Возможные пути повышения энергетической эффективности биогазовой установки

УДК 631.1.004.18:636.22

ВОЗМОЖНЫЕ ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ

А.А.Ковалев Д.А.Ковалев

В работе представлены технологические схемы и конструктивные решения способов повышения выхода товарного биогаза при анаэробной переработке органических отходов сельского хозяйства.

Ключевые слова: биомасса, биогаз, возобновляемые источники энергии.

В настоящее время в мировой практике для утилизации навоза получили широкое распространение биогазовые установки. Эти установки обрабатывают навоз и навозные стоки в анаэробных условиях, а продуктами их переработки являются биологический газ и высококачественные органические удобрения.

Во время сбраживания в навозе развивается микрофлора, которая последовательно разрушает органические вещества до кислот, а последние под действием синтрофных бактерий и метанобразующих превращаются в газообразные продукты - метан и углекислоту. Одновременно при сбраживании навоза обеспечивается его дезодорация, дегельминтизация, перевод удобрительных веществ в легкоусвояемую растениями форму.

Однако, несмотря на положительные эффекты анаэробной обработки навоза в биогазовых реакторах, серьезным тормозом их внедрения в сельское хозяйство России является их относительно низкая энергетическая эффективность при производстве биогаза (до 60% выделившегося биогаза используется установкой для собственных нужд).

Существующие системы подогрева субстрата недостаточно эффективны и имеют низкий коэффициент полезного действия. Поэтому необходимо разработать технологическую линию подогрева субстрата, способную обеспечить эффективное протекание процессов анаэробного сбраживания при минимальных затратах энергии.

Анаэробное сбраживания субстрата влажностью 90-95 % - энергоемкий процесс, на проведение которого расходуется значительное количество энергии биогаза. Анализ затрат энергии на поддержание процесса показывает, что основная ее часть расходуется на нагрев субстрата до температуры сбраживания.

Методы повышения энергоэффективности систем генерации энергии на основе анаэробной обработки отходов животноводства:

- добавка к обрабатываемым отходам высокоэнергетических субстратов (зерно, силос, клеверозлаковая смесь и т.п.);

- прямая рекуперация тепловой энергии (субстрат/эффлюент);

- рекуперация тепловой энергии с использованием термотрансформаторов (ТНУ, АБХМ);

- предварительный аэробный нагрев субстрата.

Добавка к обрабатываемым отходам высокоэнергетических субстратов.

Современные технологии позволяют перерабатывать в биогаз любые виды органического сырья, однако наиболее эффективно использование биогазовых технологий для переработки отходов животноводческих и птицеводческих ферм, предприятий АПК и сточных вод, так как они характеризуются постоянством потока отходов во времени и простотой их сбора.

75

70

* 65 01

а п

I 60

н б г

<и

I 55

я

X

а

а»

Я 50

45

40

Твёолый

Сосновая осадок ф Л рава

1ЛГ пл сточных

вод

С Лекальные

ги

с >садки 1 'ИНИН

\ шелуха к. помёт мякина

Навоз ИРС \ подсолнечника г

♦

< оотва

Солома каотсмЬельмая 1

Древесная

пигти^ 1 льняная

Солома

пи

1- С

теоли Домашни! к

♦ Отходы ЛПК КУЮГДОЗЫ

отходы и

мугпп

Отходы

роч 1 V П Ч. ОЧ/^Ч.  1»< э

Отходы животноводства и птицеводства

♦ ТБО и канализационные стоки

100

600

200 300 400 500

Выход биогаза из 1 кг сухого вещества

Рис.1. Показатели качества и количества образующегося биогаза из различных органических отходов

700

Поскольку сырьем для получения биогаза может служить широкий спектр органических отходов, на многих существующих биогазовых установках используется добавка к обрабатываемым отходам так называемой зеленой массы. Активного обмена веществ и высокой скорости биохимических обменных процессов можно достигнуть, если поддерживать и непрерывно обновлять максимально возможную величину граничных поверхностей между твердой и жидкой фазами. Поэтому твердые материалы, в особенности растительного происхождения, должны быть предварительно подготовлены с помощью режущих, разрывающих или плющильных устройств, чтобы в результате эффективного механического воздействия получить частицы возможно меньшего размера.

Доля взвешенных в жидкости твердых частиц в значительной мере зависит от технических средств, которые используются для получения тщательного перемешивания, гидравлического транспортирования субстрата и отделения газа. Современный уровень развития техники позволяет перерабатывать субстраты с содержанием твердых веществ до 12%, если длина частиц твердых компонентов не превышает 30 мм. Измельчение зеленой массы приводит к дополнительным затратам энергии.

Твердые вещества, плотность которых существенно отличается от плотности жидкости, обуславливают образование осадка (седиментацию) или плавающей корки, чему способствует флотация. Возникающие в связи с этим механико-гидравлические проблемы и ухудшение процесса газообразования могут привести к тому, что для их устранения потребуются высокие затраты технических средств и энергии.

Прямая рекуперация тепловой энергии Теплота, содержащаяся в эффлюенте, представляет собой дополнительный резерв энергии, который следует по возможности использовать для подогрева загружаемого субстрата и компенсации теплопотерь в реакторе.

Простейшим решением является установка на линии выгрузки эффлюен-та из биореактора рекуперативного теплообменника типа «инфлюент-эффлюент». Эта схема обеспечивает использование теплоты сброженного субстрата для частичного подогрева инфлюента. Ее применение сокращает расход энергии на сбраживание субстрата. Наиболее эффективно схема может применяться при термофильном режиме в биореакторе.

Рис. 2. Прямой подогрев инфлюента за счет отбросной теплоты эффлюента: 1 - насос; 2 - накопитель эффлюента; 3 - реактор; 4 - газовое пространство;

5 - теплоизоляция; 6 - шнек.

В качестве теплообменных аппаратов обычно применяют спиральные теплообменники типа «инфлюент-эффлюент». Однако схемы, в которых ин-флюент проходит через накопитель эффлюента, имеют более простое конструктивное решение, но в этих случаях вторично используется сравнительно небольшая часть энергии вследствие потерь в накопителе шлама. Пример такой схемы приведен на рисунке 2.

Органические отходы животноводства, как правило, имеют большую липкость, вязкость и очень разнообразны по дисперсному составу. Поэтому скорость движения субстрата должна быть не менее 3-5 м/с, из-за чего теплота эффлюента не успевает передаться субстрату, загружаемому в метантенк.

Рекуперация тепловой энергии с использованием термотрансформаторов

Обработанный в анаэробном биореакторе субстрат (эффлюент) направляется в накопитель эффлюента и в непрерывном режиме прокачивается через теплообменник-испаритель теплового насоса. Тепловая энергия от эффлюента через легкокипящий теплоноситель после повышения температурного потенциала в компрессоре передается через теплообменник-конденсатор исходному субстрату, циркулирующему по схеме «биореактор - насос - теплообменник-конденсатор - биореактор». Таким образом, тепловая энергия нагретого субстрата, отводимого из биореактора, полезно используется для нагрева ин-флюента. При коэффициенте преобразования теплового насоса на уровне 4-5, на каждые 3-4 кВт тепловой мощности, отводимой из биореактора с эффлюен-том, может быть получено 4-5 кВт подводимой к исходному субстрату тепловой мощности. При этом расходуется ~ 1 кВт механической мощности на приводе компрессора.

Основным недостатком данного технического решения является образование отложений на теплообменных поверхностях со стороны навоза, что приводит к существенным потерям тепловой мощности, или к необходимости существенного увеличения дорогостоящих поверхностей теплообмена.

Другим недостатком является низкая интенсивность основных процессов, определяющих производительность технологической линии «приемная емкость - биореактор - отстойник эффлюента».

Схема использования отбросной теплоты эффлюента с помощью теплового насоса приведена на рисунке 3.

Из-за отсутствия предварительной микробиологической обработки исходного навоза с целью повышения степени растворения органического вещества и получения исходного субстрата с повышенным содержанием компонентов, способствующих интенсивному метаногенезу, снижается удельная производительность линии по биогазу и субстрату. В отстойнике эффлюента из-за остаточного газовыделения существенно снижается интенсивность процесса разделения обработанного субстрата на твердую и жидкую фракции, что в итоге приводит к увеличению массогабаритных характеристик отстойника эффлюента.

Рис.3. Использование отбросной теплоты эффлюента с помощью теплового насоса

Предварительный аэробный нагрев субстрата

При аэробном разложении органических веществ высвобождается такое количество теплоты, что при благоприятных условиях температура субстрата может достигать 70 0С. Так как эта тепловая энергия образуется теми же веществами, которые выделяют биогаз, двухступенчатый процесс брожения, состоящий из первой, аэробной фазы, имеющий целью получение теплоты, и второй, анаэробной, служащей для производства газа, всегда связан с меньшим выходом газа. Кроме того, следует учитывать тот факт, что аэробное брожение (компостирование) без дополнительной затраты энергии (не считая подготовки) возможно лишь при наличии твердого и влажного органического материала, который обладает благоприятной для газообмена пористой структурой. Жидкие субстраты, напротив, требуют для внесения в них воздуха с одновременным интенсивным перемешиванием больших затрат энергии, которые неблагоприятно сказываются на общем энергетическом балансе. Дополнительные затраты денежных средств в этом случае также относительно велики.

Биогаз

6

Рис. 4. Предварительный аэробный нагрев субстрата. приемная емкость с насосом; 2 - аэробный реактор; 3 - воздуходувка; 4 - насос; 5 - анаэробный реактор; 6 - отстойник эффлюента

5

1

Использование средств повышения энергетической эффективности биогазовых установок позволит значительно расширить сферу их применения в АПК при обработке органических отходов различного состава, однако решение об использовании того или иного метода должно приниматься исходя из конкретных условий сельскохозяйственного предприятия.

Литература:

1. Баадер, В. Биогаз: теория и практика / В.Баадер, Е.Доне, М.Бренндерфер. - М.:Колос, 1982.

2. Гюнтер, Л.И. Метантенки / Л.И. Гюнтер, Л.Л.Гольдфарб. - М.: Стройиздат, 1991.

3. Отчеты лаборатории Биоэнергетических установок отдела Технической биоэнергетики и охраны окружающей среды / ГНУ ВИЭСХ. - М., 2011.

Ковалев Андрей Александрович, инженер

Ковалев Дмитрий Александрович, кандидат технических наук, заведующий отделом ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства

Тел. (8499)171-19-20 E-mail: viesh@dol.ru

The paper presents the technological schemes and constructive solutions of the ways of increasing the output of commodity biogas in anaerobic processing of organic waste agriculture.

Keywords: biomass, biogas, renewable energy sources.

УДК 631.3:636

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ УБОРКИ НАВОЗА ИЗ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ПОМЕЩЕНИЙ

П.И.Гриднев Т.Т.Гриднева

Разработаны новые технические средства для уборки подстилочного и бесподстилочного навоза при привязной и беспривязной системе содержания животных.

Ключевые слова: штанговый транспортер, автоматизированная скреперная установка.