УДК 620.95

Воронежский государственный архитектурно-строительный университет

Д-р техн. наук, проф. кафедры отопления и вентиляции Полосин Иван Иванович

Студентка. Кузнецова Надежда Владимировна

Канд. техн. наук, доцент кафедры отопления и вентиляции Щукина Татьяна Васильевна, с. т. 8(960)117-51-82

Россия, г. Воронеж, тел. кафедры отопления и вентиляции 8(473)271-28-92

e-mail: Vittorea@yandex.ru.

И.И. Полосин, Н.В. Кузнецова, Т.В. Щукина

Биогаз – топливо сельскохозяйственных комплексов

Рассматриваются перспективы использования отходов сельского хозяйства и животноводства для производства газа. Описываются требуемые условия для протекания брожения сырья и его этапы, приводящие к образованию метана. Для сокращения затрат на биогазовые установки и более эффективного использования теплоты, выделяющейся при брожении и подогревающей органическую массу, предложено реакторы размещать в полости емкости, свободный объем которой предназначается для накопления и хранения топлива.

В России, являющейся крупнейшим поставщиком природного газа в страны ближнего и дальнего зарубежья, многие населенные пункты остаются без данного вида топлива по ряду причин. Одной из них является значительная удаленность от магистральных трубопроводов, что существенно затрудняет в ближайшем будущем решение вопроса центрального снабжения зданий поселков и осложняет бытовые условия проживания значительной части граждан. Эта ситуация может быть изменена при наличии приусадебных или фермерских хозяйств, крупных животноводческих комплексов или предприятий по переработке сельскохозяйственной продукции. Отходы от этих видов производственной деятельности представляют собой достаточно калорийное сырье для производства биогаза. Получаемый при брожении биогаз направляется для использования на сами предприятия, а избытки на бытовые нужды населения, тем самым частично снимая проблему энергообеспечения жилого фонда. Сельскохозяйственные, животноводческие и перерабатывающие предприятия в этом плане являются бесперебойными источниками сырья, которое в отсутствии организованной его переработки постепенно разлагается в воздушной среде на различные компоненты, загрязняющие окружающую среду. Так, например, в процессе брожения навоза выделятся значительное количество метана, способствующее парниковому эффекту, интенсивность образования которого превышает в 21 раз ситуацию, развивающуюся от углекислого газа.

Современные технологии позволяют перерабатывать в биогаз любые виды органического сырья. К ним относится навоз, птичий помет, зерновая и меласная после спиртовая барда, свекольный, фруктовый, ягодный и овощной жом, травяной силос, отходы рыбных и забойных цехов. Качество сырья характеризуется влажностью и выходом биогаза с возможно большим содержанием в нем метана. В среднем из тонны навоза крупного рогатого скота получается 50-65 м³ биогаза, имеющего в своем составе 60 % метана, из различных видов энергетических растений 150-500 м³ с 70 % метана (табл. 1). Максимальное количество биогаза 1300 м³ можно получить из 1 т животного жира, при этом содержание метана может составить до 87 % [1].

Альтернативным ресурсом для производства биогаза и удобрений является растениеводство. В Европе из 15 тыс. биогазовых станций половина работает на кукурузном силосе, который на сегодняшний день является одним из наиболее эффективных видов растительного сырья для переработки. Кукуруза дает хороший урожай с гектара и большой выход газа с 1 т до 220 м³. Следует отметить, что при выращивании энергетических культур средства не затрачиваются на удобрения, поскольку при этом их производят реакторы попутно с газом.

Биогазовые установки, перерабатывающие навоз являются самыми простыми по конструктивному исполнению. Микроорганизмы, участвующие в процессе брожения, попадают в навоз из кишечника животных и их не нужно добавлять к отходам для ускорения процесса разложения, как в случае с некоторыми видами растительного сырья. Также нет необходимости оснащать установку реактором гидролиза, который предусматривается для птичьего помета.

Таблица 1

Получаемый объем биогаза с 1 т исходного сырья

Наименование сырья	Объем получаемого биогаза, м^3/т	Содержание метана, в %, в биогазе до
Навоз крупного рогатого скота	50-60	60
Свиной навоз	55-65	60
Помет несушек, цыплят и бройлеров при клеточном содержании	130-140	60
Помет несушек, цыплят и бройлеров с подстилкой	80	60
Продукты бойни в животноводстве	300	65
Животный жир	1300	87
Силосная кукуруза	220
Ботва свеклы	200	54
Различные виды трав	250
Различные виды энергетических растений	150-500	70

Для успешной жизнедеятельности и хорошей работы всех микроорганизмов внутри реактора необходимо обеспечивать специальные условия. Обязательными факторами в этом случае являются:

· анаэробные условия - бактерии могут активно работать только при отсутствии кислорода и в конструкциях реакторов изначально предусмотрено соблюдение этого условия;

· влажность - бактерии могут жить, питаться, размножаться и производить биогаз только во влажной среде;

· температура - оптимальным режимом для всех групп бактерий является диапазон 35-40 ^оС, что может быть обеспечено системой автоматического контроля;

· период брожения - количество произведенного газа постепенно увеличивается по мере увеличения длительности брожения: вначале оно происходит быстрее, по мере возрастания продолжительности брожения – медленнее, затем наступает такой момент, когда дальнейшее пребывание в ферментаторе будет нецелесообразно с экономической точки зрения;

· уровень рН - в то время, как гидролизирующие и кислотообразующие бактерии в кислой среде с уровнем pH 4,5-6,3 достигают оптимума своей активности, бактерии, образующие уксусную кислоту и метан, могут жить только при нейтральном или слабощелочном уровне pH 6,8-8. Если уровень pH превышает оптимальный, то бактерии замедляют свою жизнедеятельность, что снижает выработку биогаза, потому следует выдерживать уровень рН 7, способствующий метанообразованию;

· равномерная подача субстрата - продукты обмена веществ каждой группы бактерий выступают питательными веществами для последующей группы бактерий, все из которых работают с разной скоростью. Бактерии ни в коем случае нельзя перекармливать, а то какая-то группа просто может не успеть произвести необходимую среду обитания для следующей группы. Поэтому в каждом конкретном проекте рассчитывается и программируется периодичность подачи субстрата.

· подача питательных веществ - следует обеспечивать бактерии всеми необходимыми питательными веществами, просто постоянно подавая свежие отходы. Это не требует дополнительного их добавления, так как все они уже содержатся в субстратах: витамины, растворимые соединения азота, минеральные вещества, микроэлементы и в очень небольшом количестве тяжелые металлы. Никель, кобальт, молибден, вольфрам и железо необходимы бактериям для образования энзимов так же изначально имеющихся в субстратах;

· размер частичек - размер бактерий 1/1000 мм, и поэтому чем мельче частички, тем легче и быстрее бактерии смогут разлагать сырье; при этом период брожения будет сокращаться, а метанообразование ускоряться. Для этого при необходимости проводится дополнительное измельчение субстратов перед подачей в реактор;

· перемешивание – этот процесс важен не только для избежания появления плавающей корки и осадка, но и для выведения выработанного газа. Мешалки могут работать постоянно в щадящем для бактерий режиме.

· стабильность процесса - микроорганизмы привыкают к определенным условиям и рациону. Любые изменения, если они вносятся, должны быть постепенными.

Конечным продуктом биологической обработки отходов являются:

o биогаз, состоящий из метана не менее 55%, оксида углерода не более 45%, сероводорода не более 2% и водорода не более 1%;

o органической массы, как остатка брожения, состоящего из воды, остатков целлюлозы, незначительной массовой части бактерий и питательных органических элементов (азот, фосфор, калий и т.д.).

В анаэробных условиях бактерии разлагают органический субстрат, а биогаз является промежуточным продуктом их обмена веществ. Процесс разложения можно разделить на 4 этапа [2], в каждом из которых участие принимают разные группы бактерий (табл. 2).

Таблица 2

Четыре этапа процесса брожения

Этапы	I	II	III	IV
Процесс	Гидролиз	Повышение кислотности	Образование уксусной кислоты	Образование метана
Бактерии	Аэробные гидролизные бактерии	Кислотообразующие бактерии	Бактерии образующие уксусную кислоту	Метановые бактерии
Выход	Моносахариды, аминокислоты и жирные кислоты	Органические кислоты, двуокись углерода	Уксусная кислота, двуокись углерода, водород	Метан, двуокись углерода, водород

На первом этапе аэробные бактерии перестраивают высокомолекулярные органические субстанции (белок, углеводы, жиры, целлюлозу) с помощью энзимов на низкомолекулярные соединения, такие как моносахариды, аминокислоты, жирные кислоты и воду. Энзимы, выделяемые гидролизными бактериями, расщепляют органические составляющие субстрата на малые водорастворимые молекулы. Полимеры превращаются в мономеры, то есть отдельные молекулы. Этот процесс называется гидролиз.

Далее расщеплением занимаются кислотообразующие бактерии. Отдельные молекулы проникают в клетки бактерий, где происходит их дальнейшее преобразование. В этом процессе частично принимают участие анаэробные бактерии, употребляющие остатки кислорода и образующие тем самым необходимые для метановых бактерий анаэробные условия.

На этом этапе вырабатываются:

· кислоты: уксусная, муравьиная, масляная, пропионовая, капроновая и молочная;

· спирты и кетоны: метанол, этанол, пропанол, бутанол, глицерин и ацетон;

· газы: двуокись углерода, углерод, сероводород и аммиак.

Все происходящие изменения в субстрате называют этапом окисления.

После этого кислотообразующие бактерии создают из органических кислот исходные продукты для образования метана, а именно: уксусную кислоту, двуокись углерода и водород. Для жизнедеятельности указанных бактерий, поглощающих водород, очень важно соблюдение стабильного температурного режима.

На последнем, четвертом этапе образуется метан, двуокись углерода и вода. 90% всего метана вырабатывается на этом этапе, 70% происходит из уксусной кислоты. Таким образом, образование уксусной кислоты, то есть 3 этап расщепления, является фактором, определяющим скорость образования метана.

В большинстве случаев такие процессы происходят одновременно, то есть отсутствует раздел по месту протекания или продолжительности разложения, что относит их к технологиям одностадийным (рис.). Для сбраживания быстроразлагаемых видов сырья в чистом виде требуется особая двустадийная технология. Например, птичий помет, спиртовая барда не перерабатываются в биогаз в обычном реакторе (ферментаторе). Для переработки такого сырья необходимо установить дополнительный реактор гидролиза, который позволяет контролировать уровень кислотности, чтобы бактерии не погибли из-за повышенного содержания кислот или щелочей, а так же повысить выход метана.

Рис. Одно- и двустадийная технология производства биогаза

Получаемый при брожении биогаз состоит из 50-80% метана и 50-20 % углекислого газа (табл. 3). По своим характеристикам он близок к природному, и его калорийность составляет 6000-9500 ккал/м³, при средней калорийности природного газа 7900 ккал/м³.

Таблица 3

Состав биогаза

Компонет	Формула	Содержание в %
Метан	СН4	50-75
Двуокись углерода	СО2	25-45
Водяной пар	Н2О	2 (20 ^оС) – 7 (40 ^оС)
Кислород	О2	<2
Азот	N2	<2
Амиак	NH3	<1
Водород	H2	<1
Сероводород	H2S	<1

Выбор оборудования для производства биогаза не так уж широк, очевидно, в виду того, что этот бизнес пока находится на этапе становления. Наиболее известное оборудование от немецких производителей. К ним относятся следующие фирмы: Schmack, EnviTec Biogas, Biogas Nord, Lipp. Стоимость смонтированой биогазовой станции зависит от ценовой политики производителя и может быть от 3 до 4 млн. евро за 1 МВт. Украино-швейцарская фирма Zorg предлагает биоустановки за 2,5-2,7 млн. евро. Учитывая высокую стоимость предлагаемых на рынке установок, повышается вероятность появления российских производителей биогазовых станций небольшой мощности, что является более перспективным при существующем положении в сельском хозяйстве, где в настоящее время происходит медленное восстановление посевных площадей и поголовья скота.

Узкий круг имеющихся данных по параметрам оборудования, показателям производительности и оптимизации их конструктивного исполнения, гарантирующих безотказную эксплуатацию, сдерживают темпы расширения использования биогаза, что недопустимо при столь перспективном виде энергозамещения. Это обуславливается и тем, что вырабатываемый и накопленный в хранилищах газ может быть израсходован в режимах пикового потребления для отопления и горячего водоснабжения, а также для других бытовых нужд.

Рассматривая вопросы бесперебойного альтернативного газоснабжения необходимо в первую очередь создавать условия для повышения производительности биореакторов. Это может быть достигнуто как новыми конструктивными разработками, включая дополнительные устройства подогрева отходов, так и активизирующими добавками, ускоряющими процесс разложения и не снижающими впоследствии качество получаемого удобрения. Вероятно, для решения некоторых из этих задач следует использовать реакторы, имеющие двойную оболочку, позволяющую дополнительно образованное пространство заполнять полученным газом для его хранения [3]. Так как накапливаемый газ имеет низкую теплопроводность близкую к параметрам воздушной среды (табл. 4), которую по своим свойствам можно отнести к теплоизолирующим материалам, то расположение в емкости хранения газа реактора позволит не только сократить расходы на монтаж системы альтернативного газоснабжения, но и обеспечит поддержание температурного режима в холодный период года без существенных затрат на подогрев сырья. Перспективным также является применение эластичного укрытия для верхней части метантенка, выполняющего роль расширяющегося газгольдера.

Таблица 4

Теплопроводность газов при температуре 30 ^оС

Наименование газа	Воздух	Метан CH4	Пропан C3H8
λ, Вт/(м∙^оС)	0,026	0,034	0,018

Определение целесообразных условий применения типовых реакторов, создание новых конструктивных разработок посредством технических решений по поддержанию высокой производительности получения газа требуют проведения обширных исследований. Все это позлит выявить приоритетные тенденции совершенствования биогазовых установок, и развивая их в необходимом направлении можно обеспечить высокие темпы внедрения для газоснабжения сооружений.

Библиографический список

1. Горбунов А.В. Анаэробные дигесторы и альтернативная энергетика// Оборудование. Разработки. Технологии. 2009, №10. – С.16-20.

2. Шаталов В.И., Свитличная Ю.И. Получение энергии и удобрений из биомассы// Энерготехнологии и ресурсосбережение. 2010, №2. – С. 77-80.

3. Полосин И.И, Кузнецова Н.В., Щукина Т.В. Альтернативное энергообеспечение зданий при многофункциональном использовании солнечной радиации и биогаза из отходов сельского хозяйства// Экология и промышленность России, 2011. – январь. – С. 23-25.