Новое поколение биогазовых установок

ТЕГИ:

В. Криворучко, Т. Амон, Университет культуры земледелия, Вена, Австрия

М. Мельничук, В. Дубровин, Национальный аграрный университет, Киев, Украина

 

Ранее основным сырьем для биогазового производства в сельском хозяйстве считались органические удобрения. Их энергетический потенциал можно оценить для Украины в 1,59 млн. т условного топлива. Однако сегодня мировой опыт открывает новые возможности и ресурсы.

Среди государств Европейского сообщества Австрия первой установила стандарт на строительство энергетических биогазовых установок для совместного сбраживания биомассы и органических удобрений. Речь идет о получении биогаза в современных биогазовых установках не только из твердых или жидких органических удобрений, но и при использовании биомассы кукурузы, клевера, суданки, мисканта, свеклы и других сельскохозяйственных и энергетических культур. Количество биогазовых установок в Австрии стремительно растет. В настоящее время в работе находится более 120установок и около 25 в стадии планирования и постройки. За прошедшие годы количество биогазовых установок возросло вдвое, а начиная с 1999 года общая мощность биогазовых установок увеличилась с 5,2 мВт до 8,0 мВт. С 2000 года минимальная мощность построенных биогазовых установок составляет 100 кВт, а общая электрическая мощность десяти последних установок, введенных в строй в 2001 году, составила 2,5 мВт.

Биогазовые установки подбирают таким образом, чтобы они могли переработать органические удобрения от 50 и более голов КРС и биомассу с 20 и более гектаров. В этом случае необходимыми для биогазовой установки являются емкости объемом от 2000 м3 и более. Как правило, в каждой биогазовой установке имеется один-два метантанка, размером не менее 800 м3, и один или два резервуара объемом от 1000 м3. При этом последние используют для хранения отработанной массы и дополнительного получения биогаза.

В биогазовых установках нового типа твердые или жидкие органические удобрения смешиваются в первичной емкости с подготовленной биомассой (рис. 1). Эта смесь доводится до пастообразного состояния, после чего с помощью насоса подается в метантанк.

Рис.1. Схема биогазовой установки нового поколения

Метановое брожение происходит в первичном метантанке (ферментере), температура в котором постоянно поддерживается на уровне 35-40 ° С Поступающая для брожения смесь перемешивается электрическими мешалками до однородного состояния. Электрические мешалки способны передвигаться в горизонтальной и вертикальной плоскостях. В «лежащих трубных метантанках» устанавливаются мешалки шнекового типа с постоянным циклом работы. В настоящее время большинство установок изготавливаются из бетона, реже из стали. В установках с объемом от 1000 м3 и более метантанки преимущественно находятся под землей. В небольших установках возможны варианты с наземной установкой метантанков. Последние стадии брожения и дальнейшее хранение происходят во вторичном реакторе, который также подсоединен к газовой сети установки. Таким образом, контакт отработанных органических удобрений с окружающей средой, до их внесения в почву, полностью исключается. За счет сохранения азота повышается их качество, уменьшаются выбросы вредных газов в атмосферу. Очищение биогаза от сернистых соединений производится путем подачи небольшого количества воздуха в метантанк. Это приводит к тому, что микроорганизмы окисляют газообразный сероводород (H2S) в элементарную серу ф), которая, в свою очередь, является ценным минеральным удобрением. Биогаз хранится в специальном хранилище низкого давления, так называемом газовом мешке или в полости над метантанком, если он наземного типа. Емкость хранилища соответствует дневному объему производимого газа.

При преобразовании газа в электричество с помощью газовых двигателей внутреннего сгорания достигается КПД до 38%. Преимуществами биогазовых установок нового поколения являются:

  • Гигиенически безупречная утилизация несельскохозяйственных органических отходов.
  • Разделение первичного и вторичного циклов брожения (проточно-хранилищная система).
  • Подсоединение хранилища органических удобрений к газовой сети (около 1/3 биогаза получают при хранении органических удобрений после переработки в биога-зовой установке).
  • Возможность хранения биогаза в количестве от 1/2 до 1 дневного объема производства.
  • Возможность производства электроэнергии в часы экстремальной нагрузки сети и полное использование тепловой энергии.
  • Внесение перебродившего субстрата в почву даже в период вегетации растений.
  • Уменьшение эмиссий парниковых газов при хранении и внесении органических удобрений.

Особенно важным фактором эффективной работы биогазовых установок нового поколения является возможность использования тепла от двигателя внутреннего сгорания установки, поскольку тепловая энергия составляет около двух третей всей произведенной энергии. Биогазовая установка должна иметь минимальную пропускную способность от 2000 т/ч. Это соответствует объему органических удобрений от 50 голов КРС и биомассы с 20 гектаров при средней урожайности 50 т/га. Необходимо также стремиться к достижению среднегодового выхода метана 300м3 СН4/Г сухого органического вещества. Существует и ограничение по предельному уровню инвестиций в такие установки — они не должны превышать 1300 евро/кВт брутто мощности энергоустановки.

Таблица 1. Выход метана в зависимости от урожайности

Объем метана, образованного при ферментации, непосредственно влияет на экономическую эффективность биогазового оборудования. Исходя из этого, необходимо знать, что на выход метана (табл.1) влияют такие факторы, как урожайность биомассы с гектара и специфический выход метана из тонны органического сухого вещества (о.с.в.). Они обусловлены почвенно-климатическими условиями при выращивании биомассы, видом и сортом растений, временем сбора урожая и способом подготовки биосырья (консервация, степень размельчения и т.п.). Содержание органического сухого вещества в биомассе определяет скорость и степень его разложения в ферментере, а также КПД преобразования энергии биомассы в метан. Чтобы достичь оптимального выхода метана, необходимо произвести уборку в наиболее подходящий период сбора урожая.

Выводы

Как следует из таблицы 1, при средней урожайности 10 т о.с.в./га и специфическом выходе метана 300 м3/т о.с.в. будет произведено 3000 м3 метана. Ели урожайность поднимется до 15 т о.с.в./га, а специфический выход метана составит 450 м3/т о.с.в., то достигается практически двойной выход метана с гектара.

Аграрное производство в Украине обладает значительным потенциалом для развития технологий использования возобновляемых источников энергии в агропромышленном производстве и сельской местности. Рассчитывая потенциал в производстве электрической и тепловой энергии из биомассы и органических удобрений, следует учесть, что:

  1. Средний выход метана на голову КРС составляет 375 м3 СН4 в год. В то же время выход метана из биомассы с одного гектара равняется выходу метана из органических удобрений от 8-18 голов КРС.
  2. При выращивании биомассы в Украине на 10% площади пашни и используя половину всех органических удобрений можно получить такое количество электрической и тепловой энергии, которое по мощности соответствует потенциалу нескольких атомных электростанций.

Справка. Новое поколение биогазовых установок