Сельское хозяйство / Механизация сельского хозяйства

Д.т.н. Барков В.И., к.т.н. Токмолдаев А.Б.,

бакалавр электроэнергетики Аблинанов В.А.,

инженер – механик Сарыбаев Б.А.

Казахский научно - исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства (КазНИИМЭСХ)

Республика Казахстан

Результаты испытаний биогазовой установки в фермерском хозяйстве

Сельские объекты Казахстана (крестьянские или фермерские хозяйства, пастбищные стоянки и т.д.) вследствие объективных причин (огромная территория, разнообразие природно-климатических условий, многоукладность хозяйств, удаленность от централизованных сетей электроснабжения) нуждаются в автономных источниках энергии для производственных нужд и бытовых целей.

Наиболее универсальной в этом плане является энергия биомассы и технологии ее переработки, в основе которых лежит процесс метаногенеза с получением экологически чистого удобрения и ценного газообразного топлива – биогаза. Биогазовые установки могут функционировать круглогодично, практически везде, где есть доступная биомасса или органические отходы.

В КазНИИМЭСХ разработана биогазовая установка предназначенная для переработки биоотходов (навоз, помет и растительные остатки) и получения из них экологически чистого удобрения и биогаза, а также для обеззараживания животноводческих стоков [1]. Установка защищена инновационным патентом [2].

Биогазовая установка (рисунок 1) включает корпус биореактора 1; газгольдер 2; теплообменник 3; гидрозатвор 4; камеры выгрузки и загрузки 5; перемешивающее устройство (мешалки) 6; патрубок для слива удобрения 26. Загрузочная и разгрузочная камеры соединены с биореактором через окна у днища и образуют сообщающиеся сосуды. Камеры оборудованы теплообменником-пастеризатором 14 и ТЭН-ом доводчиком 25. В выгрузной камере установлен патрубок 26 для слива готового удобрения. Биореактор защищен от теплопотерь слоем теплоизоляции, а газгольдер 2 – теплоизолирующим кожухом 23.

В систему нагрева субстрата в биореакторе 1 входят: теплообменник 3, топливный котел 8, расширительный бак 10 и циркуляционный насос 11, которые образуют циркуляционный контур «топливный котел – теплообменник». Теплообменник 3 с перегородкой разделяет биореактор на камеры кислотного и щелочного сбраживания.

Биогазовая установка работает следующим образом. При запуске навоз транспортируют из коровника в тележке 24, затем перегружают его в ковш-дозатор 7, где разводят водой и размешивают электросмесителем до получения однородной массы. Далее, полученный субстрат заливают в загрузочную камеру 5 до полного заполнения биореактора 1. Субстрат перемешивают биореакторе вручную мешалками с помощью рукояток 6.

Затем запускают в работу топливный котел 8 для нагрева воды. Горячая вода из топливного котла 8 подается по трубам через патрубки ввода и вывода в теплообменник 3, который нагревает субстрат в биореакторе 1 до 48...52°С.

Полученное удобрение из реактора 1 поступает в разгрузочную камеру и через выходной патрубок 26, подается в накопитель 21, после этого приступают к загрузке новой дозы субстрата.

При интенсивном выделении биогаза, он накапливается в газгольдере 2, который по мере заполнения всплывает, после его подъема (полный объем - 5 м³) биогаз через газовый кран 18, огнепреградительный затвор 16 и газовый счетчик 17 подают по газопроводу в топливный котел 8, который переходит на работу на биогазе. Таким образом, обеспечивается работа установки в автономном режиме.

1 – биореактор; 2 –газгольдер; 3 – гидрозатвор; 4 – теплообменник; 5 –загрузочная камера; 6 – мешалка; 7 – ковш-дозатор; 8 – топливный котел; 9 – керамическая газовая горелка; 10 – расширительный бак; 11 – циркуляционный насос; 12 – ТЭН; 13 – шнек; 14 –теплообменник пастеризатор; 15 – ТЭН-доводчик; 16 – огнепреградительное устройство; 17 – газовый счетчик; 18 – газовый кран; 19 – разделитель фракций; 20 – вакуумный насос; 21 – хранилище для удобрений; 22 – бурт для твердой фракции удобрения; 23 – теплоизолирующий кожух; 24 – транспортная тележка; 25 – теплоизоляция корпуса биореактора; 26 – патрубок для слива удобрения.

Рисунок 1 – Технологическая схема биогазовой установки

Биогазовая установка была изготовлена на опытно-механическом заводе КазНИИМЭСХ и установлена в фермерском хозяйстве в Алматинской области.

Общий вид биогазовой установки при проведении испытаний показан на рисунке 2.

Рисунок 2 – Общий вид биогазовой установки около коровника на 40 голов

Биореактор испытывался в режиме биообработки жидкого навоза КРС, поступающего на обработку из коровника на 40 голов. Технология содержания животных – смешанная (стойлово – выгульная).

Результаты испытаний и определения технологических параметров биогазовой установки приведены на рисунках 3 и 4 .

Рисунок 3 – Зависимости параметров биореактора от времени при нагреве

в термофильном режиме

Рисунок 4 – Выход биогаза в мезофильном и термофильном режимах

Анализ данных испытаний биореактора показывает, что время нагрева субстрата до мезофильной температуры составляет – 46 часов, а до термофильной температуры – 68 часа. Суточный расход твердого топлива (кизяка) составляет – 31 кг/сут, к.п.д. топливного котла составляет – 78,5 %. Производительность по навозу составляет 0,5…0,7 т/сут, по биогазу – 6,5…11,5 м³/сут. Выход биогаза в мезофильном режиме составляет 6,5 м³/сут и в термофильном режиме – 11,5 м³/сут (рисунки 3 и 4).

При работе гидрозатвора в режиме теплообменника температура теплоносителя в нем колеблется в пределах 49…65 ⁰С, температура в загрузочной камере – 34…40 ⁰С, а в разгрузочной камере – 32…40 ⁰С.

Исследования зависимости расхода биогаза при установке в топливном котле факельной и керамической горелок показали, что суточный расход биогаза с факельной газовой горелкой составляет 6,17 м³/сут (0,257 м³/час), а с керамической газовой горелкой – 4,8 м³/сут (0,2 м³/час).

Химический анализ проб органического удобрения, отобранных в процессе работы биогазовой установки (проба №1 – исходный навоз с влажностью 90 %, проба №2 – готовое органическое удобрение) показал высокое содержание питательных веществ (таблица 1).

Таблица 1 – Содержание питательных веществ в органическом удобрении

Проба	рН среды	Содержание, г/кг (%)
		Азот Nобщ	Фосфор (Р2О5)	Калий (К2О)
№1	7,0	21,56 (2,156%)	29,6 (2,96%)	48,0 (4,8%)
№2	7,2	16,52 (1,652%)	23,2 (2,32%)	21,6 (2,16%)

В 1 т сухого органического удобрения содержится: 16,52 кг азота (N), 23,2 кг фосфора (Р₂О₅), 21,6 кг калия (К₂ О).

Анализ патогенной микрофлоры в органическом удобрении и эффективность обеззараживания, наличие яиц гельминтов и семян сорняков приведены в таблице 2.

Общее микробное обсеменение исходного навоза (коли-индекс) – 10⁹ КОЕ, после анаэробного сбраживания в биогазовой установке общее микробное обсеменение готового органического удобрения снизилось до 10⁷ КОЕ, таким образом степень обеззараживания навоза в биогазовой установке составляет 99%. В органическом удобрении отсутствуют яйца гельминтов, а семена сорных растений полностью потеряли всхожесть.

Таблица 2 – Анализ патогенной микрофлоры в органическом удобрении и эффективность обеззараживания, наличие яиц гельминтов и семян сорняков

Проба	Бактериальная обсеменен- ность, колоний/см^3	Коли-индекс, бактерий/дм^3	Коли-титр	Эффективность обеззараживания, %
				по наличию
				бактериаль-ной обсеменен-ности	яиц гельминтов, шт/дм^3	семян сорняков, шт/см^3
№ 1	10^9КОЕ	10^10КОЕ	3х10^5КОЕ	-	наличие	наличие
№ 2	10^7 КОЕ	10^5КОЕ	3х10^3КОЕ	99	отсутствуют	потеря всхожести

Выводы. В результате испытаний установлено, что биогазовая установка соответствует требованиям ГОСТ 31343-2007 [3].

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 – 6,2 /сут, доза загрузки – 10 %, плотность полученного удобрения – 964,9 кг/м³, массовая доля сухого вещества – 4,7 %, эффективность обеззараживания навоза – 99 %.

Установка дает экономический эффект 1 450 000 тенге в год.

Список литературы

1. Сеитбеков Л.С., Нестеров Е.Б., Некрасов В.Г. Микробиологическая анаэробная конверсия биомассы.- Алматы: Издательство «Эверо», 2005.-276с.

2. Инновационный патент №21207 Республики Казахстан, МПК С02F11/04. Реактор биогазовой установки /Сеитбеков Л.С., Барков В.И., Токмолдаев А.Б., Сарбасов Д.Д. опубл. 15.05.2009, бюлл. №5. – С. 4.

3. ГОСТ 31343-2007. Машины и оборудование для переработки и обеззараживания жидкого навоза. Методы испытаний.– М.: Стандартинформ, 2008. – 28 с.