2.3. Характеристики и энергетический потенциал биогаза

Технические классификации биомассы многочисленны и варьируются в зависимости от свойств исходного продукта, принимаемых за таксономический признак. В работе биомасса по составу и агрегатному состоянию подразделяется на сухую (древесина и т. п.), жидкую (сточные воды) и сахарную (твердые отходы сахарной промышленности) [14, с. 206].

Применяемые горючие газы в зависимости от их образования и характеристик горения делятся на группы (табл. 1).

Таблица 1.

Группы горючих газов в зависимости от их образования и

характеристик [21, с. 203]

	Группа	Наименование
NG	Натуральные газы	Природный газ Сжиженный природный газ: пропан, бутан ПНГ (попутный нефтяной газ)
NNG	Биогазы	Газ сточных вод Газ мусорных отходов - свалочный газ биомасс и прочие биогазы
	Синтетические газы	Газы с Н2 > 30 % объема (коксовый, древесный)

Биогаз - смесь газов растительного и животного происхождения, образующаяся при разложении органических отходов, высокоэнергетическое топливо с малым количеством вредных выбросов СО₂ [22, с. 120].

Биогаз содержит около 60-70 % метана, 30-35 - углекислого газа, 2-3 - азота, 1-2 - водорода и до 1 % кислорода, при этом низшая теплота сгорания не превышает 20-22 МДж/м³, а метановое число составляет 110-120 (рис. 3). Биогаз как моторное топливо по сравнению с нефтяными моторными топливами имеет более высокую детонационную стойкость, низкую эмиссию вредных веществ и наименьший зольный балласт [23, с. 7].

Рис. 3. Метановое число биогаза в сравнение с другими топливами [21, с. 206]

Теплота сгорания 1 м³ биогаза эквивалентна: сгоранию 0,6 л бензина, 0,85 л спирта, 1,75 кг дров или выработке 2 кВт*ч электроэнергии [21, с. 205-206].

Таким образом, общими особенностями биомассы, как энергетического топлива, являются:

• высокая реакционная способность;

• повышенная взрывоопасность и пожароопасность [7];

• крайне нестабильная влажность;

• неоднородный гранулометрический состав.

В то же время следует отметить достаточно высокие экологические характеристики биомассы:

• низкая зольность;

• низкое содержание серы;

• снижение загрязнения атмосферы таким парниковым газом, как СО₂, за счет рециркуляции углекислого газа;

• низкое содержание хлора в минеральной части [22, с. 123 - 127]

3. Условия, источники и субстраты образования биогаза

Биогаз выделяется при разложении органических веществ, закрытых от доступа воздуха. Речь идет об анаэробном процессе распада органической массы. Органические вещества (жиры, углеводы и белки) разлагаются микроорганизмами до молекулярного уровня. Такое анаэробное превращение обеспечивается различными штаммами бактерий. Схематически это можно представить как поэтапный процесс (рис. 4).

Исходный материал (белки, углеводы жиры)

Гидролиз

Простые органические составляющие

(аминокислоты, жировые кислоты, сахара)

Образование кислот

Другие продукты (молочные кислоты, спирты и др.)

Короткоцепочные жировые

кислоты

(пропионовые, масляные)

масляные)

Образование уксусных кислот

Уксусные кислоты

H₂ + CO₂

Выработка метана

Биогаз

CH₄ + CO₂

Рис. 4. Схематическое представление анаэробного разложения [25]

Первый этап разложения называется «гидролиз». На данном этапе вещества с длинной молекулярной цепью (углеводы, белки и жиры) разлагаются на более короткие составляющие, например моносахариды, глицерин, жировые кислоты и аминокислоты. Это происходит с помощью энзимов, которые вырабатываются и высвобождаются гидролитическими бактериями.

На втором этапе (окисление) ферментационные микроорганизмы принимаются за промежуточные продукты (моносахариды, жировые кислоты, аминокислоты) и включают их в свой обмен веществ. В качестве конечного продукта возникают преимущественно короткоцепочные жировые кислоты, например уксусная, пропионовая, масляная. В меньших количествах образуются молочные кислоты, спирты, водород и диоксид углерода.

Этап образования уксусной кислоты (ацетогенез) является переходом от окисления к выработке метана. Исходными субстратами являются конечные продукты фазы окисления, т. е. короткоцепочные жировые кислоты (например, пропионовая и масляная). Вместе с молочными кислотами, спиртами и глицерином эти вещества превращаются ацетогенными микроорганизмами в уксусные кислоты, водород и CO₂. Поскольку ацетогенные бактерии жизнеспособны только при низком содержании водорода, но сами его вырабатывают, следует отметить их симбиоз с метановыми бактериями. Последние используют водород как субстрат, обеспечивая, таким образом, достаточно низкое парциальное давление водорода.

Последним этапом является непосредственно производство метана (метаногенез). Задействованные бактерии являются строго анаэробными и очень чувствительны как к свету, так и к колебаниям температур. Метановые бактерии специализируются на ограниченном количестве веществ, примерно 70% из них перерабатывают уксусные кислоты, остальные 30% — известные виды водорода и диоксида углерода.

В завершение поэтапного процесса ферментации выделяется газовая смесь, которая с технической точки зрения и является биогазом. Ее состав не является неизменным, он колеблется в определенных пределах, обуславливая разный уровень качества в зависимости от того или иного содержания метана. Чем больше в полученном биогазе метана (CH₄), тем выше его калорийность. Чем больше доля легко разлагающихся веществ (например, крахмалов, жиров) в субстрате, тем больше выработка газа [25, с. 156].