Головна

Технологічні аспекти виробництва біогазу

  1.  I. Процесуальні засади призначення і виробництва
  2.  I. Збільшення факторів виробництва при незмінній технології, т. Е. Використання екстенсивних факторів росту.
  3.  II. Технологічні трубопроводи з умовним тиском до 10 МПа
  4.  III. Проблема вибору в національній економіці. Витрати виробництва.
  5.  III. Технологічні трубопроводи високого тиску понад 10 МПа
  6.  III.2.2. Типи відтворення населення і демографічний перехід
  7.  IV розділ: Результати і ефективність виробництва

В якості сировини для виробництва біогазу можуть бути використані відходи, що містять біологічно розкладається органічна речовина, що мають високу вологість (90-94%), нейтральну або близьку до нейтральної величину рН і не містять токсичних хімічних сполук (антибіотиків, СПАР і ін.) В концентраціях , що пригнічують ріст і розмноження бактерій. Перш за все це відходи тваринницьких комплексів і птахофабрик, опади комунальних та виробничих споруд з очищення стічних вод, промислові органовмісних відходи. У США і деяких країнах Західної Європи набуває поширення анаеробна переробка міського сміття. Твердофазна метангенерация можлива за умови, що вологість відходів не нижче 30-40%.

Одним з основних сировинних ресурсів для отримання біогазу є гній. Концентрація тварин на великих фермах і комплексах призводить до різкого збільшення обсягів гнойових відходів, які є серйозним джерелом забруднення навколишнього середовища, в тому числі нітратами, патогенними мікроорганізмами. Метанове зброджування є раціональним способом знешкодження гнойових відходів з одночасним отриманням екологічно чистого органічного добрива і газоподібного енергоносія. Анаеробна обробка гною забезпечує його дезодорацію, дегельмінтизацію, втрату здатності насіння бур'янів до схожості, практично повне збереження найважливіших поживних елементів - азоту, фосфору, калію.

У світовій практиці набули поширення біогазові установки двох типів: внутріфермерскіе, що забезпечують переробку гною ферми (комплексів) з використанням отриманого біогазу на внутрішньовиробничі і побутові потреби; великі централізовані установки виробничого типу, переробні гнойові відходи прилеглих тваринницьких ферм і постачають очищений біогаз зовнішнім споживачам.

За принципом функціонування розрізняють установки безперервного (проточною), періодичної і акумулятивний (басейнової) систем зброджування. безперервна система найбільш придатна для великих біогазових установок, забезпечує рівномірний освіту і максимальний вихід біогазу. Вихідний субстрат надходить в камеру зброджування (метантенк) безперервно або порціями, рівномірно, до 10 разів на добу.

установки періодичної системи включають дві або кілька камер зброджування, які завантажуються і розвантажуються поперемінно. При завантаженні камери вихідний субстрат змішується з затравочним залишком збродженого на попередній операції гною. Виділення біогазу нерівномірне; починається з витікання 5-10 діб, досягає максимуму і поступово зменшується до мінімуму. Коефіцієнт використання корисного об'єму камери значно нижче в порівнянні з безперервною системою.

при акумулятивний (басейнової) системі зброджування сховище для гною виконує роль камери зброджування і одночасно служить для зберігання збродженого гною до його вивантаження. Ця система використовується рідко, головним чином при переробці рідкого стічного гною.

Основним обладнанням біогазової установки є камера зброджування (метантенк, ферментатор) з нагрівальним і перемішує пристроями і ємність для зберігання біогазу - газгольдер. Метантенки мають обсяг від одного десятка до декількох тисяч кубічних метрів. Апарати повинні бути герметичними, мати хорошу теплоізоляцію (практикується заглиблення метантенков в грунт), високу корозійну стійкість. Метантенки малих розмірів виготовляються з листової сталі або пластику (полістиролу, поліпропілену), великі камери споруджуються із збірного залізобетону. Форма метантенков різноманітна (рис. 3.2).

Найбільш сприятливі гідродинамічні умови для перемішування і струму рідини створюються в метантенках овальної форми. Циліндричні камери з конічними нижньою і верхньою частинами більш прості у виготовленні і забезпечують можливість видалення зверху кірки і знизу відстояною рідкої маси. Перемішування вмісту в циліндричних метантенках з плоскими кришкою і днищем вимагає великих питомих витрат енергії. Перевага камер такої конструкції полягає в технологічності їх виготовлення. Розташування горизонтальних камер під кутом до горизонту сприяє кращому заповненню, змішування і вивантаження гною.

 
 

Мал. 3.2.- Форми камер зброджування

а - Овальна; б - Циліндрична; в - Цилиндроконические;

г - Похило-горизонтальна

нагрівальні пристрої. Біометаногенеза може протікати при різних температурних режимах: психрофільні (до 20 ° С), мезофільному (20-40 ° С) і термофильном (40-50 ° С). Підвищення температури збільшує швидкість зброджування субстрату. Одночасно зростає потреба в тепловій енергії на підтримку необхідної температури ферментаційної середовища в метантенке. В середньому на стабілізацію температури в мезофільному процесі витрачається 15-25% утворюється біогазу, а в термофильном - 35-50%.

Підігрів переробляється гною може здійснюватися перед його завантаженням або безпосередньо в метантенке. Найбільш характерні технічні рішення нагрівальних пристроїв наведені на рис. 3.3.

Гріє агентом в теплообмінних пристроях є вода. При малій швидкості руху ферментаційної середовища у поверхні нагрівача і температурі що гріє агента вище 60 ° С зважені речовини відкладаються на теплопередающей поверхні і коефіцієнт теплопередачі знижується. Найбільш ефективний нагрів зброджуваного матеріалу гострою парою або циркуляцією вмісту метантенка через обігрівається гарячою водою теплообмінник. Слід враховувати, що в першому випадку зростає вміст вологи в відводиться з метантенка біогазі.

 
 

Мал. 3.3.- Схеми нагрівальних пристроїв

а - Настінне опалення; б - Донне опалення;

в - Опалювальний циліндр; г - Теплообмінник;

д - Опалювальний змійовик; е - Нагнітання пара

Перемішування ферментаційної середовища.При переробці гною перемішування зброджуваного матеріалу є неодмінною умовою ефективної ферментації в зв'язку з тим, що відбувається вирівнювання температури в реакційному обсязі, ліквідується градієнт концентрації біомаси мікроорганізмів і зважених речовин по висоті апарату, поліпшується контакт бактерій з субстратом, інтенсифікуються массообменниє процеси.

Поширені системи перемішування середовища в метантенках представлені на рис. 3.4.

 
 

Мал. 3.4. - Схеми пристроїв для перемішування субстрату

а - Механічне перемішування; б - Гідравлічне перемішування,

в - Перемішування газом

Механічні перемішують пристрої доцільно застосовувати в метантенках невеликого обсягу (до 100 м3). Наявність сальникових ущільнень вала мішалки в реакторі знижує вибухонебезпечність пристрою. У великих метантенках ефективно гідравлічне перемішування або за рахунок барботажа біогазом, що нагнітається компресором з газової зони реактора, або з газгольдера. При перемішуванні біогазом виникає небезпека флотації включень і інтенсивного коркообразованія на поверхні середовища.

зберігання біогазу. У переважній більшості випадків доцільно використовувати біогаз в якості палива на місці його виробництва. При рівномірному споживанні біогазу забезпечують його резерв в обсязі не більше добової витрати в ємнісних апаратах-сховищах різного типу (рис. 3.5).

 
 

Мал. 3.5. - Типи газгольдерів

а - Поєднані низького тиску:

1 - Постійного обсягу; 2, 3 - Змінного обсягу;

б - роздільні низького тиску:

1, 2- Змінного обсягу «сухі»; 3 - Пневморегуліруемий;

4 - Роздільний середнього тиску; 5 - Роздільний високого тиску

Газгольдери виготовляються із сталевого листа, пластика, газонепроникних прогумованих тканин або синтетичних плівок. Вони можуть бути «сухими» і «мокрими», постійного або змінного обсягу, низького (<5 кПа), середнього (0,2-2,0 МПа) або високого (> 20 МПа) тиску.

Найчастіше в біогазових установках використовують газгольдери низького тиску (тиск в метантенках зазвичай знаходиться в межах 4-10 кПа). Високий тиск необхідно, якщо біогаз застосовується як пальне для транспортних засобів.

Беручи тиск біогазу після гідрозатвори метантенка 4 кПа, рекомендують при проектуванні системи збору і транспортування біогазу розраховувати діаметр газопроводів так, щоб тиск біогазу у споживача становило 1,2-1,5 кПа, а в газгольдері підтримувалося на рівні 3 кПа. Система утилізації біогазу забезпечується факельної «свічкою» (для спалювання біогазу), на яку може бути направлений утворився з яких-небудь причин надлишок біогазу.

На газгольдер припадає значна частка вартості біогазової установки, тому обсяг її розраховують на 2-4-годинний запас біогазу або на добовий запас для установок малої потужності з нерівномірною виробленням біогазу.

Конструкції біогазових установок. Незважаючи на простий апаратурний склад, існує безліч конструкцій біогазових установок, які розрізняються головним чином пристроєм основного апарату - метантенка, а також рівнем контролю і управління процесом. Можна виділити 4 типу установок:

- Без підігріву і перемішування сбраживаемой маси;

- Без підігріву, але з перемішуванням ферментаційної середовища;

- C підігрівом і перемішуванням зброджуваного субстрату;

- З попередньою підготовкою субстрату до зброджування, підігрівом і перемішуванням, з системою контролю і управління процесом анаеробного зброджування.

Найпростіші установки першого типу у великій кількості використовуються в країнах з жарким кліматом (Індія, Корея, Сінгапур та ін.). Розігрів, перемішування і зброджування маси в цих установках протікає некеровано і безконтрольно, що обумовлює велику тривалість процесу зброджування (40 і більше на добу) і низька питома вихід біогазу (не більше 0,5 м3 на 1 м3 корисного об'єму метантенка на добу). Підвищення температури зброджування до 30 ° С і перемішування ферментаційної середовища збільшує вихід біогазу в 2,0-2,5 рази (до 1,2 м3/ м3 на добу) і скорочує тривалість процесу до 20-25 діб. Підземне розташування метантенков обмежує можливості використання сучасних теплоізоляційних матеріалів, через що погіршуються теплотехнічні показники процесу.

Схема класичної біогазової установки для переробки гною приведена на рис. 3.6. Метаногенеза здійснюють, як правило, при температурі 30-37 ° С або 50-57 ° С. Вважають раціональної технологію двухстадийной ферментації зі змішаним температурним режимом. Першу стадію - кіслотогенную - проводять при температурі 30-37 ° С, другу - метаногенів - при 50-57 ° С. Така технологія дозволяє економити енергію при збереженні високої швидкості метаногенеза.

 
 

Мал. 3.6. - Технологічна схема виробництва біогазу

1 - Ферма; 2 - Навозоприемник; 3 - Насос; 4 - Метантенк; 5 - Газгольдер;

6 - Теплообмінник; 7 - Котел; 8 - Приймач сброженной маси

Ступінь розкладання органічної речовини гною при метановому сбраживании становить 30-40%. Зброджених гній видаляється з метантенка в накопичувач насосом або самопливом через шлюзову камеру. Сприяє підвищенню виходу біогазу попереднє диспергування твердих включень в потоці що надходить в метантенк гною за допомогою мішалки-подрібнювача.

У сучасних біогазових установках передбачається автоматичне регулювання температури зброджування, рівня ферментаційної середовища в метантенке, операцій із завантаження та розвантаження апарату. За рахунок стабілізації оптимальних параметрів технологічного процесу можна забезпечити вихід біогазу близько 2 м3 в розрахунку на 1 м3 метантенка. Встановлено, що на швидкість процесу і вихід біогазу впливає попередня підготовка гною, яка включає подрібнення включень і вистоювання гною при температурі метаногенеза до повного споживання кисню з робочою суспензії, в результаті чого створюються мікроаерофільні умови, що сприяють активізації кіслотогенних мікроорганізмів. Запатентовані способи попередньої хімічної обробки гною лугом або слабкою кислотою (до рН 3,5) з витримкою протягом 6-12 годин при температурі 35-200 ° С і подальшим коректуванням величини рН до оптимальної.

Сучасні технології передбачають відстоювання збродженого гною протягом 10-12 год, зневоднення сформованого осаду центрифугуванням з отриманням добрива і доочистку освітленої рідини і фугата на аеробних очисних спорудах. Можливе використання рідкої фракції в системі зрошення сільськогосподарських угідь. Зброджених гній вносять на поля в осінньо-весняно-літній період, в зв'язку з чим передбачають сховище рідкого гною місткістю на 3-місячний запас і склад для зберігання твердої фази збродженого гною. При анаеробної обробки гною фосфор і калій практично повністю зберігаються в сброженной масі. Втрати азоту в процесі метаногенеза не перевищують 5%.

Виходячи з накопиченого виробничого досвіду, в таблиці 3.1 представлені усереднені дані по виходу гною від сільськогосподарських тварин і птиці та кількості одержуваного з нього біогазу.

Таблиця 3.1



© 2016-2022  um.co.ua - учбові матеріали та реферати