Получение биогаза

Биогаз — это смесь метана и углекислого газа, получаемая в специальных реакторах — метантенках, оборудованных и регулируемых таким образом, чтобы обеспечить максимальное выделение метана. Энергия, получаемая при сжигании биогаза, может достигать 90% энергии исходного материала. Однако биогаз получают из жидкой массы, содержащей 95% воды, поэтому на практике выход определить довольно трудно. Существенным преимуществом переработки биомассы в метантенках является то, что в отходах биомассы содержится значительно меньше болезнетворных микроорганизмов, чем в исходном материале.

Получение биогаза экономически оправдано и выгодно, когда перерабатывается постоянный поток отходов (стоки животноводческих ферм, скотобоен, поток растительных отходов и т.п.). Экономичность состоит в том, что нет необходимости предварительно собирать отходы и управлять их подачей, при этом видно, когда и сколько будет получено отходов.

Биогаз можно получать в установках различных размеров. Особенно выгодно использовать биогаз в агропромышленных комплексах, где возможен полный экологический цикл. Его используют для освещения, отопления, приготовления пищи, для приведения в действие различных механизмов, транспорта, электрогенератора.

Биогаз образуется при анаэробном сбраживании органических веществ (при отсутствии кислорода).

Последовательность процесса показана на рис. 1.1. На первом этапе сложные органические полимеры (клетки, белки, жиры и др.) под воздействием различных видов анаэробных бактерий разлагаются до более простых соединений: летучих жирных кислот, низших спиртов, водорода и оксида углерода, уксусной и муравьиной кислот, метилового спирта. На втором этапе бактерии превращают органические кислоты в метан, углекислый газ и воду.

Для нормального протекания процесса анаэробного сбраживания в реакторе должны быть созданы оптимальные условия: температура, анаэробные условия, достаточная концентрация питательных веществ, допустимый диапазон значений рН, отсутствие или низкая концентрация токсичных веществ.

Рис. 1.1. Процесс получения биогаза

Температура значительно влияет на ход процесса анаэробного сбраживания органических веществ. Наиболее благоприятна температура 30-40°С (развитие мезофильной бактериальной флоры), а также 50-60°С (развитие термофильной бактериальной флоры). Выбор мезофильного или термофильного режима работы определяется анализом климатических и экономических условий.

Помимо температурных условий на процесс метанового сбраживания и на количество получаемого газа влияет время обработки отходов.

При эксплуатации реакторов необходимо контролировать показатель рН, оптимальное значение которого — 6,7-7,6. Регулирование этого показателя осуществляется путем добавления извести.

Если реактор работает нормально, полученный биогаз содержит 60-70% метана, 30-40% двуоксида углерода, небольшое количество сероводорода, а также смеси водорода, аммиака и оксида азота.

Наиболее эффективны реакторы, работающие в термофильном режиме при 43-52°С. Если продолжительность обработки навоза составляет 3 суток, выход биогаза составляет 4,5 л на каждый литр полезного объема реактора.

Для интенсификации процесса выделения биогаза в исходную массу добавляют органические катализаторы, изменяющие соотношение углерода и азота в сбраживаемой массе (оптимальное соотношение C/N = 20:1-30:1). В качестве катализаторов используют глюкозу и целлюлозу.

Полученный при брожении биогаз имеет теплоту сгорания 5340-6230 ккал/кг (6,21-7,24 кВт-ч/кг).

В бродильных камерах необходимо обеспечивать эффективное перемешивание во избежание образования поверхностного слоя. Это значительно ускоряет процесс сбраживания и выход биогаза. Без перемешивания для получения такой же производительности объем реактора должен быть существенно увеличен, что приводит к лишним расходам и увеличивает стоимость установки.

Остаток, образовавшийся в процессе получения биогаза, содержит значительное количество питательных веществ и может быть использован как удобрение. Его состав зависит от химического состава загруженного в реактор исходного сырья. При благоприятных для брожения условиях разлагается около 70% органических веществ, а 30%) содержится в остатке. Основное преимущество анаэробного сбраживания заключается в том, что в органической или аммонийной форме сохраняется практически весь азот, содержащийся в исходном сырье.

Для обогрева дома годовая потребность в биогазе составляет около 45 м3 на 1м2 жилой площади. Для получения 1 кВт-ч электроэнергии необходимо использовать 0,15-0,2 м3 биогаза.

Индивидуальная биоэнергетическая установка представлена на рис. 1.2. Это бетонная емкость 1, в которую загружают органические отходы 2 через трубу 8. Для перемешивания используют ручную мешалку 4, вмонтированную в крышку 3 и герметизированную сальником 5. Для предотвращения повышения давления используют предохранительный клапан 7. Выход газа осуществляется через трубку 6, выгрузка шлака — через трубу 9.

Техническая характеристика индивидуальной установки: объем полезной загрузки — 5 м3, продолжительность брожения: навоза крупного рогатого скота — 20 суток, свиного навоза — 15 суток; выход биогаза — 250-350 м3; выход сухого удобрения — 450-500 кг.

По отечественным технологиям на специализированных биогазовых установках можно получать биогаз с содержанием метана до 85%.

Рис. 1.2. Индивидуальная биоэнергетическая установка

Биогаз можно получать как в больших животноводческих хозяйствах и на птицефермах, так и на небольших фермах. В США, например, насчитывается более 10 биогазовых заводов, в Западной Европе — около 1000 биогазовых установок, особенно пользуются спросом установки среднего размера. Несколько миллионов установок приусадебного типа есть в Индии. В Китае насчитывается более 10 миллионов крупных и средних биогазовых установок. Количество произведенного там биогаза эквивалентно использованию природного газа в Украине.