Проект переработки навоза в биогазовой установке в ТОО Шеминовка

    Свой вклад в изучение образования биогаза внесли и российские ученые. Влияние температуры на количество выделяемого газа изучил Попов в 1875 году. Он выяснил, что речные отложения начинают выделять биогаз при температуре около 6°С. С увеличением температуры до 50°С, количество выделяемого газа значительно увеличивалось, не меняясь по составу - 65% метана: 30% углекислого газа, 1 % сероводорода и незначительное количество азота, кислорода, водорода и закиси углерода. В.Л. Омельянский детально исследовал природу анаэробного брожения и участвующие в нем бактерии. Вскоре после этого, в 1881 году, начались опыты европейских ученых по использованию биогаза для обогрева помещений и освещения улиц. Начиная с 1895 года, уличные фонари в одном из районов города Эксетер (Англия) снабжались газом, который получался в результате брожения сточных вод и собирался в закрытые емкости. Двумя годами позже появилось сообщение о получении биогаза в Бомбее, где газ собирался в коллектор и использовался в качестве моторного топлива в различных двигателях.

В начале XX века были продолжены исследования в области повышения количества биогаза путем увеличения температуры брожения. Немецкие ученые Имхофф и Бланк в 1914-1921 гг. запатентовали ряд нововведений, которые заключались во введении постоянного подогрева емкостей. В период Первой мировой войны началось распространение биогазовых установок по Европе, связанное с дефицитом топлива. Хозяйства, где имелись такие установки, находились в более благоприятных условиях, хотя установки были еще несовершенные и в них использовались далеко не оптимальные режимы.

   Одним из важнейших научных шагов в истории развития биогазовых технологий являются успешные эксперименты Бусвелла по комбинированию различных видов органических отходов с навозом в качестве сырья в 30-х годах XX столетия...  
 Первый крупномасштабный завод по производству биогаза был построен в 1911 году в английском городе Бирмингеме и использовался для обеззараживания осадка сточных вод этого города. Вырабатываемый биогаз использовался для производства электроэнергии. Таким образом, английские ученые являются пионерами практического применения новой технологии. Уже к 1920 году они разработали несколько типов установок для переработки сточных вод. Первая биогазовая установка для переработки твердых отходов объемом 10 м3 была разработана Неманом и Дюселье и построена в Алжире в 1938 году.  
В годы Второй мировой войны, когда энергоносителей катастрофически не хватало, в Германии и Франции был сделан акцент на получение биогаза из навоза. Во Франции к середине 40-х годов эксплуатировалось около 2 тыс. биогазовых установок для переработки навоза. Вполне естественно, этот опыт распространялся на соседние страны.

   Сегодня биогазовые технологии стали стандартом очистки сточных вод и переработки сельскохозяйственных и твердых отходов и используются в большинстве стран мира.

 

2.2 Классификация навоза

 

       Навоз  является органическим удобрением, состоящее из образуемых животными выделений в процессе их жизнедеятельности (каловые массы, моча, желчь, кровь, отжившие части слизистых оболочек со стенок пищеварительного тракта и т.д.), обычно смешанных с подстилочными материалами. В качестве подстилки применяются озимая солома и торф, считающиеся лучшими для животных и для навоза.

Рассмотрим упрощенную классификацию навоза ( в соответствии с рисунком .1).

Рисунок 1. Классификация навоза

 

По содержанию воды навоз делится на холодный и горячий. К горячему навозу относятся конский и овечий, а к холодному – коровий и свиной.

По степени разложения:

- свежий – прочность и цвет изменены не сильно;

- полуперепревший – темно-коричневого цвета, солома разрывается легко;

- перепревший – цвет черный,  солома полностью разложилась;

- перегной – землистая рыхлая масса.

По технологии содержания животных различают навоз подстилочный - твердый и бесподстилочный – жидкий, полужидкий. Если для Германии характерен навоз жидкий, то для Казахстана – твердый.

Исходя из классификации навоза, нас интересует навоз крупного рогатого скота (КРС), свежий, подстилочный, твердый. В качестве подстилки используется солома.

На животноводческих фермах скапливается очень большое количество навоза, который складывается в бурты для гниения, а после вывозится на поля. Возле ферм все больше и больше разрастаются лагуны огромных размеров и с соответствующим запахом. Существуют следующие способы переработки навоза (в соответствии с рисунком 2).

Рисунок 2. Классификация переработки навоза

 

Наилучшим способом переработки навоза являются переработка биогазовыми установками, которые экологически чистые, производят электроэнергию, тепло и удобрения

 
2.3 Классификация существующих биогазовых установок

 

      Существует  следующая классификация биогазовых  установок: 
1.По технологии получения газа. 
   Для производства биогаза применяются различные технологические решения. Эти технологические решения можно условно разделить на четыре типичных группы:

КЛАССИФИКАЦИЯ БИОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК

По количеству ступеней процесса:	По температурному режиму:	По загрузке реактора:	По относительному количеству сухого вещества:
- одноступенчатые   - двухступенчатые   -многоступенчатые	- психофильный (до ~25 °C)   - мезофильный   (от 32 до 42 °C)   - термофильный (от 50 до 57 °C)	- периодическая   - квазине прерывная   - непрерывная	- влажная ферментация   - сухая ферментация

 

2. По принципу применения  газа

По принципу применения газа Биогазовые установки можно разделить на три группы:

- Для производства электрической  и тепловой энергии (при сжигании  в блочных мини-ТЭЦ).  
- Для производства тепла (при сжигании в отопительном котле).  
- Для производства газа (выделение метана и закачка в газопровод).

3. По используемому сырью

- Сельскохозяйственные биогазовые  установки, использующие зеленую  массу не подвергшуюся первичной  переработке и/или продукты выделения  сельскохозяйственных животных.  
- Коферментационные биогазовые установки, использующие смесь сельскохозяйственного сырья и органических отходов, подвергшихся первичной переработке.  
- утилизационные биогазовые установки, использующие в качестве сырья различные биологические отходы, ферментация которых не противоречит санитарно-эпидемиологическим требования.

4. По конструктивным признакам : одно-и багатореакторные

5. По форме резервуара (в соответствии с рисуноком 3.): 
- Яйцевидные; - Цилиндрические;  - Шаровидные; - С конусом вверх; вниз, с обеих сторон; - В виде траншеи; - Кубические; - Эластичные.

Рисунок 3. Наиболее распространённые типы резервуаров биогазовых реакторов: а - в виде яйца, б - цилиндрический с конусными верхней и нижней частями, в - цилиндрический, г - цилиндрический с перегородкой, д - в виде параллелепипеда (с перегородкой), е - цилиндрический (размещен с наклоном), ж - траншея в грунте (с крышкой).

 

6.  По способам перемешивания  и подогрева биомассы ( в соответствии с рисунком 4):

- без подвода тепла  и без перемешивания сбраживаемой биомассы;

- без подвода тепла, но  с перемешиванием сбраживаемой  биомассы;

- с подводом тепла и  с перемешиванием биомассы;

- с подводом тепла, с  перемешиванием биомассы и со  средствами контроля и управления  процессом сбраживания.

Рисунок 4. Способы перемешивания сырья в вертикальных реакторах:  а, б – механическая мешалка; в,г – перемешивание с помощью насоса; 
д – перемешивание биогазом и жидкостью; е – перемешивание биогазом.

Рисунок 5.  Способы перемешивания сырья в горизонтальных реакторах: 
а – перемешивание биогазом; б – перемешивание механическими лопастями; 
в – перемешивание механическими мешалками с электродвигателями; 
г – перемешивание с помощью насоса; д – перемешивание механическими мешалками от ветряного двигателя.

 

6. По количеству газгольдера:

Рисунок 6. Сбор и хранение биогаза: а – один газгольдер; б – несколько газгольдеров.

 
    На текущий период в  общем энергопотреблении республики  доля энергии солнца, ветра, термальных  вод и биогаза  незначительна  и составляет всего 0,02%. 

2.4 Технические решения по модернизации технологии

 

Очень важной проблемой является утилизация навоза, который является отходом животноводческого производства. Ежедневный выход навоза составляет 40 т. Во времена СССР все это количество навоза вывозится в навозные хранилища, где и гниет. По словам инженеров завода, если в ближайшие годы не будет решена проблема утилизации навоза, предприятие ожидают  еще большие затраты.

    Поэтому, навоза можно направить на биогазовую установку, которая переработает его в биогаз и высококачественные удобрения. Биогаз можно использовать на нужды предприятия, тем самым экономя на энергоресурсах. Удобрения можно направить на поля, где выращивается сельхокультуры, что позитивно скажется на выходе урожая.

   Для того чтобы сжигать биогаз в, их необходимо переоборудовать.

   Существует два варианта эксплуатации биогазового завода:

1. биогаз будет производиться только в период работы фермы, то есть только тогда, когда есть навоза;
2. эксплуатация биогазового завода круглый год. Такая схема может быть реализована при заготовке навоза. Биогаз будет сжигаться в когенерационных установках, производя электрическую и тепловую энергию. Часть электроэнергии будет использоваться на нужды завода и биогазовой установки, а другая часть будет продаваться. Часть тепловой энергии будет использоваться для поддержания оптимальной температуры в реакторах, остальная часть будет использоваться для  ГВС района города.

     Какой из этих вариантов целесообразнее с экономической точки зрения, будет показано в 4-й главе.

 

2.5 Обоснование выбора темы

 

Использование биогазовых технологий – это большой шаг в развитии Республики Казахстан. И дело не только в том, что «Südzucker Мoldova S.A.» будет экономить огромные инвестиции, но и в том, что об этой технологии узнают во всей стране и тяга к экономии поможет заставить население Республики Казахстан использовать биогазовые установки в хозяйстве. А это в свою очередь, поможет развитию аграрного и животноводческого сектора Республики. Китай, Индия и многие другие страны могут послужить примером, когда в масштабе страны биогазовые технологии продвигаются и пропагандируются.

Использование биогазовых технологий в условиях Республики Казахстан – это наиболее подходящий метод использования биомассы из всех ныне существующих. Объясняется это тем, что этот способ утилизации биомассы является наиболее экологичным, так как сжигание газа является наименее вредным с точки зрения экологии. Кроме того, появляется возможность использовать ценные биоудобрения, экономя на удобрениях химической промышленности.

Реализация данного проекта поможет решить проблему утилизации навоза  . В ближайшие годы предприятие может столкнуться с тем, что некуда будет его вывозить. Навоза в свою очередь, при гниении в ямах загрязняет землю, атмосферу (выделяется СН4), и подземные воды.

Бонусом данного проекта является возможность подключения части поселка к горячему водоснабжению.  

 

 

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ВЫРАБОТКИ БИОГАЗА ИЗ НАВОЗА

 

3.1 Оценка выработки биогаза из навоза и описание  технологии процесса

 

Биогазовые технологии - радикальный способ обезвреживания и переработки разнообразных органических отходов растительного и животного происхождения, включая экскременты животных и человека, с одновременным получением высококалорийного газообразного топлива - биогаза и высокоэффективных экологически чистых органических удобрений. Биогазовые технологии - это решение проблем энергетики, агрохимии, экологии и капитала [5].

В основе биогазовых технологий лежат сложные природные процессы биологического разложения сапропеля, навоза или птичьего помета, их смесей и других органических веществ в анаэробных условиях (без доступа воздуха). При этом под воздействием особой группы анаэробных бактерий, происходят процессы сопровождающиеся минерализацией азотсодержащих, фосфорсодержащих и калийсодержащих органических соединений с получением минеральных форм азота, фосфора и калия, наиболее доступных для растений, с полным уничтожением патогенной (болезнетворной) микрофлоры, яиц гельминтов, семян сорняков, специфических фекальных запахов, нитратов и нитритов. Емкость, в которой происходит процесс сбраживания, называется "метантенком", или "реактором". При соблюдении оптимального температурного режима брожения, постоянном перемешивании сырья, своевременной загрузке исходного и выгрузке сброженного материала выход биогаза достигает 2-3 м3 с 1 м3 реактора, а при использовании птичьего помета - 6 м3.