Технологія метанового зброджування гнойової біомаси (стр. 2 из 8)
Ще в 1995 р. в країнах ЄС на частку біомаси доводилося більше 60% споживання енергоносіїв, одержаних з відновлюваних джерел (які склали 6% загального споживання первинних енергоносіїв). У деяких державах частка біомаси в загальному споживанні первинних енергоносіїв значно перевищує середньоєвропейські показники: у США – 3,2%, в Данії – 8%, в Австрії – 12%, в Швеції – 18%, у Фінляндії – 23%. А згідно програми розвитку ВДЕ в країнах ЄС, до 2010 року частка біомаси в загальному внеску ВДЕ складе 74%, що буде рівно 9% загального споживання первинних енергоносіїв [23].
В Україні технології утилізації біомаси знаходяться на початковому етапі розвитку і мають хороші перспективи для комерціалізації, особливо на тлі збільшення вартості природного газу. Енергетичне використання біомаси дає можливість, окрім електрики, виробляти ще і теплову енергію, а також рідкі (біодизель і біоетанол) і газоподібні (біогаз) палива. Як показують результати техніко-економічного аналізу, виробництво тепла з біомаси є конкурентноздатним навіть при використанні імпортного устаткування. При використанні котлів українського виробництва термін окупності складає близько року при спалюванні деревини і 2–4 роки при спалюванні соломи. Так, водонагрівальні казани ЗАТ «Житомирремпищемаш» потужністю 300–820 кВт, працюючі на відходах деревини, приблизно в 4–5 разів дешевше за закордонні аналоги (середня вартість $20–30 за 1 кВт потужності) [20].
Україна має величезний потенціал практично всіх видів відновлюваних джерел енергії (Табл. 2.). При бажанні в найближчі десятиліття можна вирішити питання електро- і теплопостачання країни за рахунок енергії сонця, вітру, біоенергетичних відходів, тепла землі і гідроенергетичних ресурсів. Вже сьогодні можна використовувати швидкоокупне устаткування і технології для відновлюваних технологій, хоча б для заміщення тієї частини природного газу, який ми купуємо в Росії по $230 за 1000 кубометрів. Але політики нашої країни все ніяк не можуть відкрити очі на цей факт. Ймовірно, заважає газ [19].
За затвердженою програмою розвитку ВДЕ – White Paper, в країнах Євросоюзу вирішено досягти 12% в загальному енергоспоживанні за рахунок ВДЕ в 2010 році (ще в 1997 році ця цифра складала 5,4%). Хоча сьогодні Євросоюз вже обговорює свої нові цілі – досягти частини відновної енергії в енергоспоживанні своїх країн до 20% в 2020 році (зокрема, уряд ФРН пропонує встановити для ЄС ціль на рівні 30%, а для своєї країни – на рівні 40%). Згідно з розрахунками пов'язані з цим додаткові витрати на споживача, з урахуванням економії традиційних енергоносіїв, складуть всього близько 1 євро в місяць. [19]
Таблиця 2.
Енергетичний потенціал біомаси та торфу в Україні [19]
| Вид палива | Млн. т умовного палива на рік |
| Солома зернових (без кукурудзи) | 5,6 |
| Стебла кукурудзи | 2,4 |
| Стебла і лушпиння соняшнику | 2,3 |
| Біогаз з гною | 1,6 |
| Біогаз з стічних вод | 0,2 |
| Біогаз з полігонів ТПВ | 2,0 |
| Відходи деревини | 0,3 |
| Паливні брикети з ТПВ | 1,9 |
| Біодизель та біоетанол | 2,2 |
| Енергетичні культури (верба, тополя, міскантус) | 5,1 |
| Торф | 0,6 |
| Всього | 24,2 |
| В перерахунку на млрд. м3 природного газу | 20,8 |
Комплект устаткування, що включає місткість для нагромадження і зберігання гною, ферментер або реактор, камеру для бродіння, метантенк, резервуар, або газгольдер, газозбірник, і використовується для виробництва біогазу із застосуванням анаеробної ферментації біомаси гною або субстрату іншого походженнія. БГУ включає також обладнання для нагрівання і перемішування, систему трубопроводів, насоси і газові компресори, центрофугальні пристрої, контрольно-вимірювальну апаратуру і засоби автоматизації [15].
Субстрат до БГУ надходить безперервно або через певні проміжки часу (безперервна, або проточна, система). При цьому кожного разу об'єм нативного, що завантажується, і збродженого гною має бути однаковим. При такій технологічній схемі забезпечується найвища продуктивність БГУ. Періодична, або циклічна, система використання реакторів, яких на установці два або більше, передбачає почергове заповнення їх свіжим неперебродженим субстратом. Обов’язковим є неповне звільнення реактора від збродженого субстрату, який відіграє роль затравки. Через кілька діб після заповнення бродильної камери розпочинається метаногенез, інтенсивність якого після досягнення максимуму знижується. Для безперебійного і рівномірного забеспечення споживача біогазом при такій системі роботи БГУ потрібно об'єднувати кілька реакторів у блок [5].
При системі з періодичним використанням реактора бродильні камери використовуються менш ефективно, ніж при системі з безперевним режимом його роботи.
Періодичність заповнення реактора потребує будівництва гноєсховища. Щоб запобігти потраплянню повітря під час вивантажування субстрату, реактор потрібно заповнювати біогазом з додаткових місткостей.
Система, при якій камера одночасно виконує роль реактора і місткості для тимчасового зберігання шламу, дістала назву акумулятивної, або басейнової. Прикладів використання такої системи безпосередньо в умовах виробництва мало.
Бродильні камери, або реактори, є основними складовими БГУ. Рентабельність біогазового виробництва значною мірою залежить від конструктивних особливостей бродильної камери. У діючих БГУ переважають реактори овальної і циліндричної форми. У таких реакторах з найменшими витратами можна перемішувати субстрат, вивантажувати седимент, видаляти біогаз і руйнувати кірку. У реакторах циліндричної форми умови для перемішування субстрату дещо гірші, ніж у реакторах овальної форми. Надавши реактору циліндричної форми похило-горизонтального положення, можна зручніше розмістити обладнання для перемішування і створити кращі умови для видалення шламу. При будівництві реактора використовують бетон, залізобетон, сталевий лист, склопластик. Еластичні реактори будують з використанням прогумованого матеріалу або пластмаси, надаючи їм овальної форми. Реактори заглиблюють у грунт, і при розміщенні на поверхні огороджують жорсткими конструкціями. В усіх випадках бродильна камера повинна мати абсолютну герметичність, теплоізоляцію і корозійну стійкість. Усередині бродильної камери має підтримуватися постійна температура, для чого обладнано нагрівальні пристрої. З цією метою використовують тепло видаленого з реактора шламу. Для поповнення втрат тепла передбачається додаткове підведення його, на що витрачається орієнтовно 30 % енергії виробленого біогазу. Відомо кілька технічних рішень нагрівальних пристроїв, що використовуються на БГУ.
Для перемішування біомаси в бродильних камерах встановлюють механічні й гідравлічні пристрої. Використовують з цією метою і вироблений біогаз, який подають у реактор компресором. Регламентованою умовою при перемішуванні є швидкість переміщення субстрату, яка не повинна перевищувати 0,5 м/с. При більших швидкостях розриваються оболонки клітин мікробів [17,5].
1.3 Досвід впровадження біогазових установок у світі і в Україні
Утилізація біомаси, у тому числі й гною, здійснюється з метою організації безвідхідного виробництва і захисту навколишньогосередовища, а також для добування екологічно чистого конкурентоздатного енергоносія. Тепер більш як у 60 країнах світу екологічну і енергетичну проблеми якоюсь мірою намагаються вирішити за рахунок створення БГУ. Найпростіша технічна схема, коли біомаса під час бродіння не підігрівається і не перемішується, реалізується в регіонах з жарким кліматом. Прикладом такого технічного рівня є БГУ «Габор» (КНР), в якої метантенк і газгольдер заглиблені в землю і суміщені. Біомаса зброджується протягом 40 і більше діб. На 1 м3 об'єму бродильної камери, корисний об'єм якої дорівнює 8—10 м3, вихід біогазу становить близько 0,3—0,5 м3. Переробкабіомаси в установках такого типу не регулюється і не контролюється. Добутий біогаз використовують переважно для побутових потреб. Вироблений на великих БГУ біогаз використовується для виробництва електроенергії. В КНР мають щороку таку кількість біомаси, переважно відходів сільськогосподарського виробництва, яка еквівалентна 136,6 млн м3 біогазу.
Ефективнішими виявилися БГУ, в яких здійснюється обігрівання субстрату, що зброджується, його перемішування, а також подрібнення біомаси перед завантажуванням у бродильну камеру. Установками такого типу є модель «Дормштадт» і її поліпшений варіант. У них з 1м3 метантенка мають в чотири рази більше біогазу, ніж на БГУ «Габор». Проте і в цих установках є конструктивні недоробки: недостатні тепло- і гідроізоляція, можливість утворення застійних зон при перемішуванні маси, а також потреба руйнування поверхневої кірки, яка утворюється при виділенні біогазу. В газових установках «Липп», «Райки», «МББ», «БИМА», створених у ФРН в останні роки, зазначені недоліки частково усунено завдяки створенню двокамерного метантенка і двокамерного газгольдера, що дало змогу впровадити двоступінчастий процес зброджування біомаси. При цьому підготовлена до переробки і підігріта біомаса спочатку надходить у першу камеру, а потім у камеру, розміщену в центрі метантенка. У першій камері, де відбувається процес утворення органічних кислот, підтримується температура 35 °С. У другій камері відбувається термофільний процес (55 °С). Завдяки наведеним та іншим конструктивним удосконаленням є можливість добування 7 м3біогазу з розрахунку на 1 м3 бродильної камери. Спеціалісти Німеччини вважають, що БГУ можуть бути рентабельними тільки тоді, коли добове виробництво біогазу з розрахунку на одну умовну голову худоби становить понад 1 м3. У вдосконалених БГУ вихід біогазу з розрахунку на одну умовну голову худоби становить 1,2— 1,4 м3, а на 1 м3 бродильної камери виробляється 2 м3 біогазу. В ФРН кількість БГУ, які експлуатуються, перевищує 150. В інших країнах Європи кількість діючих БГУ становить орієнтовно: в Швейцарії 100, в Франції 60, у Великобританії 50. В Японії працює близько 10 БГУ. Потенціальні запаси гнойової біомаси в цій країні дають змогу на 18 % задовольнити потреби сільськогосподарського виробництва в енергії. Грунтовно підготовлена програма виробництва біогазу з успіхом реалізується в США. Розрахунки свідчать про те,що добутий з відходів сільськогосподарського виробництва біогаз, може задовольнити потреби цієї галузі в енергії. Розроблено проекти збудовано БГУ середніх розмірів (з об'ємом бродильних камс 100—190 м3), а також створено великі установки, які в змозі щодоби переробляти 500 і більше тонн гною з щодобовим виходом 43,2-73,0 тис. м3 біогазу [15].