Технология получения биогаза из отходов и сырья в сельскохозяйственном производстве

УДК 631.3

Ю. Е. КРАЙНОВ

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА ИЗ ОТХОДОВ И СЫРЬЯ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Ключевые слова: биогазовая установка, гидродинамический теплогенератор-деструктор, отходы субстрат, технология, эффект кавитации.

Аннотация. Рассматривается использование эффекта кавитации для подготовки субстрата — материала для получения биогаза из отходов и сырья сельскохозяйственного производства во вновь разработанной биогазовой установке, в которой применён также вновь созданный гидродинамический теплогенератор-деструктор.

По статистическим данным в России, общее количество органических отходов сельского хозяйства ежегодно составляет 773 млн т, из которых можно получить 66 млрд куб.м. биогаза или около 110 млрд кВт-ч электроэнергии. Большая часть отходов приходится на АПК - стебли, навоз, солома. При этом ежегодный ущерб от отходов агропромышленного комплекса оценивается в 450 млрд рублей. Например, загрязнение рек и озер сточными водами. К тому же в России большая часть почв - это малоурожайные почвы, требующие интенсивного внесения удобрений.

Таким образом, развитие биогазовой промышленности должно идти в двух направлениях: создание крупных биоэнергетических станций и создание фермерских биогазовых установок, что должно стимулировать развитие биогазовых технологий.

Использование новых технологий позволит решить в сельской местности:

- проблему отходов;

- помочь в энергообеспечении и энергосбережении;

- повысить плодородность почв, а соответственно, и урожая, что значительно увеличит рентабельность установок и сократит сроки окупаемости.

© Крайнов Ю. Е., 2013

Биогазовая установка - это элемент современного, безотходного производства во многих областях сельского хозяйства и пищевой промышленности.

Основа любой биогазовой установки - биореактор. К его конструкции предъявляются достаточно жесткие требования. Так, корпус должен быть прочным, при абсолютной герметичности стенок. Обязательны хорошая теплоизоляция стенок и их способность надежно противостоять коррозии. При этом должна быть предусмотрена возможность загрузки и опорожнения реактора, а также доступ к его внутреннему пространству для обслуживания [1, с. 8].

Технологический процесс осуществляется следующим образом. Субстрат из животноводческого помещения поступает в емкость 1 для предварительной подготовки, далее фекальным насосом субстрат циркулирует по замкнутому контору через деструктор 2.

Специально спроектированный деструктор 2 позволяет создавать в его полости эффект кавитации, разрушительная сила которой используется для придания исходному сырью однородной и гомогенной консистенции.

Под воздействием направленной и управляемой кавитации в биологическом сырье рвутся сложные связи волокон органических веществ на молекулярном уровне. Как следствие этого процесса, дисперсность биологического сырья значительно увеличивается, и его частицы уменьшаются в размерах. Таким образом, штаммам бактерий, участвующих в процессе образования биогаза, создаются более благоприятные условия для разложения биогенных материалов благодаря разрушению неоднородности их структуры и, соответственно, увеличения площади покрытия бактериями биологического сырья.

После подготовки загружают в реактор предварительного брожения 3, где в течение 2...3 суток происходит предварительное брожение продукта, при этом нагрев на данной стадии не нужен, что позволяет экономить.

Одновременно перемешивающим устройством субстрат передвигается в метантенк 4, где осуществляется анаэробное сбраживание.

Рисунок 1 - Спиральное перемешивающее устройство

Использование спирального перемешивающего устройства обусловлено вязкостью субстрата, а также длиной реактора. При перемещении, в котором довольно трудно использовать другие типы перемешивающих устройств.

Биогаз, образующийся в процессе брожения, поступает в газгольдер и далее к потребителю. Для нагрева навоза до температуры брожения и поддержания теплового режима в метантенке применяют теплообменник, через который протекает горячая вода, нагреваемая в котле [3, с. 24; 4, с. 42]. Сброженный навоз выгружают в навозохранилище 5 и далее используют в качестве удобрения на полях.

Рисунок 2 - Биогазовая установка

Биогаз успешно применяется как топливо. Его можно сжигать в горелках отопительных установок, водогрейных котлов, газовых плит, использовать в холодильных установках абсорбционного типа, в инфракрасных излучениях, в автотракторных двигателях, в газовом цикле Отто (с искровым зажиганием) и газодизельном цикле (с впрыскиванием небольшой дозы запального дизельного топлива). Карбюраторные двигатели легко переводятся на газ: достаточно лишь заменить карбюратор на смеситель.

Одновременно с получением биогаза метановое сбраживание навоза обеспечивает его дезодорацию, дегельминтизацию, уничтожение способности семян сорных растений к всхожести, перевод удобрительных веществ в легкоусвояемую растениями минеральную форму. При этом питательные (для растений) вещества - азот, фосфор и калий - практически не теряются.

Для нормального протекания брожения необходима слабощелочная реакция среды (рН = 6,7...7,6). Расщепление органики на отдельные составляющие и превращение в метан может проходить лишь во влажной среде, поскольку бактерии могут перерабатывать вещества только в растворенном виде. В этой связи брожение твердых субстратов должно происходить с добавлением воды.

Биореактор является газонепроницаемым, полностью герметичным резервуаром, теплоизолированным слоем утеплителя. Внутри биореактора поддерживается фиксированная температура, необходимая для жизнедеятельности микроорганизмов. Подогрев биореактора осуществляется теплой водой. Система подогрева - это сеть трубок, находящихся на внутренней стенке поверхности биореактора, в котором происходит образование газа из субстратов[2, с. 84].

Биогазовая установка является источником товарной продукции:

тепловой энергии - от сжигания биогаза;

электрической энергии - 1 м3 биогаза позволяет выработать 2.3 кВт электроэнергии;

газ-топливо для автотранспорта;

высококачественные удобрения - экологически чистые, лишенные нитратов, семян сорняков, болезнетворной микрофлоры. (Расход этих удобрений для обработки 1 га земли в 10.20 раз меньше, чем необработанного навоза,при повышении урожайности на 30...40 %).

Биогазовая установка избавляет от экологических проблем, поскольку предотвращает выброс метана в атмосферу, сокращает или позволяет отказаться от применения химических удобрений.

Биогаз, полученный в собственной ферме или подворье, если не полностью, то хотя бы частично может обеспечить потребности сельских жителей, владельцев дачных и садовых участков в топливе и электроэнергии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз: теория и практика. (Пер. с нем. М.И. Серебряного). М.: Колос. 1982. 148 с.

2. Ковалев Н.Г. Глазков И.К. Проектирование систем утилизации навоза на комплексах М.: Агропромиздат. 1989. 160 с.

3. Оболенский Н.В., Крайнов, Ю.Е. Гидродинамический источник теплоты. «Механизация и электрификация сельского хозяйства». 2012. № 1. С. 24-25.

4. Осокин В.Л. Результаты экспериментально-теоретических исследований по разработке стенда испытаний подогревателей воды. Княгинино: НГИЭИ, 2011. 142 с.

TECHNOLOGY OF BIOGAS PRODUCTION FROM WASTE AND ROW MATERIAL IN AGRICULTURAL PRODUCTION

Keywords: technology, biogas plant, substrate, heat hydrodynamic heat generator-destructor, the effect of cavitation.

Annotation. Article considers the use of cavitation effect to the preparation of substrate — material for biogas from waste and raw materials of agricultural production in the newly developed biogas plant , in which the newly created hydrodynamic heat generator-destructor is also applied.

КРАЙНОВ ЮРИЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ - ассистент, Нижегородский государственный инженерно-экономический институт, Россия, Княгинино, (Krainov24@mail.ru).

KRAYNOV YURY EVGENIEVICH - the senior lecturer of the chair «Technical service», Nizhny Novgorod State Engineering and Economic Institute, Russia, Knyaginino, (Krainov24@mail.ru).