Жидкая фракция используется для орошения полей.
 
В БЭУ перерабатывающих несколько сортов отходов приходится их сортировать, обезвредить и перемешать перед переработкой. На это требуется дополнительные строения, оборудование и процессоры управления. БЭУ этого типа обычно строятся для переработки  большего количества отходов. В них оборудуются большие хранилища (1000–10000 м3), одиночные или групповые реакторы. Для таких БЭУ требуется дополнительный обслуживающий персонал, а для перевозок биомассы – специальная техника и система логистики.
 
Получение биогаза из биомассы органических отходов и массы энергетических растений является экономически привлекательной деятельностью. Выработка энергии из местных восстанавливающихся ресурсов развивает местную экономику, стимулирует новые виды деятельности, увеличивает занятость. Так, например,  БЭУ мощностью 1 МВт создает 2–5 рабочих места: для транспортировки переработанной биомассы, для обслуживания БЭУ и др.
 
Для производства биогаза используется сырья дешевое или бесплатное. С другой стороны, переработка (утилизация) отходов оплачивается дополнительно, что иногда составляет до половины доходов БЭУ. Экономическая эффективность производства биогаза зависит от капиталовложений в строительство БЭУ и величины доходов за утилизацию отходов и реализацию продуктов производства – биогаза, метана, тепловой или электрической энергии, удобрений.