Продукты биогазовой установки

Биогазовые установки имеют одно важное коренное отличие от всех остальных устройств альтернативной энергетики. Как и при использовании других устройств альтернативной энергетики, конечным продуктом работы биогазовой установки может быть произведенная энергия, чаще всего тепловая и/или электрическая. Но помимо энергии на выходе всегда образуется (но не всегда используется) другой продукт — высокоэффективное органическое биоудобрение. В случае утилизации отходов это может быть основной причиной для строительства биогазовой установки. Преимущества утилизации методом анаэробного брожения заключатся в том, что такой техпроцесс утилизации не является энергоемким, а наоборот, выделяет энергию. Вредность же исходных отходов для окружающей среды после прохождения процедуры анаэробного брожения меняет знак с минуса на плюс, и продукт выхода становится уже чрезвычайно полезным и восстанавливающим плодородные свойства почвы.

Характеристика биогаза. Биогаз — газообразная часть продуктов анаэробного разложения органических веществ, являющегося результатом жизнедеятельности симбиоза множества видов бактерий. То есть, процесс анаэробного брожения — биологический процесс. Он существуют сам по себе и в природных условиях: во-первых, в желудках животных организмов, а во-вторых, в толще грунта или на дне водоемов, где затруднен доступ кислорода.

В силу таких исходно биологических свойств техпроцесса работы биогазовой установки невозможно абсолютно точно подсчитать заранее такие выходные параметры, как конкретный набор химических реакций, глубину разложения биомассы, удельный выход биогаза и его состав. Количество «внешних» факторов, влияющих на техпроцесс (управляющие воздействия) весьма ограничено. Обычно это температура, градиент температуры и скорость изменения температуры внутри реактора, степень герметичности реактора, частота подачи в реактор и размер порции свежего сырья, частота выемки шлама, частота и длительность циклов перемешивания субстрата внутри реактора. Естественные же «внутренние» факторы описываются тысячами возможных параметров. Одних только видов бактерий, участвующих в процессе, может быть больше тысячи, а есть еще химический состав и физические кондиции исходного сырья.

Рассчитать все это практически невозможно. Поэтому при проектировании биогазовых установок используют экспериментальные результаты, полученные на лабораторных установках, моделирующих требуемый техпроцесс в миниатюре. Также собирается статистика действующих больших БГУ. Статистические данные обрабатываются, группируются, и в результате получаются таблицы рекомендованных параметров техпроцесса и примерные выходные параметры при применении различных типов сырья. Но разброс величин в таких таблицах составляет до 50% [35].

Поэтому предсказать, например, суточный выход и состав биогаза для проектируемой биогазовой установки изначально можно именно с подобной точностью. Для увеличения точности расчетов до нескольких процентов, необходимо провести лабораторный эксперимент и соответствующие измерения. Тем не менее, простейшие расчеты позволят хотя бы оценить границы выхода биогаза, особенно верхнюю.

Как известно, исходное сырье состоит из воды и так называемого сухого вещества (СВ). Соотношение воды и сухого вещества сырья характеризуется таким параметром, как влажность.

Сухое вещество сырья состоит из органических (ОСВ) и неорганических веществ. Соотношение неорганических и органических веществ характеризуется таким параметром, как зольность.

Для получения этих параметров, необходимо взять пробы сырья и произвести соответствующие анализы в лаборатории.

Зная тип сырья, и его влажность и зольность, можно посчитать, сколько органического вещества содержится в единице массы сырья. Зная суточное количество исходного сырья, можно посчитать, сколько ОСВ будет попадать в реактор биогазовой установки ежесуточно [36].

В статистических таблицах обычно указывают, какой объем биогаза выделится из единицы массы ОСВ на протяжении оптимальной длительности цикла брожения этого типа сырья. Обычно, эта величина составляет от 0,2 до 0,8 м3/кг ОСВ. Плотность биогаза составляет примерно 1,13 кг/м3. Поэтому, если бы все органическое вещество превратилось в биогаз, то выход биогаза составил бы 0,885 м3/кг ОСВ. Однако, в процессе анаэробного брожения получается не только биогаз, но также и вода, причем масса выделившейся воды может быть равна массе выделившегося биогаза. Соотношение выделяющихся воды и биогаза зависит от преобладания в процессе тех или иных химических реакций, а оно, в свою очередь, зависит от бактериального состава и исходного состава сырья. Помимо воды и биогаза, образуется еще и некоторое количество минеральных солей.

Кроме того, оптимальная длительность цикла обычно выбирается по критерию максимальной скорости выхода биогаза. После разложения около половины ОСВ в составе сырья скорость выделения биогаза обычно заметно падает. Это связано с тем, что органический состав ОСВ в исходном сырье достаточно неоднороден. Поэтому вначале разлагаются быстро расщепляемые вещества, а «долгоиграющие» компоненты, типа лигнина, за этот срок остаются почти нетронутыми. Таким образом, глубина разложения биомассы в реакторах БГУ обычно составляет 40−60%. Эта величина может быть больше только при применении однородного искусственно созданного органического сырья, типа глицерина, либо при применении предварительной глубокой гомогенизации сырья, типа кавитационного измельчения, разрушающего даже молекулярные связи [37].

Из 1 кг ОСВ можно получить 0,3−0,5 куб. м биогаза.

Теперь разберем это все на примере. Допустим, что в Вашем хозяйстве есть 5 коров, которые стоят в стойле. Их навоз вместе с мочой собирается в отдельную канаву. Влажность такой смеси навоза с мочой обычно составляет около 85%. Суточный выход навоза без мочи у одной коровы доходит до 35 кг. Влажность навоза без мочи обычно составляет около 70%. Плотность навоза без мочи составляет около 950 кг/м3. Зольность сухой фракции коровьего навоза составляет от 2 до 20%, в зависимости от метода сбора навоза. То есть, все зависит от того, как много примесей песка и камней попадет в навоз. В данном случае зольность должна быть не выше 5%. Влажность и зольность выбраны из статистических данных, а плотность можно измерить самостоятельно «методом Архимеда» с помощью пружинных весов и ведра [38].

Биогазовые установки практически всегда работают в непрерывном цикле. Это обозначает, что каждые сутки в них добавляется суточная доза субстрата, а получившийся излишек шлама сливается. Шлама сливается чуть меньше, чем заливается субстрата, потому что часть соде…

КПД газовых котлов обычно составляет 90−95%. При работе газового котла на биогазе КПД может получиться меньшим из-за неточных настроек газо-воздушной смеси.

Еще одним способом получения тепла является когенерация. Когенераторы — устройства для получения из биогаза (и не только) одновременно нескольких видов энергии, обычно электрической и тепловой. Бывают поршневые и газотурбинные когенераторы. В первом случае работает классический двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, топливом для которого служит биогаз. Иногда это может быть дизельный двигатель, работающий на смеси солярки и биогаза. Тепловая энергия снимается с такого когенератора в виде горячей воды температурой около 750C, циркулирующей через теплообменник когенератора и нагревающейся там. А теплообменник, в свою очередь, может греться теплоносителем, охлаждающим рубашку двигателя, маслом картера и выхлопными газами. Тепловой КПД при этом может достигать 35−40%. Это неплохо, учитывая еще электрический КПД 30−33% [40].

Во втором случае работает газовая турбина на биогазе. Тепловая энергия снимается тоже в виде горячей воды, циркулирующей через теплообменник.

Таким образом, утилизация тепла, выработанного из биогаза, зависит от вида нагретого рабочего тела. Горячую воду направляют циркулировать по различным трубам и батареям отопления.

Горячими продуктами сгорания биогаза непосредственно греют емкости с водой, пищей, поверхности нагревателей и т. п. Попросту говоря, применение биогаза для получения тепловой энергии ничем кардинально не отличается от применения для этих же целей природного газа или сжиженного пропан-бутана.

Получение электроэнергии при использовании когенераторов в БГУ.

Самым широко распространенным способом получения электрической энергии из биогаза является использование газопоршневых генераторов на базе двигателей внутреннего сгорания. В данном случае топливом для такого двигателя служит биогаз. С выходным валом такого двигателя соединен электрический генератор. Чаще всего это генератор переменного тока. В большинстве случаев, а для генераторов мощностей от 10 кВт и выше — поголовно, генератор этот вырабатывает трехфазный переменный ток той частоты и напряжения, которые приняты в качестве стандартных в стране применения этого генератора. Так, например, для европейских стран и стран бывшего СССР, это 50 Гц 400 В. T.к. обычно такой генератор подсоединяют к общей электрической сети, соответственно, напряжение на выходе генератора должно быть немного больше (в холостом режиме), чем напряжение в этой сети, чтобы ток пошел из генератора в сеть, а не обратно.

Частота вращения электрогенератора 50 Гц обеспечивается электронной системой управления двигателя внутреннего сгорания, регулирующей подачу топлива в зависимости от скорости вращения выходного вала. Эта система также может синхронизировать частоту вращения вала с частотой в общественной сети, к которой подключен генератоp [41].

Вторым способом получения электрической энергии из биогаза является использование газотурбинного двигателя. Частота вращения вала турбины в газотурбинном двигателе на порядки выше, чем частота вращения вала поршневого двигателя внутреннего сгорания. Из-за большого момента инерции турбины невозможно резко изменять частоту ее вращения. Поэтому обычно турбина вращает генератор постоянного тока. Постоянный ток проходит через электронный инвертор и на выходе формируется ток заданного напряжения, частоты и фазности. Точно такие же инверторы ставятся для получения электроэнергии от ветряков и солнечных панелей. И точно так же, как и в этих случаях, в газотурбинных генераторах применяются еще и аккумуляторные батареи, которые демпфируют неравномерность потребления электрического тока переменной нагрузкой у потребителя. Поэтому удельная стоимость одного киловатта электрической мощности газопоршневого генератора существенно ниже, чем газотурбинного. Но при этом стоимость технического обслуживания газопоршневых генераторов существенно выше, а срок службы до капитального ремонта — существенно ниже.

Газопоршневые двигатели чувствительны к примесям, содержащимся в биогаза. Остатки таких агрессивных газов, как аммиак или сероводород, вызывают коррозию металлических поверхностей цилиндра и поршня, выхлопных труб, окисляют масло, циркулирующее в системе смазки, из-за чего оно теряет свои смазывающие свойства. От содержания углекислого газа в биогазе зависят детонационные свойства горючей смеси воздуха с биогазом (для бензинов характеризуется октановым числом), соответственно, усложняется система регулировки угла опережения зажигания, нарушается оптимальное соотношение степени сжатия и объема камеры сгорания и т. д. И, хотя режим работы на газообразном топливе является более щадящим для поршневых двигателей внутреннего сгорания, чем режим работы на жидком топливе, вышеописанные факторы заметно ограничивают моторесурс газопоршневых генераторов, работающих на биогазе. Для промышленных устройств моторесурс обычно не превышает 5 лет непрерывной работы, предусматривающей лишь остановки для проведения ТО и регламентных работ (замена масла, свечей, прокладок и т. п.). Маломощные генераторы имеют моторесурс не более 1 года, и обычно не рассчитаны на непрерывную работу.

Газотурбинные генераторы выпускаются только большой мощности. Преимуществом их является нечувствительность к примесям в биогазе, минимальная потребность в ТО.

Из одного кубометра биогаза можно получить 1,8−2,3 кВт*ч электроэнергии, в зависимости от содержания метана в биогазе и типа примененного генератора [42].

Получение биогумуса при производстве биогаза. В Казахстане, как и во многих других развивающихся странах, существует прямая связь между проблемой удобрений и деградацией земель, а также проблемой вырубки лесов из-за высокого спроса на дрова. В сельской местности часто сжигают высушенный навоз (кизяк) и органические отходы для приготовления пищи и обогрева жилых помещений.

Такое использование органических отходов является причиной значительных потерь растительных питательных веществ, в которых так нуждается сельское хозяйство для поддержки плодородия почв. Применение биогазовых технологий может обеспечит максимальное использование доступных сельскому населению ресурсов: остающийся после выработки биогаза биошлам, который представляет собой удобрение, повышающее общее качество земель и увеличивающее урожайность.

Особенности биоудобрений. Биоудобрение содержит ряд органических веществ, которые вносят вклад в увеличение проницаемости и гигроскопичности почвы, в то же время предотвращая эрозию и улучшая общие почвенные условия. Органические вещества также являются базой для развития микроорганизмов, которые переводят питательные вещества в форму, которая легко может быть усвоена растениями.

Практика показывает, что урожайность растений при применении биоудобрений значительно повышается. В процессе работы биогазовой установки выделяется не только биогаз. Точнее сказать, не все поступающее в реактор биогазовой установки сырье превращается в биогаз. Во-первых, разложению подвергается только органическое сухое вещество. Такие составляющие субстрата, как вода и неорганические включения (песок, зола и пр.) выходят из реактора в неизменном виде. В биогаз, воду и минеральные соли превращается обычно 40−60% органического вещества. Глубина разложения редко превышает 80%. Соотношение органического сухого вещества к общей массе субстрата обычно составляет не более 10%, поэтому при добавлении свежего субстрата в реактор биогазовой установки из него выливается почти столько же шлама (переброженного субстрата), сколько залилось субстрата. Этот шлам (метановый эффлюент, метановая бражка) представляет собой прекрасное удобрение чисто органического происхождения. В процессе брожения субстрата в реакторе все потенциально вредные для окружающей среды факторы, присутствующие в исходном сырье, исчезают.

Неприятный запах в навозах и подобном сырье обуславливается ароматическими углеводородами и аммиаком. В процессе брожения ароматические углеводороды разлагаются, азот из аммонийной формы частично переходит в нитратную форму, уменьшая концентрацию аммиака. Поэтому шлам обычно имеет слабый запах печеного хлеба.

Зерна растений в процессе брожения обычно частично или полностью разлагаются, как минимум — разлагается их оболочка, поэтому они теряют всхожесть. То есть, шлам биогазовой установки уже не может быть источником сорняков после внесения в почву.

Яйца гельминтов (глистов) тоже разлагаются в процессе брожения в реакторе. Поэтому выходной шлам обеззаражен.

Практически все вредные для живых существ на Земле бактерии — аэробные. Для их размножения и существования нужен кислород. Внутри реактора созданы анаэробные условия. Поэтому все другие бактерии гибнут и служат пищей для анаэробных бактерий.

Выходной шлам биогазовой установки состоит из воды, неорганических нерастворимых веществ, неорганических растворимых солей, среди которых преобладают соли, содержащие азот, фосфор и калий, частично разложенных органических соединений, среди которых есть такие полезные вещества, как гуминовые кислоты, фульвокислоты, различные витамины и бактерий, которые обеспечивали процесс анаэробного брожения. Все эти составляющие, за исключением нерастворимых неорганических веществ, при внесении в почву обеспечивают питание для растений, ускоряют их рост, улучшают их сопротивляемость болезням. Факторов положительного воздействия таких органических удобрений, каким является шлам биогазовой установки, на рост растений так много, что их трудно описать полностью, а воздействие оказывается в комплексе. Каждый отдельный фактор не дал бы должного эффекта без других.

Растворимые неорганические соли — это фактически те же минеральные удобрения, только полученные природным органическим путем, а не синтезированные искусственно. Но эти соли физически связаны остатками органических веществ, имеющих коллоидную структуру (кисель), поэтому они не вымываются из почвы первым же дождем.

Гуминовые и фульвокислоты в сочетании с остатками органических веществ превращают (дают право называть) почву, в которую они внесены, гумусом.

Витамины действуют на рост растений, как биологически активные добавки, то есть, растения существенно быстрее и полнее усваивают минеральные растворимые соли, содержащие азот, фосфор, калий и другие, нужные для роста растений элементы [43].

Бактерии, участвовавшие в процессе анаэробного брожения внутри реактора биогазовой установки, будучи внесенными в почву, продолжают работать, хотя и менее интенсивно, чем в реакторе. В глубине почвы для них обеспечиваются более-менее анаэробные условия. Это бактерии, во-первых, продолжают разлагать другие болезнетворные бактерии, а во-вторых, разлагают имеющуюся в почве органику, вырабатывая питательные минеральные соли для растений. Этот процесс называют азотфиксацией. Это означает, что бактерии захватывают атомы азота (и не только) из окружающей среды, где они находились в виде, непригодном для усвоения растениями, и вставляют в минеральные соединения солей азота (и другие минеральные соли). То есть, внося эти бактерии в почву, мы вносим «кормильцев», которые преобразуют несъедобные для растений элементы почвы и воздуха в съедобные, тем самым регулярно питая растения.

Из-за таких свойств оздоровления, создания и поддержания почвенного слоя шлам биогазовой установки часто называют биогумусом. Особенно часто это название применяют для отсепарированного шлама, то есть отжатого до влажности 75%. Такой отжатый шлам по внешнему виду уже сам по себе напоминает слой плодородной почвы.

Нормативы внесения шлама в почву (удельное количество на единицу посевной площади) существенно меньше, чем исходного сырья (если исходное сырье вообще могло быть применено в качестве биоудобрения). Если выразить нормативы внесения шлама в количествах азота, фосфора и калия, то они также будут ниже, чем подобные нормативы для внесения искусственно синтезированных минеральных удобрений.

Твердая фракция, или биогумус, вносится методом разбрасывания, точно так же, как вносится перепревший навоз.

На фракции шлам разделяют по соображениям логистики. Если биогумус предназначен на продажу, то обычно покупатели могут находиться на весьма дальних расстояниях от биогазовой установки. Возить воду на такие расстояния — слишком дорого. Поэтому ее отжимают, иногда даже подсушивают полученный биогумус до влажности 40−60%, пакуют в мешки и везут к покупателю, магазину или удаленному месту применения.

По элементный химический состав биогумуса почти полностью соответствует такому же составу исходного сырья, за исключением удаленных с биогазом водорода, углерода и кислорода. Поэтому питательные свойства конкретного биогумуса зависят от типа сырья, которое закладывалось в биогазовую установку. Практика показывает, что самыми замечательными свойствами обладает биогумус из птичьего помета, типа куриного. Исходный помет птиц содержит повышенное удельное количество азота. Из-за этого чистый помет с трудом поддается анаэробному брожению в биогазовой установке, так как субстрат отравляется большим количеством аммиака. Только недавно в России разработан и запатентован технический процесс переработки чистого куриного помета. Биогумус, полученный из такого сырья, показывает самые замечательные питательные и почвоформирующие свойства.

Питательные вещества. Питательные свойства биоудобрения определяются количеством органических веществ и химических элементов, которые оно содержит. Все питательные для растений вещества, такие как азот, фосфор, калий и магний, а также микроэлементы и витамины, необходимые для роста растений, сохраняются в биоудобрении. Соотношение углерода и азота (около 1:15) имеет благоприятный эффект на качество почв. В таблице 7 приводится примерное содержание питательных веществ в биоудобрении [44].

Таблица 7 — Содержание элементов в биоудобрении (в % на сырое вещество)

Фосфат и калий. Содержание фосфата (форма фосфора, напрямую усваиваемая растениями) не изменяется в процессе ферментации сырья. В этой форме растениями может быть усвоено около 50% общего содержания фосфора. Ферментация не влияет на содержание калия, от 75 до 100% которого может быть усвоено растениями.

Азот. В отличие от фосфата и калия, некоторое количество азота изменяется в процессе ферментации. Около 75% азота, содержащегося в свежем навозе, становится частью органических макромолекул, остальные 25% представлены в минеральной форме. После переработки в биогазовой установке около 50% азота в биоудобрении находятся в органической форме, и 50% - в минеральной. Минеральный азот может быть напрямую усвоен растениями, а органический азот должен сначала минерализоваться с помощью почвенных микроорганизмов.