Сюжеты
Устройство и принцип
работы биогазовой станции
Биогазовая станция – это закрытые
реакторы (или ферментеры, дигестеры, метантенки,
биореакторы) выполненные из монолитного
железобетона или стали с покрытием. И
оборудование при этом доля оборудования
составляет 70-80%. .
Жидкие биоотходы перекачиваются на биогазовую
установку фекальными насосами по трубопроводу,
в предварительную емкость. В этой емкости
происходит гомогенизация массы и подогрев
до необходимой температуры. Твердые отходы
загружаются в специальный шнековый загрузчик.
,из емкости гомогенизации и загрузчика
твердых отходов биомасса поступает в
реактор. Реактор является газонепроницаемым,
полностью герметичным резервуаром. Это
конструкция теплоизолируется слоем утеплителя.
Толщина утеплителя рассчитывается под
климатические условия. Внутри реактора
поддерживается фиксированная для микроорганизмов
температура. Температура в реакторе мезофильная
(35-38°С).
Подогрев реактора ведется теплоносителем.
Система подогрева - это теплообменник
находящихся внутри стенки реактора, либо
на ее внутренней поверхности. Если биогазовая
установка комплектуется когенерационной
установкой (теплоэлектрогенератором),
то тепло от охлаждения электростанции
используется для подогрева реактора.
Если биогазовая установка работает только
на производство биогаза, тогда тепло
берется от специально установленного
водогрейного биогазового котла. Затраты
тепловой и электрической энергии на нужды
самой установки составляют от 5 до 10% всей
производимой энергии..Всю работу по сбраживанию
отходов проделают анаэробные микроорганизмы.
В биореактор микроорганизмы вводятся
один раз при первом запуске. На выходе
имеем два продукта: биогаз и биоудобрения
(компостированный и жидкий субстрат).
Биогаз из метантенка в газгольдер. Здесь
в газгольдере выравниваются давление
и состав газа. Из газгольдера по газовой
системе идет непрерывная подача биогаза
в газовый или дизель-газовый теплоэлектрогенератор.
Газовая система включает в себя осушку
биогаза, очистку от сероводорода и газоподготовку.
Крупные биогазовые установки имеют факельные
установки. В случае, когда предприятию
требуется не электроэнергия, а газ биогазовая
установка комплектуется системой очистки
от CO2.
Переброженная масса - это биоудобрения.
Жидкие отделяются от твердых с помощью
сепаратора и сохраняются в емкости для
хранения биоудобрения.
Всей системой управляет система автоматики.
Различают четыре
этапа процесса брожения
Процесс разложения можно разделить на
4 этапа , в каждом из которых участие принимают
разные группы бактерий:
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 (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). Этот этап 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 этих бактерий,
поглощающих водород, очень важно соблюдение
стабильного температурного режима.
На последнем 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.
Из практики известно что некоторые виды
органических отходов не перерабатываются
в одном реакторе. Например, птичий помет,
спиртовая барда не перерабатываются
в биогаз в обычном реакторе (ферментаторе).
Для переработки такого сырья необходимо
установить дополнительный реактор гидролиза.
Такой реактор позволяет контролировать
уровень кислотности, чтобы бактерии не
погибли из-за повышенного содержания
кислот или щелочей. С этой точки зрения
двухстадийный процесс переработки более
универсален и более эффективен.
Одностадийный и
двустадийный процесс
Схема биогазовой
установки
С 1 января 2009 года на территории России
вступил в действие первый национальный
стандарт по биоэнергетике ГОСТ Р 52808-2007
«Нетрадиционные технологии. Энергетика
биоотходов. Термины и определения», разработанный
сотрудниками научно-исследовательской
лаборатории Возобновляемых источников
энергии (НИЛ ВИЭ) Географического факультета
МГУ имени М.В.Ломоносова. Журнал «Международная
биоэнергетика» опубликовал текст стандарта
в № 1(10) за февраль 2009 года.
Как продолжение этой
работы НИЛ ВИЭ совместно со специалистами Федерального
государственного унитарного предприятия
«Всероссийский научно-исследовательский
центр стандартизации, информации и сертификации
сырья, материалов и веществ» разработали
ГОСТ Р 53790-2010 «Нетрадиционные технологии.
Энергетика биооотходов. Общие технические
требования к биогазовым установкам».
Стандарт утвержден Федеральным Агентством
по техническому регулированию и метрологии
01.01.2011 года.
Целью стандарта является
установление общих требований к биогазовым
установкам различной мощности и назначения
в соответствие с новейшими разработками
российских ученых.
Стандарт состоит
из следующих разделов: введение,
область применения, нормативные
ссылки, определения, общие требования,
требования безопасности, требования
охраны окружающей среды и
здоровья персонала, транспортирование,
хранение и библиография.
Основным требованием,
которое предъявляется стандартом к биогазовым установкам,
является требование назначения – «Биогазовые
установки должны обеспечивать переработку
органических отходов (стоков животноводческих
производств, растениеводства, перерабатывающей
промышленности) и осадков сточных вод
в биогаз с возможным преобразованием
его в тепловую и электрическую энергию,
а также транспортное топливо. Наряду
с биогазом эти установки должны производить
высокоэффективное дорогостоящее органическое
удобрение, содержащее гуминовые вещества».
Переработка отходов
в метантенке биогазовой установки осуществляется
в результате процесса жизнедеятельности
симбиоза ряда штаммов бактерий, поэтому
условия их жизнедеятельности определяют
результат работы установки – количество
образованного метана, скорость переработки
отходов, качество удобрения. Вследствие
этого в стандарте большое внимание уделяется
условиям оптимальной работы биогазовой
установки. Прежде всего это соблюдение анаэробных
условий в метантенке, поддержание оптимальных
для данной установки температурного режима и кислотно-щелочного
баланса.
Стабильную работу
биогазовой установки поддерживают перемешивающие
и нагревающие сбраживаемую массу устройства,
типы которых и требования к ним изложены
в стандарте.
В соответствии с требованиями
стандарта в технических условиях и эксплуатационных
документах на биогазовую установку конкретного
типа должны приводиться требования к
перерабатываемым отходам, характеристики режима
работы метантенка, ряд показателей процесса
метанового брожения.
Требование к месторасположению биогазовой установки любого
типа заключается в том, что она должна
располагаться по возможности ближе к
источникам перерабатываемого сырья (местам
содержания животных, складирования отходов
и т. д.), в стандарте дан ряд рекомендаций
по расположению установок малой мощности,
предлагающий использовать силы гравитации
и солнечное тепло; учитывающий, что транспорт
биогаза дешевле, чем транспортировка
сырья.
Стандарт предьявляет
ряд требований к конструкции биогазовой
установки:
метантенку, системе
сбора биогаза, к трубопроводной системе
биогаза, к газгольдерам.
Требования стандарт
направлены на обеспечение всех
аспектов промышленной безопасности работы
биогазовых комплексов: технологического,
пожарного, экологического.
Биогаз в смеси
с воздухом в пропорции от 5% до 15% при наличии
источника воспламенения с температурой 600 оС или более
может привести к взрыву. Открытый огонь
опасен при концентрациях биогаза в воздухе
более 12%. Поэтому биогазовые установки
представляют собой потенциально опасные
производственные объекты.
Стандарт включает
требования к биогазовым установкам различной
мощности (от 100 кВт до десятков мегаватт),
располагающихся под открытым небом или
в специализированных помещениях. Вследствие
этого документ не содержит детализированных требований
технического характера и безопасной
эксплуатации биогазовых установок. Стандарт
содержит ряд требований безопасности,
относящихся к установкам большой мощности,
расположенных в специальных помещениях. Такие
установки перерабатывают осадки сточных
вод, отходы больших животноводческих
комплексов, отходы производств перерабатывающей
промышленности.
Эти требования касаются
электротехнического оборудования биогазовых
установок, организации его электропитания,
комплектации помещений, обслуживающих
метантенки, подготовки работников, обслуживающих
метантенки и т.д. Безопасная и безаварийная
работа установок должна обеспечиваться
прежде всего соблюдением «Правил безопасности
в газовом хозяйстве» и «Правил безопасности систем
газораспределения и газопотребления».
Согласно стандарту,
работа биогазовых установок должна быть
организована так, чтобы выполнялись требования
охраны окружающей среды и здоровья персонала. Сырье
для установок – отходы животноводства
и растениеводства, осадки сточных и индустриальных
вод – не должны загрязнять водные ресурсы.
Следует исключить хранение отходов под
открытым небом, уменьшая тем самым выбросы
в атмосферу метана (парниковый газ) и
загрязнение воздуха азотистыми соединениями,
имеющими неприятный запах.
Необходимо соблюдать
предохранительные меры для предотвращения
заражения обслуживающего персонала биогазовых
комплексов патогенной микрофлорой, содержащейся
в осадках сточных вод и отходах сельскохозяйственного
производства.
До введения в действие
ГОСТ Р 53790-2010 «Нетрадиционные технологии.
Энергетика биооотходов. Общие технические
требования к биогазовым установкам»
в нашей стране не было стандартов по биогазовым
технологиям. Новый документ будет полезен
при разработке, проектировании и эксплуатации
биогазовых установок, он послужит основой
и откроет серию специализированных, детализированных
стандартов как по малым биогазовым установкам
индивидуального пользования, так и большим,
перерабатывающим отходы крупных производств.