Что такое биогаз?

Биогазом называется горючий газ, получаемый из натуральной биомассы в результате ее анаэробного (без доступа воздуха) брожения. В процессе разложения активно участвуют три вида микроорганизмов:

• гидролизные;
• кислотообразующие;
• метанообразующие.

Получение биогаза становится возможным благодаря переработке одних видов бактерий другими в определенной последовательности.

Производство биогаза является отличным решением проблемы переработки биологических отходов животноводческих хозяйств и получения дополнительной прибыли фермерскими предприятиями. Вследствие такого цикла утилизации становится возможным решение экологических проблем, связанных с концентрацией большого количества жидкого и твердого навоза, продуктов гниения растительного сырья и бытовых отходов.

Биогаз состоит преимущественно из метана (50-80%), двуокиси углерода (15-50%) и незначительного количества примесей аммиака, сероводорода, оксидов азота и других веществ. Используемый в производстве биометан получается в результате очистки от примесей. Его единственной отличительной особенностью от природного газа является происхождение из естественных разлагаемых источников.

Так как поставщиком энергии из данного материала выступает метан, все нормируемые показатели этого газа определяются в соответствии с нормативами присущими метану. Объем получаемого продукта измеряется в литрах или м3 на 1 кг ОСВ (органического сухого вещества). Негативное влияние на качество продукта может оказать повышенная влажность и высокая температура.

Замкнутая технология производства биогаза включает в себя следующие циклы:

1. Сбор и подготовка биомассы. Все поступающие в установку крупные фрагменты измельчаются, в случае если уровень влажности ниже нормы, субстанция разбавляется чистой нехлорированной водой.
2. Загрузка продукта в биореактор и его обслуживание. Полностью подготовленный отфильтрованный субстрат нагревают до нужной температуры и загружают в биореактор. Регулярно (1-3 раза в сутки) перемешивают во избежание расслоения массы. После появления положительного давления происходит поступление газа в газгольдер.
3. Утилизация отходов. Осевшие на дно плотные отходы являются отличным удобрением. Добавленные в почву улучшают ее структуру и качество. Жидкая прослойка, образовавшаяся сверху твердой субстанции также служит натуральным удобрением для ускорения роста растений.
4. Очистка газа. Очистительная технология биогаза состоит из нескольких этапов, влияющих на удаление конкретных веществ. Вода удаляется из продукта путем конденсации, а углекислый газ и сероводород при помощи сорбентов под высоким давлением. Процедура очистки осуществляется на промышленном оборудовании с применением точных показателей температуры и давления, что невозможно в домашних условиях.
5. Генерация тепловой и электрической энергии. Полученная на выходе тепловая и электрическая энергия может быть использована для нужд предприятия.

Для сухой ферментации органики используют твердый штабелируемый субстрат, для мокрой – жидкую биомассу, которая доставляется в емкость путем перекачки. Стоит отметить, что нельзя четко разграничить указанные виды окисления по каким-либо показателям. Установки сухого и мокрого сбраживания условно подразделяют на несколько групп по содержанию сухого вещества в субстрате.

Определенный режим загрузки обеспечивает анаэробные бактерии новыми порциями органики, и от него зависит эффективность образования биогаза. При непрерывной и квазинепрерывной загрузке биомасса поступает в реактор 1-2 раза/сутки небольшими порциями. В этом случае биогазовая установка работает с применением проточной или накопительно-проточной технологии. Накопительная технология ввиду разных технико-экономических параметров сейчас нецелесообразная.

Проточный метод ранее был наиболее популярен на производстве биогаза. Для него является характерным то, что одновременно происходит подача свежей порции в реактор и перемещение сброженной органики в специальное хранилище. Биомасса попадает в хранилище путем вытеснения или отвода определенным способом.

При проточной технологии реактор всегда заполнен — его опорожняют в случае проверки сооружения или выполнения планового ремонта. Метод обеспечивает оптимальный выход биогаза и высокую производительность реактора. Однако в процессе могут образовываться каналы, по которым субстрат удаляется из реактора и перемещается в хранилище в несброженном состоянии. В результате органические остатки дображивают в хранилище, что приводит к образованию биогаза. В большинстве установок с проточной технологией хранилище является открытым, и метанообразование в таких условиях является взрывоопасным процессом.

В накопительно-проточной технологии применяется закрытое хранилище в виде накопителя, перед которым устанавливается проточный реактор. Часть метана производится в накопительной емкости, и отводится из нее таким же образом, как из реактора проточного типа. Комбинированная технология позволяет повысить объем выхода газа и делает процесс сбраживания более равномерным.

Для производства биогаза используются промышленные установки. Такое оборудование характеризуется наличием механизации и автоматики, систем гомогенизации и подогрева. Современная биогазовая установка должна иметь следующую комплектацию:

• резервуар для гомогенизации;
• загрузчик биогазового сырья;
• реактор;
• смешивающее приспособление;
• газгольдер – специальное технологичное хранилище;
• систему смешивания воды;
• газовую станцию;
• насосное оборудование;
• сепаратор;
• контрольно-измерительные установки с визуализацией;
• контролирующие приборы;
• систему безопасности.

Специфика функционирования промышленной установки основана на периодической загрузке биомассы в реактор, с применением насосной станции или загрузчика.

Герметичный реактор, изготовленный из железобетона или стали с покрытием, представляет собой утепленный и подогреваемый резервуар, который оснащен миксерами. Работа его осуществляется без доступа воздуха. В реакторе находятся полезные микроорганизмы, жизнедеятельность которых обеспечивает биомасса. Для поддержания жизнедеятельности бактерий подается органическое сырье, которое подогревается до 35-38 °C и периодически перемешивается. Полученный биогаз скапливается в газгольдере. Следующий технологический процесс – очистка биогаза, посредством его прохождения через систему очистки. Конечный этап – подача потребителям в котел или электрогенератор.

Установки для производства биогаза можно возводить во всех регионах, где сконцентрированы сельскохозяйственные предприятия либо повязанные с ними отрасли промышленной индустрии. Полученная из биогаза электроэнергия дает возможность покрывать пиковые сетевые нагрузки, недостачу электроэнергии в случае применения нестабильных возобновляемых источников энергии, скажем, ветровых либо солнечных электростанций. В процессе использования на сельскохозяйственных угодьях биомассы, сброженной в биогазовых емкостях, происходит заметный агротехнический эффект – регенерация и увеличение плодородия, улучшение структуры поля, увеличение питательных элементов органического происхождения. Увеличение количества органических удобрений, за счет переработанного в биогазовых реакторах органического сырья, обеспечивает потребительские преимущества. Стимулируется формирование рынка чистой сельскохозяйственной продукции и повышается ее конкурентоспособность.

Повышение температурного режима никак не влияет на выход газа. Основным условием для поднятия производительности может служить увеличение объема перерабатываемого сырья. Это возможно при использовании более крупного биореактора. Общий объем биореактора рассчитывается опираясь на цикл всей переработки биомассы: мезофильный процесс (12-30 суток), термофильный процесс (3-10 суток).

Другими условиями для увеличения продуктивности получения биогаза являются максимальное измельчение материала, оптимальное количество воды и периодическое перемешивание, которые создают комфортные условия для микроорганизмов способствующих выводу метана.

Из навоза одной коровы можно получить в сутки до 4,2 м3 биогаза. Энергия, заключенная в одном м3 биогаза, эквивалентна энергии 0,6 м3 природного горючего газа, 0,74 л нефти, 0,65 л дизельного топлива, 0,48 л бензина и т.п. При применении биогаза экономятся также мазут, уголь, электроэнергия и другие энергоносители. Внедрение биогазовых установок улучшает экологическую обстановку на животноводческих фермах, птицефабриках и на прилегающих территориях, предотвращаются вредные стоки.

Чтобы получить сырье для биогаза можно использовать как агропромышленные органические отходы, растительное сырье, так и бытовые отходы. Наиболее популярными видами отходов являются:

• навоз животных и птичий помет;
• отходы овощных культур;
• некондиционный зерновой и овощной урожай;
• зерновая барда;
• отходы мясного и рыбного хозяйства;
• свекольный жом;
• отходы пиво- и молоко- заводов;
• бытовые органические отходы;
• остатки от производства из рапса.

Весь перерабатываемый материал должен соответствовать определенным нормам. Объем продукта, рассчитываемый на единицу ферментируемой биомассы напрямую зависит от степени влажности используемого сырья. Например, каждый тип навоза на выходе дает различный объем биогаза на килограмм биомассы с разным содержанием метана.

Наибольший процентный объем метана имеют свекольные отходы. Отсюда следует, что топливо, полученное на свекольно-сахарных заводах содержит максимальное количество биологического газа с наибольшим выходом. В зависимости от того, какое сырье используется происходит корректировка процедуры его производства.

При утилизации сухого или твердого материала применяется механическая загрузка в шнековый транспортер. Жидкое сырье попадает в резервуар самотеком. При необходимости дополнительного гидролиза или очистки биомассы, она проходит через еще один присоединенный к основному биореактор.

Биогаз получение которого обосновано не только обеспечением нужд потребителей эффективным топливом, но и сохранением экологии имеет обширную область применения в виде:

• сырья для электроэнергии;
• автомобильного топлива;
• удовлетворения энергетических потребностей малых и средних хозяйств;
• решения проблемы утилизации натуральных отходов.

Несмотря на то, что это дешевый и экологически безопасный источник энергии он только набирает популярность на территории страны. Развитие биогазовых технологий позволит осуществить на практике целый ряд положительных мер в сфере агропромышленного хозяйства.

Свойства биогаза являются одним из главных параметров, которые влияют на пригодность его использования в качестве топлива.

1. Нормальное содержание 55 – 65%. Минимальной считается 50-процентная концентрация.
2. Давление газа при сжигании в когенерационной установке находится в пределах от 1,5 до 10 кПа.
3. Качества газа оказывает влияние на стабильность работы и количество выпускаемых эмиссий.
4. Содержание вредных веществ.
5. Объем улавливаемого газа влияет на выбор типа когенерационной установки.

Имея значительное поголовье крупного рогатого скота, свиней и птицы Беларусия может получить огромный доход от нетрадиционных (альтернативных) источников энергии на основе использования биологических отходов. В планах г. Минска – строительство завода по переработке твердых бытовых отходов. Его мощность рассчитана на переработку 110 тысяч тонн мусора в год.

По отношению к традиционным способам получения электрической энергии производство биогаза имеет такие недостатки:

• Низкая скорость переработки биомассы.
• Выделяется на 30% меньшая теплота при сгорании, по сравнению с топливом из нефти.
• Процесс производства нуждается в сырье определенного качества — требуется наличие большого количества ферментов.
• При повышенном засеве сырья для биомассы нарушается экологическое равновесие территории.

К недостаткам биогаза относится и повышенная стоимость биологического метана, полученного в процессе производства.

Производство биогаза и его использование имеет множество обоснованных преимуществ, которые подтверждены мировой практикой. Наиболее весомы приоритеты:

• возобновляемая биомасса для производства электроэнергии;
• широкий ассортимент используемого сырья;
• универсальный способ энергетического применения;
• стабильное производство в течение года;
• снижение негативных факторов на окружающую среду;
• сокращение выброса в окружающую среду парниковых газов;
• создание дополнительных рабочих мест.