Биогазовая установка

Период пребывания сырья  составляет 24-30 дней при температуре 35-40°C. На протяжении этого времени  органические вещества внутри биомассы метаболизируются (преобразовываются) микроорганизмами. Всю работу по сбраживанию отходов проделают анаэробные микроорганизмы. В биореактор микроорганизмы вводятся один раз при первом запуске. Дальше никаких добавок микроорганизмов и дополнительных затрат не требуется. В навозе микробы присутствуют и попадают в него еще из кишечника животных. Эти микроорганизмы полезны и практически не приносят вреда человеку или животным. К тому же реактор - это герметичная система. Поэтому реакторы, а точнее их назвать ферментерами, располагаются в непосредственной близости от фермы или производства.

На выходе имеем два  продукта: биогаз и биоудобрения (компостированный и жидкий субстрат). Произведённый биогаз собирается в газгольдере. В газгольдере выравниваются давление и состав газа.  Газгольдер – это высокопрочная мембрана (PVC), устойчива к поджогу и прорыву. Срок службы газгольдера 15 лет. Газгольдер герметически накрывает реактор сверху. Над газгольдером накрывается дополнительно тентовое накрытие. В пространство между газгольдером и тентом закачивается воздух для создания давления и теплоизоляции. В отдельных случаях газгольдер представляет собой многокамерный мешок. Такой мешок в зависимости от проектного решения может крепиться сверху бетонного свода ремнями либо в специальной бетонной емкости. Запас объема газгольдеров обычно 0,5-1 день. Из газгольдера идет непрерывная подача биогаза в газовый или дизель-газовый теплоэлектрогенератор. Отведение биогаза происходит по трубопроводу, оснащенному устройствами автоматического отвода конденсата и предохранительными устройствами от превышения давления. Все устройства работают по датчикам предельных значений. В теплоэлектрогенераторе уже производится тепло и электричество. 1м³ газа дает 2,3 кВт/ч электрической и 2,8 кВт/ч тепловой энергии. Крупные биогазовые установки имеют аварийные факельные установки (рисунок-7) на тот случай, если двигатель/двигатели не работают и биогаз надо сжечь. Газовая система может включать в себя вентилятор, конденсатоотводчик, десульфулизатор и т.п.

Выгрузка переброженного субстрата проходит в автоматическом режиме с такой же периодичностью, как и загрузка. Переработанный субстрат после биогазовой установки подается на сепаратор. Система механического разделения работает в программно-временном режиме и разделяет остатки брожения на твердые и жидкие фракции. Твердая фракция подается на линию фасовки и используется как качественное органическое биоудобрение. 

Всей системой управляет  система автоматики. Работа биогазовой установки отображается  на мониторе центральной диспетчерской, которая оборудована центральным пунктом управления, позволяющим переводить работу всех участков биогазовой установки в ручной или автоматический режим для местного или дистанционного управления.

Рисунок-7. Схема биогазовой установки на 100 м³ /сутки навозных стоков

 

 

 

 

 

1.4 Накопление газа

По сравнению с энергией солнца и ветра, биогаз имеет то преимущество, что его можно производить  последовательно и накапливать. Тепло и электроэнергию, получаемые от солнца и ветра, в настоящее  время можно накапливать лишь с существенными потерями. Приходится учитывать потери температуры и тепловой энергии из-за теплопроводности в „накопителе” для тепл от солнечной батареи или энергопотери из-за саморазряда аккумулятора, называемого в повседневности также батареей.

Если накапливать биогаз в газонепроницаемом резервуаре, то содержащаяся в нем, химически связанная энергия может храниться очень долгое время и ее можно использовать без потерь. Еще одним преимуществом по сравнению с жидким или твердым топливом является содержание метана на сероводороде, 4 атома которого с кислородом из воздуха сгорают до 2 молекул воды, оказывая природосберегающий эффект, и лишь один атом углевода образовывает диоксид углерода. Главным недостатком биогаза является его относительно небольшая, связанная с объемом плотность энергии. Так 1 м³ биогаза в зависимости от содержания метана содержит лишь такое количество энергии, которое можно сравнить с 0,6-0,7 л мазута. Но зато для накопления без давления необходимо иметь большой объем резервуара хранения.

Размер газонакопителя биогазовой установки определяется объемом газопроизводства и процессом потребления. Поэтому его необходимо расчитывать для каждой установки отдельно. При выработке тепла из биогаза выбирают такой объем накопителя, чтобы можно было в нем хранить все количество газа, выработанное за 1 день. При производстве электроэнергии удается обходиться значительно меньшим накопителем, достаточным чтобы принять 20-50% ежедневной выработки газа, если установка работает круглые сутки с полной загрузкой. Колебания в потреблении тепловой энергии для хазяйства, подсобных помещений, сушарки и ферментатора можно выровнять тем, что отходящее тепло двигателя можно накапливать в водосборнике для теплой воды. Обходиться полностью без газгольдера невозможно, поскольку на протяжении дня газ производится неравномерно, что среди прочего обусловлено перемешиванием и закачиванием субстрата.

Газгольдеры для биогаз различаются между собой в  первую очередь по строению и размеру, а также рабочему давлению, с которым они работают (сравн. Таблица-2).

 

 

 

 

 

 

 

 

Степени накопления давления в газгольдерах для биогаза
Уровень давления	мбар	Рабочее давление мм ВС	бар	Принятая величина м³	Конструкция
Низкое	20 - 50 0,05 – 0,5	200 – 500 0,5 - 5		5– 200 10 – 2000	Газометр с погружными сосудами, пленочный колпак, - резервуар
Среднее			5 – 20	1 – 100	Жележный резервуар  под давлением
Высокое			200  - 300	0,1 – 0,5	Стальной баллон

Таблица-2. Типичные конструкции, размеры и уровни давления для газгольдеров сельскохозяйственных биогазовых установок

Поскольку качество газа и его производство колеблются, то целесообразно выравнять эти колебания достаточным перемешиванием в газгольдере. Кроме того, в случае необходимости ремонта генератора не придется сжигать газ факелом или выпускать его в окружающую среду. Этого, конечно же, можно также избежать при помощи запасного генератора. Все это показывает, что существуют разные возможности при выборе размеров газгольдера. Как минимум газгольдер должен иметь накопительный объем на 2 часа последовательного производства газа одинакового качества. Чем больше разница в выработке газа и его качестве, тем лучше, если есть в запасе большое пространство для накопления (как минимум на 8 часов). Накопители под низким давлением до настоящего времени получили наибольшее распространение со времен 1-го и 2-го биогазового движения преимущественно в виде газометров с погружными сосудами. Однако, со времен большего распространения биогазовой технологии, начиная с 1995 года появились также другие виды накопителей под низким давлением, так что газометры с погружными сосудами на сельскохозяйственных биогазовых установках можно встретить очень редко. Ниже приводится краткое описание разных вариантов.

• Газометр с погружными резервуарами.
• Внешние пленочные  накопители (пленочные мешки, пленочные трубы, пленочные подушки).
• Внутренние пленочные накопители из EPDM, ПВХ или П/Е.
• Ферментаторы с свободнонесущими пленочными колпаками.
• Ферментаторы с двойной пленкой.
• Ферментаторы с пленочной крышей и центральной опорой.

Накопители среднего давления из металла, работают с давлением 5- 20 бар. Они применяются одинично, когда по причинам нехватки места невозможно использовать накопители низкого давления. В сегменте среднего давления биогаз при уплотнении себя ведет почти как идеальный газ, это значит, что помещенное в резервуар количество почти пропорционально увеличивает давление. При уплотнении до 10 бар таким образом можно хранить в раз больше по сравнению с обычным давлением. Уплотнение в таких пределах можно проводить при помощи одноступенчатых компрессоров. Для забора газа необходимо применить регулятор давления. Уплотнение под высоким давлением биогаза, иными словами его прессование до более чем 200 бар и хранение в стальных баллонах было множество раз испробовано для эксперимента, но до последнего времени не   нашло широкого распостранения из-за слишком большой стоимости. С технической точки зрения сжимание биогаза до 200-300 бар при помощи компрессора проблем не представляет. Для этого теоретически необходимо потратить около 5% содержащейся в биогазе энергии. На практике это значит, что около 20% биогаза, который планируется уплотнить, необходимо будет использовать для работы компрессора, поскольку при производстве электроэнергии  происходят дополнительные потери КПД.    В пределах этого давления биогаз себя больше не ведет как идеальный газ, а существенно лучше. Это значит, что около 40-50% биогаза будет размещено в единице объема по сравнению с тем, что возможно для идеального газа. Биогаз перед прессованием высоким давлением обязательно необходимо очищать от серы и воды чтобы избежать коррозии балонов и вентили ограничения подачи замерзали при вытекании газа.    Сжижжение  биогаза не возможно при обычной температуре. Чтобы он стал жидким при обычном давлении, необходимо его охладить до - 160˚С. Этот метод еще более затратный чем уплотнение под высоким давлением.

 

 

1.5 Отопление биогазом

 

При отоплении биогазом различают отопительные котлы с  атмосферными горелками небольшой  мощности от 10 до 30 кВт, а также паяльные горелки для большей мощности (Таблица-3). Отопительные котлы рассчитаны на работу одного буфферного накопителя, дающего тепло для дома, ферментатора, промышленного водоснабжения и по возможности для сушки соломы и зерна. Дешевой альтернативой котлу является перколятор (газовая колонка), работающий на одной атмосферной горелке и применяемый в первую очередь для обогрева промышленного водоснабжения.

 

 

 

Основные характеристики горючести биогаза и других газов
Газ		Биогаз	Природный газ	Пропан	Метан	Водород
Теплота сгорания	кВт*ч/м³	6	10	26	10	3
Плотность	кг/м³	1,2	0,7	2,01	0,72	0,09
Соотношение плотности  с воздухом		0,9	0,54	1,51	0,55	0,07
Температура воспламенения	˚С	700	650	470	650	585
Максимальная скорость распостранения пламени в воздухе	м/с	0,25	0,39	0,42	0,47	0,43
Предел воспламенения, газа в воздухе	%	6-12	5-15	2-10	5-15	4-80
Теоретическая потребность  в воздухе	м³/м³	5,7	9,5	23,9	9,5	2,4

Таблица-3. Основные характеристики биогаза (состав: 60% метан, 38% углекислый газ, 2% газовые примеси) по сравнению с другими горючими газами

Производительность пребывает  в пределах 5-30 кВт. Для всех обогревательных  устройств обязательно устанавливать  предохранители (предохранитель от возгорания, рэле контроля пламени), которые бы предотвращали вытекание несожженного биогаза.      Для применяемых сегодня преимущественно пленочных газгольдеров небольшого давления хоть и достаточно для работы самовсасывающих газовых и дизельных двигателей, но его недостаточно для котлов и перколяторов. В таких случаях требуется компрессор с регулятором давления. Для этого преимущественно используют кольцевые компрессоры с боковым каналом, которые работают тихо и с малым износом. Будь то насос с боковым каналом, центрифужный, ротационно-поршневой, винтовой или жидкостно-кольцевой, их применение будет зависеть от количества газа и его качества, а также от необходимой разницы в давлении. Согласно техническим нормам для защиты от взрывов, компрессоры для уплотнения газа должны быть либо газонепроницаемы или находиться в капсуле под давлением.         

Тепло требуется в  первую очередь в зимний период. Чтобы использовать избыток тепла  также в летнее время, предлагаем использовать генераторы, вырабатывающие электроэнергию-тепло-холод. В них  тепловая энергия в так называемых адсорбирующих установках трансформируется в холод и может потом применяться с целью охлаждения напр. в больших холодильных установках. К сожалению только их коэффициент полезного действия очень мал. Такая форма использования почти не распространена.

 

 

1.6 Экономическая эффективность производства биогаза

 

Понятие «экономическая эффективность производства биогаза» в свою очередь является понятием интегральным, имеющим «чисто» экономическую компоненту за счёт производства товарного продукта, энергетическую составляющую, позволяющую формировать оптимальную схему рыночной экономики, и многоплановый эколого-экономический эффект.

Экономический анализ перспектив биогазовых технологий основан на ключевых аспектах энергетики. В первую очередь – это монополизм структур традиционной энергетики. Опасность диктата монополии производителя энергии выражается в том, что у потребителя практически нет возможности выбора источника энергоснабжения, объёма и режима энергопотребления, тарифа на энергию и др.

Второй проблемой является глобализация и централизация энергетических систем, которая наряду с положительным эффектом минимизирует возможность управления системами на местах и уменьшает количество потенциальных энергопотребителей. Значительная часть населения Казахстана (около 1 млн. человек) не имеют доступа к централизованным системам энергетики. Удалённость малочисленных потребительских пунктов от систем энергоснабжения приводит к экономической неэффективности традиционных централизованных систем.