Новости

Возможности модернизации биогазовых установок 01.06.2024 00:00

   В условиях периодического повышения цен на основные энергоносители, а также истощения углеводородных ресурсов Земли все большее количество стран развивают альтернативные источники энергии.

   Одним из таких видов является биогаз. Глубокие исследования в этой области, несмотря на известные трудности, проводятся в России и в Республике Казахстан. Полномасштабное развитие биогазовой отрасли в этих странах позволило бы им решить ряд важных экономических задач.

   Следует отметить, что основным недостатком биогазовой энергетики является значительный вес удельных капитальных затрат (в расчете на единицу отпускаемого товарного биометана), невысокая рентабельность проектов, а также проблемы с организацией сбыта энергии посредством централизованных сетей. Несмотря на это, во многих странах наблюдается увеличение спроса на биогазовые установки (БГУ) различных типаразмеров, как для малых потребителей (с объем метантенка 3 – 20 м³), так и для средних (с объемом метантенка 30 – 100 м³), не говоря уже о больших.

   Все дело в том, что биогазовые технологии должным образом вписываются в Доктрину ОНН устойчивого развития общества. И многие, в России, привержены этой идеи.

     Современные технологии (производства), по возможности, должны быть связаны между собой таким образом, что конечный цикл одного из них становится началом другого цикла, благодаря чему достигается практически полная безотходность и интенсификация производства на достаточном удалении от границ динамической устойчивости экосистем.

    По мнению экспертов ООН, именно такой комплексный подход, когда осуществляется схема подбора предприятий и производств, работающих на одном виде сырья, а отходы и побочные продукты одного производства выступают в качестве сырья или полуфабрикатов для другого, может полностью решить проблему устойчивого развития общества.

Известно, что животные не полностью усваивают энергию растительных кормов и более половины её уходит в навоз, который является, после того или иного вида переработки, ценным органическим удобрением.

Содержание животных на фермах и комплексах привело к увеличению концентрации объемов навоза и навозных стоков в хозяйствах. А это дает возможность организовать их переработку не только в удобрения, но и в биогаз, не загрязняя окружающую среду. При этом биогаз по сути своей становится рукотворным возобновляемым источником энергии (ВИЭ).

Комплексный подход в производственной деятельности, когда «отходы», в том числе органические, тепловые, водные, газо-воздушные перерабатываются в технологической цепочке производства, минимально отражается на качестве окружающей среды, на продуктивности зональных экосистем. Комплексный подход, это не что-то новое. В целом «эволюционные» и «революционные» изменения, в том числе в сфере энергетики взаимообусловлены, дополняют и нередко сменяют друг друга. Не исключаются и случаи возврата к «старым» техническим решениям на качественно новой технологической базе.

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

Однако, поскольку, например, в московском регионе среднегодовая температура исходного субстрата, составляет около 10 ⁰С, а температура окружающей среды, около 4 ⁰С, то необходимость в системе подогрева субстрата и поддержания его температуры в процессе ферментации очевидна. По данным А.А. Ковалева [1] до 60% полученного биогаза тратится на собственные нужды БГУ. При этом, наиболее энергоемким является процесс нагрева субстрата, суточной дозы загрузки метантенка, на который идет около 95% энергии, расходуемой на собственные нужды установки.

Аналогичные испытания были проведены сотрудниками Казахского научно-исследовательского института механизации и электрификации сельского хозяйства (КазНИИМЭСХ),Барковым В.И., Токмолдаевым А.Б., Аблинановым В.А. и Сарыбаевым Б.А. [2]

В результате испытаний получены следующие данные: производительность установки по биогазу составляет — 6,5 – 11,5 м³/сут., по удобрению — 0,5 – 0,7 т/сут., объем биореактора — 5 м³ , температура субстрата в биореакторе соответствует термофильному режиму — 52 – 54 ⁰С, расход биогаза на нагрев, при температуре окружающей среды от 20 до 30 ⁰С — 6,2 м³/сут, доза загрузки — 10 %, плотность полученного удобрения — 964,9 кг/м³, массовая доля сухого вещества — 4,7 %, эффективность обеззараживания навоза — 99 %.

Как видим, и эти испытания наглядно показали, что расход биогаза летом на нагрев субстрата составляет около 60 %, от его выработки.

Это говорит о том, что традиционные БГУ с термофильным режимом следует рассматривать как установки, прежде всего производства экологически чистых удобрений (эффлюента) и в меньшей степени как установки вырабатывающие товарный биогаз.

Исходя из проведенного анализа, перспективным представляется, модернизация БГУ с целью использования солнечной энергии, аккумулированной солнечным соляным прудом (рвом) [3], при производстве биогаза по сравнению с приведенным в [4].

Энергию солнечного соляного рва (пруда в форме кольца, охватывающего придонную боковую поверхность метантенка) можно использовать для подогрева субстрата, без размещения метантенка на дне солнечного соляного пруда, для средних и больших биогазовых установок (см. рисунок).

 

 Рис. Схема метантенка с солнечным соляным рвом

1 – метантенк, 2 – солнечный соляной ров ( кольцевой пруд), 3 – прямое солнечное излучение, 4 – отраженное солнечное излучение,  5 – субстрат, 6 – наружный кольцевой зазор между солнечным соляным рвом 2 и внутренним объемом метантенка 1, 7 – внутренний кольцевой зазор между солнечным соляным рвом 2 и внутренним объемом метантенка 1, 8 – теплоизоляция метантенка 1, 9 – отражатель солнечного излучения.

Метантенк 1 (рисунок) размещен на дне пруда 2, в который поступает прямое солнечное излучение 3 и отраженное от боковой наружной поверхности метантенка 1 солнечное излучение 4.

Поддержание необходимой температуры ферментации в метантенке 1, за счет использования солнечной энергии (теплоты рассола рва 2) обеспечивается следующим образом.

При заполнении наружного 6 и внутреннего 7 кольцевых зазоров водой поступление тепла из солнечного соляного пруда 2 к субстрату 5 в метантенке 1 максимально. Это обеспечивает, при необходимости, ускоренный нагрев сырья до требуемой температуры ферментации. После нагрева субстрата до требуемой температуры, производится слив воды из наружного 6 или внутреннего 7 зазоров, и их осушение. В результате интенсивность поступления тепла из солнечного соляного пруда 2 через воздушные зазоры 6 и 7 уменьшается в десятки-сотни раз, по сравнению с тем, когда они были заполнены водой. Можно осушать и один из зазоров.

Дальнейшее поддержание температуры субстрата в требуемых пределах можно обеспечивать как за счет синхронного регулирования подачи «горячего» сырья и отвода эффлюента, так и за счет периодического заполнения зазоров 6 и 7 водой и создания в этих зазорах низкого вакуума.

Такая комбинированная установка генерации биогаза может обеспечить работу метантенка 1 в термофильном режиме в том числе ранней весной и поздней осенью, в первую очередь в странах с жарким климатом (Кыргызстан, Узбекистан, Таджикистан) без затрат вырабатываемого биогаза на собственные технологические нужды. Это очень актуально, если затем биометан используется в качестве моторного топлива, для обжига кирпича, освещения, для производства асфальта, выработки пара и для других технологических процессов, где нужна температура намного превышающая 100 ⁰С.

Конечно в условиях Омской области (Сибири) на такой БГУ заниматься выработкой биогаза зимой нельзя, но зато в метантенке большого объема с осени до весны можно хранить для посевной биотопливо, например, рапсовое масло или биоэтанол.

В зазоре 6, при осушенном зазоре 7, в течение всего летнего периода можно подогревать воду для приготовления субстрата.

Кроме того в зазоре 6, при осушенном зазоре 7, можно подогревать воду весной, для использования при поливе в теплицах и парниках, обеспечивая поддержание в них приемлемую температуру не только воздуха но и грунта, т.к., например, в мае естественная средняя месячная температура почвы на юге Омской области на глубине 0,4 м составляет 8,7 ⁰С, на глубине 0,8 м — 5,1 ⁰С, а на глубине 1,6 м — всего 0,9 ⁰С.

При осушенном зазоре 6, прокачкой холодной воды по зазору 7 можно охлаждать субстрат.

Для более эффективного аккумулирования солнечной энергии солнечным соляным рвом, с северной стороны метантенка 1 надо установить отражатель 9 (концентратор солнечной энергии), который будет направлять отраженное солнечное излучение в северную часть рва (пруда) в наиболее солнечное, полуденное, до и послеполуденное время.

Использование в технологическом производстве биогаза солнечной энергии позволяет обеспечить его летнее и осеннее производство с наибольшей эффективностью, что особенно важно в районах, отрезанных от крупных энергетических центров из-за разлива рек, бездорожья и т.д.

БГУ такого типа позволят более эффективно обеспечивать, за счет вырабатываемого удобрения подержание плодородия почв, предотвращать свободную эмиссию биометана в атмосферу.

Прибыть от эксплуатации БГУ зависит от многих факторов, включая продажи «побочных» продуктов. Самую значительную прибавку к прибыли от продажи биометана можно получать от реализации жидких удобрений, поскольку это высоколиквидная продукция, пользующая постоянным спросом. Спрос на удобрения есть всегда, поскольку непреложным фактором функционирования аграрной биосистемы является баланс между внесением в почву и выносом из неё энергии в виде питательных веществ: внесение их должно быть не менее выноса.

При выработке биогаза использование солнечной энергии для подогрева субстрата в большом метантенке позволит летом и осенью применять термофильный режим ферментации. В этом случае, при том же объеме метантенка выход биогаза увеличится в 1,5 – 2 раза.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ковалев А.А. Повышение энергетической эффективности биогазовых установок Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва – 2014.
2. Электронный ресурс. – Режим доступа: rusnauka.com›6_PNI_2011/Agricole/2_79078.doc.htm
3. Осадчий Г.Б. Научная жизнь, 2014. №3. с. 82 – 100.
4. Осадчий Г.Б. Солнечная энергия, её производные и технологии их использования (Введение в энергетику ВИЭ). Омск, ИПК Макшеевой Е.А., 2010. 572 с.

 

Осадчий Геннадий Борисович,
E-mail: genboosad@mail.ru