Інтенсифікація виробництва біогазу як альтернативного джерела енергії

При зменшенні видобутку та збільшенні вартості традиційних видів палива (вугілля, нафтопродукти, природний газ тощо), використання органічних відходів, відходів тваринництва, рослинних залишків сільськогосподарського виробництва, твердих побутових відходів комунального господарства міст, якщо не повністю, то хоча б частково забезпечить потреби в енергетичних ресурсах.

В зв'язку з цим актуальною проблемою є пошук і використання відновлювальних джерел енергії [1]. Екологізація господарської діяльності потребує структурно-технологічної перебудови управління енергетичним комплексом на базі трансферу інноваційних енергоощадних екологічно безпечних технологій.

 

 

При переробленні органічних відходів з метою виробництва біогазу як альтернативного джерела енергії вони використовуються повністю. В результаті не лише покращується санітарний стан території, знищуються збудники інфекційних захворювань, зникає неприємний запах рослин, що гниють, знищується насіння бур‘яну, але й утворюються цінні високоякісні добрива, що мають підвищений гумусний потенціал [2-4].

Як вихідний матеріал для одержання біогазу можуть бути використані відходи тваринницьких ферм та різних рослин, побутові органічні відходи населених пунктів. Вихід і склад біогазу визначається значною кількістю чинників, але в основному залежить від складу вихідної сировини [1, 5]. Вихід біогазу з різних відходів сільськогосподарського виробництва та органічних побутових й промислових відходів наведено у табл. 1.

Процес анаеробного розкладу органічних речовин здійснюється двома основними групами мікроорганізмів. Перша група – це гетеротрофні кислототворні бактерії, які клітковими ферментами здійснюють гідроліз (розклад) складних органічних з’єднань (білків, жирів, вуглеводнів) до мономерів та утилізують їх із створенням низькомолекулярних кислот, діоксиду вуглецю, аміаку, сірководню та води.

Таблиця 1 - Вихід біогазу і вміст у ньому метану при використанні різних видів відходів [5]


Вихідна сировина

Вихід біогазу
на 1 кг сухої речовини, л/кг

Вміст метану (СН4), %

Вихідна сировина

Вихід біогазу
на 1 кг сухої речовини, л/кг

Вміст метану (СН4), %

1

Гній великої рогатої худоби

200 – 300

50

9

Силос

250

84

2

Гній свинячий

340 – 480

60 – 75

10

Трава свіжа

360

52

3

Кінський гній із соломою

250

56 – 60

11

Буряк

430

84

4

Бадилля картопляне

420

60

12

Відходи моркви

250

60

5

Стебла кукурудзи

420

53

13

Тирса деревини

220

51

6

Солома пшенична

342

58

14

Твердий осад стічних вод

570

70

7

Лузга соняшникова

300

60

8

Домашні відходи і сміття

600

50

15

Фекальний осад

250 – 310

60

Друга група анаеробних організмів – це метанотворні бактерії, які в своєму розвитку використовують лише низькомолекулярні органічні речовини, тобто продукти обміну кислототворних бактерій. Метанове бродіння органічних речовин протікає з утворенням  аміаку, метану (біогаз), вільного азоту, діоксиду вуглецю та води [6].
Основні тенденції розвитку систем біоконверсії визначаються вимогами охорони навколишнього середовища та можуть бути досягнуті в результаті виробництва біогазу як альтернативного джерела енергії.
Вирішальними факторами інтенсифікації виробництва біогазу є:

  • первинні та експлуатаційні витрати;
  • надійність біогазового устаткування в експлуатації;
  • вимоги до технічного обслуговування та персоналу;
  • ефективність використання отриманої продукції.

На процес анаеробного бродіння в біогазовій установці впливають біологічні, фізичні, хімічні та організаційно-технологічні фактори, вдосконалення яких призводить до збільшення ефективності використання сировини для утворення біогазу та зменшення затрат на весь технологічний процес. Фактори вдосконалення напрямків інтенсифікації виробництва біогазу як альтернативного джерела енергії в біогазовій установці наведено на рис. 1.

На інтенсивність процесу зброджування і, як наслідок, утворення альтернативного джерела енергії біогазу впливають чотири групи факторів: біологічні, фізичні, хімічні та організаційно-технологічні (рис. 1). До біологічних факторів відносяться: склад зброджуваної біомаси (вміст білків, жирів, вуглеводів, лігнінів); склад мікрофлори (кількість і групи мікроорганізмів відповідної стадії розкладання); умови життєдіяльності мікроорганізмів (зміст шкідливих домішок). Фізичні фактори включають: температуру зброджування із одночасним зменшенням тепловтрат; гідравлічний режим та седиментацію твердих частинок органічної маси. Хімічні фактори визначаються кислотністю середовища (величина рН); вмістом летючих жирних кислот у зброджуваній масі; обсягом і складом біогазу, що утворюється.


Рис. 1. Класифікація факторів вдосконалення енергоефективних напрямків інтенсифікації процесу виробництва біогазу як альтернативного джерела енергії

Організаційно-технологічні фактори передбачають: дозу добового завантаження нових порцій зброджуваної маси; навантаження по беззольній речовині; подрібнення, вміст у біомасі речовин, що не піддаються переробці.

З рис. 1 видно, що окрім властивостей та характеристик органічної маси, яка використовується для процесу отримання біогазу, на технологічний процес впливають фізичні фактори в біогазовій установці, зокрема, температура зброджування та гідравлічний режим. Ці чинники є важливими при вдосконаленні устаткування для виробництва біогазу. Використовуючи устаткування з оптимальними параметрами підігрівання та перемішування субстрату в біогазовій установці, можливо досягти енергоефективної інтенсифікації технологічного процесу виробництва біогазу.

До конструкції біогазової установки, що дозволяє інтенсифікувати процес виробництва біогазу, висуваються досить жорсткі вимоги. Для зменшення тепловтрат необхідним є підвищений термічний опір огороджувальних конструкцій біогазової установки, що забезпечує зменшення теплової енергії на термостабілізацію процесу виробництва біогазу [6]. З метою зменшення седиментації та запобігання утворення плаваючої кірки на поверхні субстрату, а також випадіння осаду на дні біогазової установки використовується перемішування субстрату.

Запропоновано біогазову установку для забезпечення енергоефективного процесу біоконверсії шляхом одночасного підігрівання та перемішування біомаси, внаслідок чого збільшується вихід біогазу як альтернативного джерела енергії із одиниці маси органічних відходів. В біогазовій установці (рис. 2) вмонтовано шнековий перемішувальний пристрій, який дозволяє перемішувати субстрат, а також одночасно транспортувати його по резервуару установки під час бродіння. В результаті встановлення нагрівача та шнекового перемішувача досягається інтенсифікація процесу анаеробного бродіння, оскільки температурне поле рівномірно розподіляється по всьому об'єму субстрату. Також запобігається розшарування неоднорідного середовища органічної маси.

Біогазова установка [7] містить резервуар 1, який зверху накритий каркасом теплиці 8. Всередині резервуару 1 розміщений  шнековий перемішувач 9, що служить для перемішування біомаси. Всередині валу 2 шнекового перемішувача 9 закріплений підігрівач 3. Над шнековим перемішувачем 9 змонтована захисна газорозподільна решітка 7, над якою влаштований штуцер відведення біогазу до труби споживача 4. Під шнековим перемішувачем 9 розмішене дно 10, яке шарнірно прикріплене до корпуса 1 з можливістю опускання вниз. Зверху конструкції міститься бункер завантаження 5 з шиберною засувкою 6.

В біогазовій установці (рис. 2) завдяки введенню горизонтального шнекового пере-мішувача перешкоджається утворення плаваючої кірки на поверхні субстрату, а також випадіння осаду в нижній частині установки.


Рис. 2. Біогазова установка із шнековим перемішувальним пристроєм

За допомогою нагрівача всередині установки надається необхідна теплота органічній масі для забезпечення мезофільного або термофільного процесу процесу ферментації, що зменшує час процесу виробництва біогазу, тобто збільшує продуктивність біогазової установки. Таким чином відбувається інтенсифікація процесу виробництва біогазу як альтернативного джерела енергії.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

  • Ратушняк Г. С. Енергозберігаючі відновлювальні джерела теплопостачання: навч. посібник/ Г. С. Ратушняк, В. В. Джеджула, К. В. Анохіна. – Вінниця: ВНТУ, 2010. – 170 с. – ISBN 978-966-641-384-3.
  • Ткаченко С. Й. Теплообмінні та гідродинамічні процеси в елементах енергозабезпечення біогазової установки/ С. Й. Ткаченко, Д. В. Степанов. – Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2004. – 132 с. – ISBN 966-641-107-5.
  • Соуфер С. Биомасса как источник энергии / Соуфер С., Заборски О.; пер. с англ. А. П. Чочиа. – М.: Мир, 1985. – 368 с.
  • Біоенергія в Україні – розвиток сільських територій та можливості для окремих громад/ [Дубровін В. О., Мельничук М. Д., Мельник Ю. Ф. та ін.]. – К., 2009. – 111 с. – ISBN 978-9986-732-51-8.
  • Сербін В. А. Нетрадиційні та поновлювані джерела енергії в системах ТГП/ В. А. Сербін. – Макіївка: ДонДАБА, 2003. – 153 с.
  • Баадер Б. Биогаз: Теория и практика./ Баадер Б., Доне Е., Бренндерфер М.; пер. с нем. М. И. Серебряного. – М.: Колос, 1982. –148 с.
  • Пат. 34016 Україна, МПК С 02 F 11/04. Біогазовий реактор/ Ратушняк Г.С., Анохіна К.В., Джеджула В.В.; Державний департамент інтелектуальної власності. – № u200801976; Заявл. 18.02.2008; опубл. 25.07.2008, Бюл. №14. 

УДК 662.767.2
Ратушняк Г. С.  Інтенсифікація виробництва біогазу як альтернативного джерела енергії  [Електронний ресурс]  / [Ратушняк Г. С., Анохіна К. В.] // Збірник наукових статей “ІІІ-го Всеукраїнського з’їзду екологів з міжнародною участю”. – Вінниця, 2011. – Том.1. – С.239–241. Режим доступу: http://eco.com.ua/

Скачати в форматі pdf:

 

Скачати презентацію у форматі pdf

Оцінка: 
0
No votes yet