Биогаз это газ, получаемый метановым брожением биомассы. Разложение биомассы происходит под воздействием трех видов бактерий. В цепочке питания последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих. Первый вид — бактерии гидролизные, второй — кислотообразующие, третий — метанообразующие.
Биогаз, состав и качество, сырье для получения биогаза, экологический аспект, установка по производству биогаза, применение и потенциал использования биогаза в промышленных целях.
В производстве биогаза участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида. В процессе брожения из биоотходов вырабатывается биогаз. Этот газ может использоваться как обычный природный газ — для обогрева, выработки электроэнергии. Его можно сжимать, использовать для заправки автомобиля, накаплиать, перекачивать. По сути, как хозяин и полноправный владелец вы получаете собственную газовую скважину и доходы от нее. Регистрировать собственную установку пока еще нигде не нужно.
Состав и качество биогаза.
50-87% метана, 13-50% СО2, незначительные примеси Н2 и H2S. После очистки биогаза от СО2 получается биометан. Это полный аналог природного газа, отличие только в происхождении. Поскольку лишь метан поставляет энергию из биогаза, целесообразно для описания качества газа, выхода газа и количества газа все относить к метану, с его нормируемыми показателями.
Объем газов зависит от температуры и давления. Высокие температуры приводят к растяжению газа и к уменьшаемому вместе с объемом уровню калорийности, и наоборот. При возрастании влажности калорийность газа также снижается. Чтобы выходы газа можно было сравнить между собой, необходимо их соотносить с нормальным состоянием (температура 0 градусов, атмосферное давление 1 бар, относительная влажность газа 0%).
В целом данные о производстве газа выражают в литрах (л) или кубометрах метана на килограмм органического сухого вещества (оСВ). Это намного точнее и красноречивее, нежели данные в кубических метрах биогаза в кубометрах свежего субстрата.
Сырье для получения биогаза.
Перечень органических отходов, пригодных для производства биогаза:
— Навоз.
— Птичий помет.
— Зерновая и меласная послеспиртовая барда.
— Пивная дробина.
— Свекольный жом.
— Фекальные осадки.
— Отходы рыбного и забойного цехов (кровь, жир, кишки, каныга).
— Трава.
— Бытовые отходы.
— Отходы молокозаводов — соленая и сладкая молочная сыворотка.
— Отходы производства биодизеля — технический глицерин от производства биодизеля из рапса.
— Отход от производства соков — жом фруктовый, ягодный, овощной, виноградная выжимка, водоросли.
— Отходы производства крахмала и патоки — мезга и сироп.
— Отходы переработки картофеля, производства чипсов — очистки, шкурки, гнилые клубни.
— Кофейная пульпа.
Расчет полезного биогаза в фермерском хозяйстве.
Выход биогаза зависит от содержания сухого вещества и вида используемого сырья. Из тонны навоза крупного рогатого скота получается 50-65 м3 биогаза с содержанием метана 60%. 150-500 м3 биогаза из различных видов растений с содержанием метана до 70%. Максимальное количество биогаза — 1300 м3 с содержанием метана до 87% — можно получить из жира.
Различают теоретический (физически возможный) и технически реализуемый выход газа. В 1950-1970-х годах технически возможный выход газа составлял всего 20-30% от теоретического. Сегодня применение энзимов, бустеров для искусственной деградации сырья (ультразвуковых или жидкостных кавитаторов) и других приспособлений позволяет увеличивать выход биогаза на обычной установке с 60% до 95%.
В биогазовых расчетах используется понятие сухого вещества (СВ или английское TS) или сухого остатка (СО). Сама по себе вода, содержащаяся в биомассе, не дает газа. На практике из 1 кг сухого вещества получают от 300 до 500 литров биогаза.
Чтобы посчитать выход биогаза из конкретного сырья, необходимо провести лабораторные испытания или посмотреть справочные данные, а затем определить содержание жиров, белков и углеводов. При определении последних важно узнать процентное содержание быстро разлагаемых (фруктоза, сахар, сахароза, крахмал) и трудно разлагаемых веществ (целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин).
Определив содержание веществ, можно вычислить выход газа для каждого вещества по отдельности и затем сложить. Когда биогаз ассоциировался с навозом (на селе такая ситуация сохранилась и сегодня), применяли понятие «животной единицы». Сегодня, когда биогаз научились получать из произвольного органического сырья, это понятие отошло и перестало использоваться.
А ведь, кроме отходов, биогаз можно производить из специально выращенных энергетических культур. К примеру из силосной кукурузы или сильфия, а также водорослей. Выход газа может достигать до 500 м3 из 1 тонны. Свалочный газ — одна из разновидностей биогаза. Получается на свалках из муниципальных бытовых отходов.
Экологический аспект в использовании биогаза.
Производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу. Метан оказывает влияние на парниковый эффект в 21 раз сильнее, чем смесь СО2, и находится в атмосфере до 12 лет. Захват и ограничение распространения метана — лучший краткосрочный способ предотвращения глобального потепления. Вот где на стыке исследований выявляется еще одна, мало исследования пока область науки.
Переработанный навоз, барда и другие отходы применяются в качестве удобрения в сельском хозяйстве. Это позволяет снизить применение химических удобрений, сокращается нагрузка на грунтовые воды.
Производство биогаза.
Различают промышленные и кустарные установки. Промышленные установки отличаются от кустарных наличием механизации, систем подогрева, гомогенизации, автоматики. Наиболее распространенный промышленный метод — анаэробное сбраживание в метантенках. Надежная биогазовая установка должна иметь необходимые части:
— Емкость гомогенизации.
— Загрузчик твердого (жидкого) сырья.
— Непосредственно реактор.
— Мешалки.
— Газгольдер.
— Система смешивания воды и отопления.
— Газовая система.
— Насосная станция.
— Сепаратор.
— Приборы контроля.
— Система безопасности.
Особенности установки по производству биогаза.
В промышленной установке отходы (сырье) периодически подаются с помощью насосной станции или загрузчика в реактор. Реактор представляет собой подогреваемый и утепленный железобетонный резервуар, оборудованный миксерами. В реакторе «живут» полезные бактерии, которые питаются отходами. Продуктом жизнедеятельности бактерий является биогаз.
Для поддержания жизни бактерий требуется подача корма-отходов, подогрев до 35 °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, практически герметичен и неопасен. Для сбраживания некоторых видов сырья в чистом виде требуется особая двухстадийная технология.
К примеру, птичий помет, спиртовая барда не перерабатываются в биогаз в обычном реакторе. Для переработки такого сырья необходим дополнительно реактор гидролиза. Он позволяет контролировать уровень кислотности, таким образом бактерии не погибают из-за повышения содержания кислот или щелочей.
Знаковые факторы, влияющие на процесс брожения:
— Температура.
— Влажность среды.
— Уровень рН.
— Соотношение С: N: Р.
— Площадь поверхности частиц сырья.
— Частота подачи субстрата.
— Замедляющие реакцию вещества.
— Стимулирующие добавки.
Применение биогаза.
Биогаз используют в качестве топлива для производства электроэнергии, тепла или пара или в качестве автомобильного топлива. Биогазовые установки могут использоваться как очистные сооружения на фермах, птицефабриках, спиртовых заводах, сахарных заводах, мясокомбинатах и как частный случай могут заменить даже ветеринарно-санитарный завод, где падаль может утилизироваться в биогаз вместо производства мясокостной муки.
Развивающиеся страны.
В Индии, Вьетнаме, Непале и других странах строят малые (односемейные) биогазовые установки. Получаемый в них газ используется для приготовления пищи. Больше всего малых биогазовых установок находится в Китае — более 20 млн (на конец 1990-х). Они производят около 7 млрд м3 биогаза в год, что обеспечивает топливом примерно 60 млн жителей сельских территорий. Применение биогенераторов в Китае позволяет заменить 10,9 млн тонн условного топлива.
В Индии с 1981 до 2010 года было установлено 4,2 млн малых биогазовых установок. В Непале существует программа поддержки развития биогазовой энергетики, благодаря которой в сельской местности еще к концу 2009 года было создано более 100 тысяч малых биогазовых установок.
Автомобильный транспорт.
Автомобильные концерны Volvo и Scania производят автобусы с двигателями, работающими на биогазе. Такие автобусы активно используются в городах Швейцарии: Берне, Базеле, Женеве, Люцерне и Лозанне. По прогнозам Швейцарской Ассоциации газовой индустрии, к 2012 году 15% автотранспорта Швейцарии будут работать на биогазе.
Муниципалитет Осло еще в начале 2009 года перевел на биогаз 80 городских автобусов из-за более приемлемой стоимости топлива и экологической безопасности. Стоимость биогаза в Европе составляет до 0,6 евро за литр — в бензиновом эквиваленте.
Потенциал использования биогаза в промышленных целях.
В мире биогазовым установкам дан «зеленый свет». К примеру, в США выращивается около 9 млн коров. Биогаза, из получаемого навоза достаточно для обеспечения топливом 1 млн автомобилей (если бы все они были оснащены соответствующими газовыми системами).
Среди промышленно развитых стран ведущее место в производстве и использовании биогаза по относительным показателям принадлежит Дании — биогаз занимает до 18% в общем энергобалансе страны. В Западной Европе не менее половины всех птицеферм отапливаются биогазом.
По количеству средних и крупных установок ведущее место занимает Германия — 8000 шт. На перспективу потенциал биогазовой индустрии Германии к 2030 году (по планам) оценивается в 100 млрд кВтч электроэнергии, что будет составлять около 10% от потребляемой страной энергии.
По материалам книги «Современные био-, бензо-, дизель-генераторы и другие полезные конструкции».
Кашкаров А. П.
