XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

В настоящее время неуклонно расширяется потребление природных ресурсов и важное место занимают возобновляемые источники энергии. Одним из таких ресурсов является биогаз. Биогаз - вещество, получаемое в результате водородного или метанового брожения биомассы. Данный вид топлива актуален для предприятий (животноводческие фермы, скотобойни, и т.д.) с постоянным большим количеством отходов – биомассой.

Принцип производства биогаза

Биомасса (отходы или зелёная масса) периодически подаются с помощью насосной станции или загрузчика в реактор. Реактор или метантанк представляет собой подогреваемый и утепленный резервуар, оборудованный миксерами.

Конструктивно реактор представляет собой цилиндрический или реже прямоугольный резервуар, который может быть полностью или частично заглублён в землю. Днище реактора имеет значительный уклон к центру. Кровля метантенка может быть или плавающей или жёсткой. В метантенках с плавающей кровлей снижается опасность повышения давления во внутреннем объёме.

Стройматериалом для промышленного резервуара чаще всего служит железобетон или сталь с покрытием. В малых установках иногда используются композиционные материалы. В реакторе живут полезные бактерии, питающиеся биомассой. Продуктом жизнедеятельности бактерий является биогаз. Для поддержания жизни бактерий требуется подача корма, подогрев до 35-38 °С и периодическое перемешивание. Образующийся биогаз скапливается в хранилище (газгольдере), затем проходит систему очистки и подается к потребителям (котел или электрогенератор). Реактор работает без доступа воздуха, герметичен и неопасен.

Сверху в реактор по трубе поступает осадок и активный ил. Для ускорения процесса брожения метантенк подогревают, а содержимое перемешивают. Подогрев осуществляется водяным или паровым радиатором. В условиях отсутствия кислорода из органических веществ (жиров, белков и т. д.) образуются жирные кислоты, из которых при дальнейшем брожении

образуется метан и углекислый газ.

Сброженный ил высокой влажности удаляется из нижней части метантенка и направляется на сушку (например, иловые площадки). Образовавшийся газ отводится через трубы в кровле метантенка. Из одного кубического метра осадка в метантенке получается 12—16 кубометров газа, в котором около 70 % составляет метан.

Рис. 1. Применение биогаза в когенерационных установках

Для сбраживания некоторых видов сырья в чистом виде требуется особая технология. Например, спиртовая барда (отход производства этилового спирта) перерабатываются с использованием химических добавок. Для кислой меласной барды используется щелочь. Возможна переработка этих же субстратов по одностадийной технологии без химических добавок, но при коферментации (смешивании) с другими видами сырья, например, с навозом или силосом.

Факторы, влияющие на процесс брожения: температура, влажность среды, уровень рН, соотношение C : N : P, площадь поверхности частиц сырья, частота подачи субстрата, замедляющие вещества, стимулирующие добавки, температура.

Метановые бактерии проявляют свою жизнедеятельность в пределах температуры 0-70^оС. Если температура выше они начинают гибнуть, за исключением нескольких штаммов, которые могут жить при температуре среды до 90^оС. При минусовой температуре они выживают, но прекращают свою жизнедеятельность. В литературе как нижнюю границу температуры указывают 3-4^оС.

Сравнение с другими видами топлива приведено в таблице 1.1

Таблица 1.1. Сравнение биогаза с природным газом, пропаном и метаном

	Ед. изм	Вид топлива
		Биогаз	Природный газ	Пропан	Метан
Плотность	кг/м3	1,2	0,68-0,85	2,01	0,72
Теплота сгорания	МДж/кг	4-55	41-49	46,3	50,1
Температура воспламенения	оС	700	645-700	510	645
Предел воспламенения пламени в воздухе (нижний-верхний)	%	6-12	5-15	2,1-9,5	5-15

Применение

Биогаз можно конвертировать в тепловую и электрическую энергию, использовать в двигателях внутреннего сгорания для получения синтез-газа и искусственного бензина.

Рис. 2. Потоки движения биогаза для получения электрической энергии.

Биогаз является эффективным видом топлива для когенерационных установок.

Когенерация — это процесс совместного производства электрической и тепловой энергии внутри одного устройства, как правило теплового двигателя.

Электрическая энергия получается в результате преобразования тепловой энергии топлива в механическую работу - вращение ротора электрогенератора. Тепловая энергия получается за счёт эффективной утилизации попутного тепла, которое затем преобразуется в теплоносители – горячую воду и пар. В результате практически полного использования термодинамического потенциала топлива, достигаются наивысшие показатели суммарного КПД, которые недоступны технологиям раздельного производства энергии.

Рис.3. Когенерационная установка.

При плотности 1,2 кг/м³ биогаз несколько легче воздуха, поэтому при утечке биогаз не будет собирается возле пола или в углублениях как тяжелый пропан, а при подъеме вверх он будет быстро смешиваеться с воздухом, благодаря чему уменьшается вероятность возгорания и взрыва. Также температура возгорания 700˚С является преимуществом с точки зрения безопасности эксплуатации. В биогазе присутствует балластный газ CO₂, благодаря чему он имеет очень узкие пределы воспламенения, а это значит, что он горит лишь, когда частица газа в смеси газ-воздух составляет 6-12%.

В сравнении с биогазом природный газ, пропан и метан имеют существенно более широкие пределы воспламенения, из чего следует, что биогаз имеет гораздо меньший риск опасности.

Биогаз определенно займет свою нишу как возобновляемый источник энергии, причем в промышленных масштабах. Это касается не только заводов по производству жидкого или газообразного биотоплива, но и использование, например, в автомобильной технике.

Одна из самых важных проблем использования биотоплива это сроки окупаемости данных установок при первоначально высокой стоимости (а также получение лицензии на данный род деятельности) и т.д. В России использование свалочного газа весьма проблематично, так как мало в каких городах присутствует сортировка мусора, в отличие от Финляндии, где эта технология процветает.

Список используемых источников:

Соколов М. М. Использование возобновляемых и нетрадиционных источников энергии: учебн. пособие / М. М. Соколов; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун-т. – Н. Новгород: ННГАСУ, 2015. – 116 с. ISBN

Климов, Г. М. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии для получения теплоты в системах теплоснабжения (свалочный биогаз, экологические проблемы использования) / Г. М. Климов. – Нижний Новгород : ННГАСУ, 2013. – 52 с.

Климов, Г. М. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии для получения теплоты в системах теплоснабжения (биогаз из различных 110 видов биомассы) / Г. М. Климов. – Нижний Новгород : ННГАСУ, 2013. – 37 с.

Код для цитирования: Скопировать