V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

В последние годы в связи с удорожанием традиционных видов топлива - природного газа, нефти и др. все большее внимание привлекают нетрадиционные источники энергии: солнечное излучение, морские приливы и многое другое.

Одним из забытых видов сырья является и биогаз, использовавшийся еще в Древнем Китае, и вновь востребованный в наше время.

Биогаз - это газообразный продукт, получаемый в результате анаэробной, т.е. происходящей без доступа воздуха, ферментации органических веществ самого различного происхождения. Теплотворная способность биогаза 22 - 24 МДж/м3. Один кубометр биогаза экви­валентен 0,6 м³ природного газа, 0,7 л мазута, 0,4 л бензина, 3,5 кг дров.

Биометаногенез европейцами был открыт еще в 1776г. Вольтой, который установил наличие метана в болотном газе. Биогаз, получающийся в ходе этого процесса, представляет собой смесь из метана 65 %, углекислого газа 30 %, 1 % сероводорода и незначитель­ных количеств азота, кислорода, водорода и окиси углерода.

Первые сведения о практическом использовании европейцами биогаза, полученного из сельскохозяйст­венных отходов, относятся к 1814 году. Для сбора отходов, начиная с 1881 года, стали использоваться закрытые емкости, которые, после небольшой модификации, получили название «септик». Еще в 1895 году уличные фонари в одном из районов города Эксетер (Англия) снабжались газом, который получали в результате брожения сточных вод.

В настоящее время в странах Европейского Союза принята программа по использованию нетрадиционных видов топлива и доведения их до 20 % от общего объема топлива.

В этих странах, в среднем, вклад биомассы в энергетический баланс составляет около 3 %, но с широкими вариациями: в Австрии - 12 %, в Швеции - 18 %, в Финляндии - 23 %.

Ведущее место в мире по производству биогаза занимает Китай. КНР обеспечивает 30 % национальных потребностей в энергии за счет биогаза, там работает более 20 млн. установок по его производству. Второе место в мире занимает Индия, где ежедневное производство биогаза составляет 2,5 - 3 млн. м³. В России этому виду энергии уделяется мало внимания, хотя возможности есть большие.

В нетрадиционной энергетике особое место занимает переработка биомассы (органических, сельскохо­зяйственных и бытовых отходов метановым брожением с получением биогаза). Биомассу можно разделить на следующие группы: отходы лесоматериалов (обрезки и опилки от переработки древесины); энергетические сельскохозяйственные культуры; твердые городские отходы; сточные воды.

Ежегодное количество органических отходов по разным отраслям народного хозяйства России составляет более 390 млн. тонн, из которых:

- 250 млн. т. дает сельскохозяйственное производство, причем 150 млн. т. приходится на животноводство с птицеводством (помет птиц и КРС), а 100 млн.т. - на растениеводство (солома, стебли подсолнечника и др.);

- 70 млн.т. дает лесо- и деревопереработка (опилки, щепа, другие отходы);

- 60 млн.т. - твердые бытовые отходы городов;

- 10 млн.т. - коммунальные стоки.

Получение биогаза особенно эффективно на агропромышленных комплексах и на городских свалках, где существует возможность полного экологического цикла.

Захоронение на полигонах твердых бытовых отходов, подверженных гниению, неизбежно приводит к образованию биогаза. 1 кг органического вещества, биологически разложимого на 70 %, производит 0,18 кг метана, 0,32 кг углекислого газа, 0,2 кг воды и 0,3 кг неразложимого остатка.

Опасность городских свалок:

1. Угроза растительности,

2. Угроза строениям - возможность пожаров и взрывов

3. Угроза людям - неприятный запах, токсические активные элементы.

4. Угроза водам - загрязнение подземных источников

5. Угроза атмосфере - загрязнение «парниковыми газами».

Отходы, отвозимые на городские свалки, состоят из органических, неорганических материалов различных размеров. При правильном хранении отходов, т.е. сепарации, после ввода в действие соответствующей технологии, становится источником биогаза, который может использоваться при работе двигателей внутреннего сгорания в ЭРУ и КРУ, для производства электрической и/или тепловой энергии.

Сбор биогаза осуществляется из вертикальных скважин, пробуренных на месте уже заполненных хранилищ, или горизонтальных скважин-коллекторов, сооруженных в процессе складирования отходов.

Для выработки 1 МВт энергии необходима подача биогаза в количестве 525 м³/ч. Считается, что одна скважина дает 80 м³/ч газа.

Высокая плотность мусора позволяет извлекать газ с большой скоростью. Обычная свалка может выдавать газ в течение 10 - 12 лет. Максимум производительности прихо­дится на четвертый год, затем происходит медленное ее снижение.

На количество полученного биогаза влияют следующие факторы:

состав, возраст, плотность, температура и влажность отходов;

площадь, глубина, способы эксплуатации и рекуль­тивации хранилища отходов;

водный баланс хранилища.

После окончания эксплуатации скважины, т.е. когда сбор образовавшегося биогаза становится экономически неэффективным (концентрация метана становится очень низкой), необходим контроль за его образованием и обезвреживанием. Один из способов обезвреживания - окисление метана воздухом в поверхностных слоях почвы в присутствии бактерий. В результате образуется углекислый газ, который диффундирует из почвы в атмосферу.

Одно из первых в США захоронений отходов с выработкой биогаза площадью 14 га функционировало с 1978 по 1985 г. В нем находились 1 млн. т мусора и 0,5 млн. т промышленных отходов. Свалка давала 60 млн. м³ газа в год или 6868 м³/ч. Полный ресурс мощности такой свалки составил 13,1 МВт.

Побочным продуктом в процессе получения биогаза выступают экологически чистые удобрения, способные увеличивать урожай сельскохозяйственных культур. В состав удобрения входят минерализованный азот в виде солей аммония (наиболее легко усвояемая форма азота), минерализованный фосфор, калий, микро и макроэлементы в растворимом виде и в соотношениях., необходимых для растений.

Биогаз, который содержит более 55 процентов метана, легко сжигается в горелках отопительных установок, в водонагревателях, газовой плите, инфракрасных излуча­телях. Для транспортных средств биогаз можно использовать после очистки от всех примесей и выработки почти чистого метана. Такая технология является дорогостоящей и применяется очень редко.

Более экономичным и широко распространенным в настоящее время является производство электричества и тепла на когенерационных установках.

Биогаз используется в качестве топлива дизельных двигателей, которые служат приводом электрогенератора. Тепло охлаждающей системы двигателя используется для производства тепловой энергии. Когенерационная уста­новка преобразует энергию биогаза в следующем соотно­шении: 35 % в электрическую энергию и около 55 % в тепловую энергию. Такая система более экономичная, потому что выработанная электрическая энергия стоит больше и ее легче реализовать.

Очистка биогаза (для использования, например, в газовых двигателях) производится в две стадии. На первой стадии извлекается сероводород, а на второй производится удаление галогеносодержащих углеводородов. В качестве очищающего вещества применяется активированный уголь.

Подводя итоги, можно сделать следующие выводы:

• Особенность биогазовых технологий в том, что они не являются чисто энергетическими, а представляют комплекс, охватывающий решение как энергетических, так и экологических, агрохимических, лесотехнических и дру­гих вопросов, и в этом состоит их высокая рентабельность и конкурентоспособность.

• Внедрение биогазовых установок позволит улуч­шить экологическую обстановку на животноводческих фермах, птицефабриках и на прилегающих территориях, предотвращая вредные воздействия на окружающую среду. При применении биогаза экономятся традиционное топливо, электроэнергия, т.к. биогаз может использоваться для получения энергии для систем отопления животновод­ческих помещений, жилых домов, теплиц, для сушки сель­скохозяйственных продуктов горячим воздухом, на выработку электроэнергии.

• В результате утилизации биоотходов падает уро пень заражения среды болезнетворными бактериями. Исче­зают неприятные запахи от разложения и мухи.

• Пламя от горения газа не коптит и не содержит вредных смол и химических соединений, поэтому кухня и посуда не пачкаются копотью. Снижается риск респира­торных и глазных заболеваний, связанных с дымом.

Важно, что применение биогаза в различных системах генерации энергии обуславливает значительное снижение техногенного воздействия на окружающую среду.

Список литературы

1. Горбатюк О. В. Утилизация биогаза полигонов твердых отходов. Проблемы больших городов / О. В. Гор­батюк, А. Б. Лифшиц, О. И.Минько // Обзорная инф. МГЦНТИ. - М.: 1988.с. - 18.

2. Лифшиц А. Б. Утилизация свалочного биогаза - мировая практика, российские перспективы / А. Б. Лиф­шиц, В. И. Гурвич // Чистый город. - 1999. № 2. - С.8 - 17.

3. Елистратов В. В. Обоснование комплексных энер­гетических технологий на полигонах твердых бытовых от­ходов / В. В. Елистратов, Л. И. Кубышкин, В. И. Масликов, Е. Р. Покровская // Энергетическая политика. Вып. 3, 2001. - С.38 - 41.

Код для цитирования: Скопировать