close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Komina Poluch i isp biog

код для вставкиСкачать
Г. П. КОМИНА, А. В. САУЦ
ПОЛУЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОГАЗА
В РЕШЕНИИ ЗАДАЧ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ
И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
Министерство образования и науки
Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
Г. П. КОМИНА, А. В. САУЦ
ПОЛУЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОГАЗА
В РЕШЕНИИ ЗАДАЧ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ
И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2017
1
УДК 628.473.2:547.11
Рецензенты: д-р техн. наук, профессор Т. А. Дацюк (СПбГАСУ);
канд. техн. наук В. Ю. Безруких (ООО «Балткотломаш», Санкт-Петербург)
Комина, Г. П.
Получение и использование биогаза в решении задач энергосбережения и экологической безопасности: учеб. пособие / Г. П. Комина, А. В. Сауц; СПбГАСУ. – СПб.,
2017. – 95 с.
ISBN 978-5-9227-0805-0
Приведена история развития биогазовых технологий, использование биогаза в РФ и за рубежом.
Рассмотрены условия образования, классификация, физико-химические свойства биогазов различного происхождения, исходное сырье, конструктивные характеристики биогазового оборудования, технологии
очистки биогаза от примесей, методики расчета характеристик биогазового оборудования, сопровождаемые
соответствующими примерами. Уделено внимание экологическим и экономическим аспектам использования биогазовых технологий.
Предназначено для студентов строительных, энергетических, экологических, биотехнологических
специальностей высших учебных заведений.
Табл. 20. Ил. 45. Библиогр.: 12 назв.
Рекомендовано Учебно-методическим советом СПбГАСУ в качестве учебного пособия.
ISBN 978-5-9227-0805-0
© Г. П. Комина, А. В. Сауц, 2017
© Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет, 2017
2
Введение
В период сокращения мировых запасов природного газа и нефти, увеличения рыночных цен на них альтернативным видам топлива уделяется большое внимание. Поэтому
поиск дополнительных источников, дающих возможность экономить традиционные виды
топлива, является необходимым и вполне своевременным. Наиболее перспективным газообразным топливом, получаемым в результате анаэробной ферментации органической биомассы, является биогаз, интерес к использованию которого в последние годы возрастает.
Увеличение выбросов парниковых газов, потребления воды, ее загрязнение, снижающееся плодородие земель, неэффективная утилизация отходов и растущие проблемы
с обезлесиванием – части неустойчивой системы использования природных ресурсов.
Биогазовые технологии являются одним из важных компонентов в цепи мер по борьбе
с вышеуказанными проблемами.
В пособии приведена история развития биогазовых технологий, использование
биогаза в РФ и за рубежом. Рассмотрены условия образования, классификация, физикохимические свойства биогазов различного отделения, исходное сырье, конструктивные
характеристики биогазового оборудования, технологии очистки биогаза от примесей, методики расчета характеристик биогазового оборудования, сопровождаемые соответствующими примерами. Уделено внимание экологическим и экономическим аспектам использования биогазовых технологий.
Учебное пособие предназначено для студентов строительных, энергетических, экологических, биотехнологических специальностей высших учебных заведений.
3
1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ БИОГАЗОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Отдельные случаи использования примитивных биогазовых технологий были зафиксированы в Китае (рис. 1.1), Индии, Ассирии и Персии начиная с XVII в. до н. э. Однако систематические научные исследования биогаза начались только в XVIII в. н. э.
Рис. 1.1. Простейшая китайская биогазовая установка
В XVII в. Ян Баптист Ван Гельмонт обнаружил, что разлагающаяся биомасса выделяет воспламеняющиеся газы. Алессандро Вольта в 1776 г. пришел к выводу о существовании зависимости между количествами разлагающейся биомассы и выделяемого газа.
В 1764 г. Б. Франклин в своем письме Дж. Пристли описал эксперимент, в ходе которого он смог поджечь поверхность мелкого заболоченного озера в Нью-Джерси, США.
Первое научное обоснование образования воспламеняющихся газов в болотах
и озерных отложениях дал А. Вольта в 1776 г., установив наличие метана в болотном газе.
После открытия химической формулы метана Дж. Дальтоном в 1804 г. европейскими учеными были сделаны первые шаги в исследованиях практического применения биогаза.
В 1808 г. сэр Хэмфри Дэви обнаружил метан в биогазе.
В 1859 г. была построена первая задокументированная биогазовая установка
в Бомбее, Индия.
Свой вклад в изучение биогаза внесли и российские ученые. Влияние температуры
на количество выделяемого газа изучил А. В. Попов в 1875 г. Он выяснил, что речные отложения начинают выделять биогаз при температуре около 6 °С. С увеличением температуры до 50 °С количество выделяемого газа значительно увеличивалось, не меняясь по
составу: 65 % метана, 30 % углекислого газа, 1 % сероводорода и незначительное количество азота, кислорода, водорода и закиси углерода. В. Л. Омельянский детально исследовал природу анаэробного брожения и участвующие в нем бактерии.
В 1881 г. начались опыты европейских ученых по использованию биогаза для обогрева помещений и освещения улиц.
В начале XX в. были продолжены исследования в области повышения количества
биогаза путем увеличения температуры брожения. Немецкие ученые Имхофф и Бланк
в 1914–1921 гг. запатентовали ряд нововведений, заключавшихся во введении постоянного подогрева емкостей. В период Первой мировой войны в связи с дефицитом топлива
4
началось распространение биогазовых установок в Европе. Хозяйства, где имелись такие
установки, находились в более благоприятных условиях, хотя установки были еще несовершенные и в них использовались далеко не оптимальные режимы.
Первый крупномасштабный завод по производству биогаза был построен в 1911 г.
в английском городе Бирмингеме и использовался для обеззараживания осадка сточных
вод этого города. Получаемый биогаз использовался для производства электроэнергии.
Таким образом, английские ученые являются пионерами практического применения этой
технологии. Уже к 1920 г. они разработали несколько типов установок для переработки
сточных вод. Первая биогазовая установка для переработки твердых бытовых отходов
(ТБО) объемом 10 м3 была разработана Неманом и Дюселье и построена в Алжире в 1938 г.
В 1930 г., с развитием микробиологии, были обнаружены бактерии, участвующие
в процессе производства биогаза.
Одним из важнейших научных шагов в истории развития биогазовых технологий
являются успешные эксперименты Бусвелла по комбинированию различных видов органических отходов с навозом в качестве сырья в 30-х годах XX в.
В 1939 г. в США была построена и успешно эксплуатировалась более 30 лет первая
биогазовая установка по переработке животноводческих отходов.
В годы Второй мировой войны, когда энергоносителей катастрофически не хватало, в Германии и Франции был сделан акцент на получение биогаза из отходов сельскохозяйственного производства, главным образом из навоза животных. Во Франции к середине 40-х годов эксплуатировалось около 2 тыс. биогазовых установок для переработки
навоза. В Венгрии существовали установки для производства биогаза. Это отмечали солдаты Советской Армии, освобождавшие Венгрию и удивлявшиеся, что в крестьянских хозяйствах навоз скота не лежал в кучах, а загружался в закрытые емкости, откуда получали
горючий газ.
В 1954 г. был построен первый завод по переработке коммунальных отходов с получением биогаза в Форт-Додже штата Айова, США. Биогаз подавался в двигатель внутреннего сгорания для выработки электроэнергии при мощности электрогенератора 175 кВт.
В 1948–1954 гг. в СССР была разработана и построена первая лабораторная установка. На протяжении существования СССР в исследованиях участвовали институты системы Академии наук, а прикладные исследования проводились в Академии коммунального хозяйства им. К. Д. Памфилова, Всесоюзном институте электрификации сельского
хозяйства, Украинском научно-исследовательском и проектном институте агропромышленного комплекса и др.
Применение технологии метанового сбраживания к сельскохозяйственным отходам
в СССР было начато Г. Д. Ананиашвили в 1948 г. в Тбилисском филиале ВИЭСХ, впоследствии ГрузНИИ МЭСХ (ГИМЭ). Там в 1948–1954 гг. была разработана и построена
первая в СССР лабораторная и производственная биоэнергетическая установка. Производственный вариант установки был рассчитан на утилизацию навоза от 10 коров. Переработка проводилась при мезофильном режиме (32–34 °С). Установка обеспечивала
удельный выход 1 м3 газа с 1 м3 реактора. Однако технология не получила широкого распространения из-за дешевизны энергоресурсов и отсутствия крупных животноводческих
хозяйств.
В Индии развитие простых биогазовых установок для сельских усадеб началось
в 50-х гг. XX в., хотя еще в 1859 г. в Бомбее на базе колонии больных проказой была построена первая биогазовая установка для переработки твердых и жидких отходов. Большое увеличение числа биогазовых установок, обеспеченное правительственной поддержкой, наблюдалось в 70-х гг.
Первые попытки развития биогазовой энергетики КНР сделала еще в 1958 г., когда
появилась программа комплексного использования биогаза для утилизации навоза
и улучшения санитарных условий в селе.
5
Однако первые серьезные шаги правительства КНР, осознавшего выгоды от использования биогаза как механизма модернизации сельского хозяйства, были сделаны
в середине 1970-х гг. (рис. 1.2). Именно тогда в сельских районах КНР стали появляться
установки переработки канализационных стоков, получившие название «Китайский купол» (рис. 1.3). Всего было построено более 6 млн таких установок, некоторые из них
можно встретить и сегодня.
Рис. 1.2. Мао Цзэдун и первые биогазовые инициативы
Рис. 1.3. Принципиальная схема «Китайского купола»
Новым импульсом для их развития стал энергетический кризис 70-х гг. XX в., когда началось внедрение биогазовых установок в странах юго-восточной Азии. Высокая
плотность населения и интенсивное использование всех пригодных для возделывания
6
сельскохозяйственных культур площадей земли, достаточно теплый климат, необходимый
для использования биогазовых установок в самом простом варианте, т. е. без искусственного подогрева сырья, легли в основу различных национальных и международных программ по внедрению биогазовых технологий.
В середине 70-х гг. в СССР в сельском хозяйстве стали применяться интенсивные
технологии, было создано много крупных животноводческих комплексов, которые столкнулись с проблемой утилизации навозных стоков. В этой связи интерес к биогазовым технологиям возрос, и в 1981 г. при Госкомитете по науке и технике СССР была создана специализированная секция по программе развития биогазовой отрасли. Предложения по
развитию микробиологической анаэробной технологии вошли в директивные документы
СССР, но не получили достаточного финансирования и остались невыполненными. За это
время была создана научная основа технологий микробиологической анаэробной переработки биомассы. Было построено несколько опытных установок, одна из которых в совхозе «Огре» Латвийской ССР (1982 г., 75 м3).
Вопросы для самоконтроля
1. Где и когда впервые человечество использовало биогаз?
2. Какие ученые внесли свой вклад в исследования процессов образования биогаза?
3. Как в быту и на промышленном уровне люди получали и использовали биогаз?
7
2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОГАЗА В РФ И ЗА РУБЕЖОМ
2.1. Использование биогаза в РФ
Биогазовые технологии не только экономически оправданы, но и могут решить
проблему утилизации отходов аграрно-промышленного комплекса (АПК) и развития инфраструктуры в сельских районах. АПК РФ ежегодно производит 773 млн т отходов, которые вывозятся с ферм и складируются. Это приводит к загрязнению грунтовых вод,
почв, атмосферы, отчуждению сельскохозяйственных земель (более 2 млн га ее заняты
под хранение навоза). Однако организовать утилизацию отходов очень сложно, так как ни
фермер, ни сельскохозяйственный кооператив не могут предоставить обеспечение по высоким кредитам. В таких условиях целесообразно привлечение инвесторов и государственные субсидии.
Согласно планам Правительства РФ установленная мощность электрогенерирующих установок на биогазе и биомассе к 2020 г. должна вырасти в 5,5 раз по отношению
к сегодняшним показателям – до 7850 МВт. Однако существенных шагов пока не предпринято. Участие биогазовой энергетики в программе надбавок к существующей цене на
оптовом рынке затруднено, так как обычно электроэнергия и тепло установок когенерации используются для собственных нужд организации и не продаются в сеть, а реальных
альтернатив этой системе поддержки не предложено. Если Правительство РФ собирается
достигать установленных целевых показателей, проблемой биогазовой энергетики следует
всерьез заниматься на федеральном уровне.
Большая часть регионов с развитым сельским хозяйством, соответственно, с высокой концентрацией ресурсов для производства биогаза (Белгородская обл., Краснодарский
край, Алтайский край и др.) являются энергодефицитными, и энергоснабжение сельхозпроизводителей здесь осуществляется по остаточному принципу. Во всех сельскохозяйственных регионах крайне низкая степень доступности объектов энергетической инфраструктуры, в частности только 37 % крупных и средних сельхозпроизводителей имеют
доступ к сетевому газу.
В количественном выражении суммарный энергетический потенциал отходов АПК
РФ достигает 81 млн т у. т. Если весь биогаз будет перерабатываться на когенерационных
установках, это позволит на 23 % обеспечить суммарные потребности экономики в электроэнергии, на 15 % – в тепловой энергии и на 14 % – в природном газе или же полностью
обеспечить сельские районы доступом к природному газу и тепловой мощности.
Белгородская обл. имеет высокоразвитый АПК. Сырьевой потенциал региона позволяет обеспечить функционирование биогазовых станций суммарной мощностью более
200 МВт – столько предполагает ввести к 2020 г. «Концепция развития энергосбережения
на основе использования возобновляемых источников энергии на территории Белгородской области». В 2007 г. в Белгородской обл. была построена биогазовая станция «Байцуры» (рис. 2.1), производящая также органическое удобрение. Она сможет переработать
38,69 тыс. м3 органики и произвести около 19 тыс. м3 удобрений. Ее производственная
мощность составила в год около 7,5 млн кВт·ч электроэнергии и 3 тыс. Гкал тепла. Поставщиком сырья является ООО «Стригуновский свинокомплекс», входящий в ГК «АгроБелогорье» с производственной мощностью 16 тыс. голов. Биогазовая станция позволяет
получать электрическую и тепловую энергию за счет утилизации животноводческих отходов мясоперерабатывающего завода и селекционно-гибридного центра «ГК “АгроБелогорье”». Объем выработки электрической энергии в год составит 19,6 млн кВт∙ч, тепловой – 18,2 тыс. Гкал, производство органических удобрений – 66,8 тыс. т/год.
8
Рис. 2.1. Биогазовая станция «Байцуры» Белгородской обл.
В АПК Ленобласти реализован проект, направленный на обеспечение экологической безопасности производств. Свиноводческие фермы Гатчинского района ЗАО «Новый
свет» и ОАО «Русбелго» производят около 2 МВт электроэнергии на собственной электростанции, работающей на биогазах от биологических отходов. На птицефабрике ЗАО
«Скворицы» построена установка по получению биогаза и удобрения в гранулах. В Ленобласти начато строительство крупнейшей в мире биогазовой электростанции мощностью
8 МВт, перерабатывающей до 500 т птичьего помета в сутки, поставляемого с ЗАО «Синявинская птицефабрика». При ее строительстве используются новейшие технологии
прямоточного ферментирования, не имеющие аналогов в Европе. Установки будут размещены под землей, что предотвратит распространение неприятного запаха.
2.2. Использование биогаза за рубежом
В большинстве развитых европейских стран переработка органических отходов
в биогазовых установках чаще используется для производства тепла и электричества.
В Германии сегодня имеется около 8000 больших установок анаэробного сбраживания, потенциал биогазовой индустрии оценивается в 100 млрд кВт·ч энергии к 2030 г.,
что будет составлять около 10 % от потребляемой страной энергии.
Количество биогазовых установок с объемами реакторов более 2000 м3 каждая
в Австрии составляет более 120, из них 25 находятся в стадии планирования и постройки.
Среди развитых стран ведущее место в использовании биогаза по относительным показателям принадлежит Дании (рис. 2.2). Биогаз занимает до 18 % в ее общем энергобалансе.
Рис. 2.2. Промышленная биогазовая установка в Дании
9
В Швеции 50 % необходимой тепловой энергии получают при обработке биомассы.
В Англии с помощью биогаза еще в 1990 г. удалось покрыть все энергозатраты
сельского хозяйства. В Лондоне действует крупнейший в мире комплекс по переработке
бытовых сточных вод.
Сейчас в США имеется несколько сотен крупных биогазовых установок, работающих на отходах животноводства, и тысячи установок утилизации городских сточных вод.
Биогаз используется в основном для получения электричества, отопления домов и теплиц.
Доля энергии, получаемой из биомассы в развивающихся странах, составляет около 30–40 % от всей потребляемой энергии, а в некоторых странах до 90 % (в основном
в Африке).
Среди развивающихся стран распространено производство энергии и тепла с помощью переработки отходов на небольших биогазовых установках (рис. 2.3).
Около 16 млн хозяйств по всему миру используют энергию для освещения, обогрева и приготовления пищи, производимую
в биогазовых установках. Это составляет
12 млн хозяйств в КНР, 3,7 млн в Индии
и 140 тыс. в Непале.
КНР сегодня является мировым лидером по внедрению биогазовой технологии в сельских районах. Ежегодный выпуск биогаза составляет 10,2 млрд м3.
В сельских районах КНР более 50 млн человек пользуются биогазом в качестве
топлива. Типичная биогазовая установка
объемом реактора 6–8 м3 производит
Рис. 2.3. Баллонная биогазовая установка
300 м3 биогаза, работает 3–8 мес. в год
в Кот-д`Ивуаре
и стоит около $ 200–250 в зависимости от
провинции. Большинство установок очень
просты, и после определенного обучения фермеры строят и эксплуатируют их самостоятельно. С 2002 г. правительство КНР выделяет около $ 200 млн в год на поддержку биогазовых технологий. Дотация на каждую установку составляет до 50 % ее стоимости.
В Индии, Вьетнаме, Непале и других странах строят малые биогазовые установки
для приготовления пищи. Правительство Индии предоставляет субсидии для их строительства и эксплуатации, обучения фермеров, открытия и работы сервисных центров.
В Непале существует программа поддержки развития биогазовой энергетики,
предоставляющая техническую экспертизу, финансирование и строительство биогазовых
установок объемом реакторов 4–20 м3, благодаря которой в сельской местности к 2009 г.
было создано 200 тыс. малых биогазовых установок. Кроме предоставления энергии
и удобрений в Непале было замечено уменьшение тяжести женского труда за счет сокращения времени на сбор дров, а также увеличение ресурсосбережений от замены биогазом
25 л керосина и 3 т дров и угля в год.
На Филиппинах установки производят биогаз для работы моторов, которые мелят
рис и работают на ирригацию. Использование биогаза маленькими коммерческими компаниями в Индии, Индонезии, Шри-Ланке в текстильной промышленности или для просушки специй, кирпичей, резины окупалось менее чем за один сезон.
Применение биогазовых технологий для утилизации сточных вод широко используется в Азии (особенно в Индии) и Латинской Америке. Сельскохозяйственные биогазовые установки широко используются в развивающихся странах для производства энергии,
удобрений и решения проблем загрязнения вод навозными стоками.
10
Крупнейшим центром по разработке биогазовых установок в бывшем СССР был
Запорожский конструкторско-технологический институт сельскохозяйственного машиностроения, создавший несколько лабораторно-опытных образцов. Но до государственных
приемочных испытаний была допущена только одна конструкция КОБОС-1, которая была
успешно испытана на базе опытной молочной фермы-лаборатории и одобрена для серийного выпуска на заводе в г. Шумихе Курганской обл. Она предназначалась для ферм на
400 голов молочных коров или 4000 свиней. Завод выпустил 10 комплектов оборудования,
но после распада СССР финансирование прекратилось. Внедрена была только одна на
ферме крупного рогатого скота в Каменецком районе Брестской обл. Республики Беларусь. Она перерабатывает 50 м3 навоза и производит биогаза 400–500 м3/сут.
Одна из попавших в Кыргызстан установок была переоборудована ОФ «Флюид»
ассоциации «Фермер» и установлена на базе свинокомплекса ОсОО «БЕКПР» на 4000 голов в селе Лебединовка Чуйской обл. в 2003 г. (рис. 2.4), другая используется в качестве
водосборника в частном хозяйстве Ошской обл.
Рис. 2.4. Установка в ОсОО «БЕКПР»
Сегодня в странах СНГ возрос интерес к получению энергии и биоудобрений путем переработки сельскохозяйственных отходов. Этому способствуют высокая стоимость
энергоресурсов и удобрений, а также ухудшающееся состояние окружающей среды. Однако из-за низкой информированности фермеров о практических путях внедрения биогазовых технологий и высокой начальной стоимости биогазовых установок общее число
биогазовых установок в странах СНГ не превышает нескольких сотен.
Вопросы для самоконтроля
1. Назовите основные проблемы развития отечественной биогазовой энергетики.
2. Назовите крупнейшие биогазовые станции, расположенные на территории РФ.
3. В каких зарубежных странах используется биогаз?
11
3. ОБРАЗОВАНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ, СОСТАВ И СВОЙСТВА БИОГАЗОВ
3.1. Условия и процесс образования биогаза
3.1.1. Сырье для получения биогаза
Для производства биогаза используют следующие отходы: навоз, птичий помет,
бытовые отходы, траву, зерновую и мелассную послеспиртовую барду, пивную дробину,
свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки, каныга), молокозаводов (соленая и сладкая молочная сыворотка), отходы производства
биодизеля (технический глицерин), соков (жом фруктовый, ягодный, овощной, виноградная выжимка), крахмала и патоки (мезга и сироп), переработки картофеля (очистки, шкурки, гнилые клубни, кофейная пульпа). Кроме отходов можно использовать такие энергетические культуры, как силосная кукуруза, сильфий, водоросли.
В биогазовых расчетах используется понятие сухого вещества или сухого остатка.
Вода, содержащаяся в биомассе, не дает газа. На практике из 1 кг сухого вещества получают 300–500 л биогаза. Выход биогаза зависит от содержания сухого вещества и вида
используемого сырья. Рекомендуемая влажность сырья летом 92–95 %, а зимой 88–90 %.
Чтобы подсчитать выход биогаза из конкретного сырья, необходимо провести лабораторные испытания или посмотреть справочные данные и определить содержание жиров, белков и углеводов. При определении последних важно узнать содержание в процентах быстроразлагаемых (фруктоза, сахароза, крахмал) и трудноразлагаемых веществ
(например, целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин). Определив содержание веществ, можно
вычислить выход газа для каждого вещества по отдельности и затем сложить результаты.
Из 1 т навоза крупного рогатого скота в результате анаэробной переработки получается 50–65 м3 биогаза с содержанием метана 60 %, 150–500 м3 биогаза из различных видов растений с содержанием метана до 70 %, из навоза молочных коров – 350 м3, из навоза
откормочного крупного рогатого скота – 450 м3, из свиного навоза – 500 м3, из птичьего
помета – 660 м3. Большее содержание метана в биогазе получают при загрузке различных
органических компонентов по сравнению с загрузкой лишь одного компонента. Например, при переработке навоза крупного рогатого скота и птичьего помета содержание метана в биогазе может подняться до 70 %.
При ферментации экскрементов от одного животного можно получить объем биогаза в сутки: крупного рогатого скота (живая масса 500–600 кг) – 1,5 м3, свиньи (живая
масса 80–100 кг) – 0,2 м3, курицы или кролика – 0,015 м3.
3.1.2. Способы переработки биомассы для получения биогаза
Биогаз образуется в основном в результате разложения органических отходов
с участием сообществ микроорганизмов. Различают 4 характерные фазы разложения органической составляющей отходов, приведенные в табл. 3.1.
Аэробное разложение сопровождается тепловыделением, повышающим температуру биомассы до 70 °С. Если температура выше, то микроорганизмы начинают гибнуть,
за исключением Bacillus и Desulfovibrio, комфортно переносящих температуру до 90 ºС.
Длительность I фазы составляет до 3 дней в биореакторах, на очистных сооружениях
и около 1 года в полигонах и свалках ТБО. Во время этой фазы биогаз содержит более 60 %
углекислого газа и гореть не может.
Наиболее высокое содержание метана в биогазе (50–70 %) происходит во время II
и III фаз. Анаэробное разложение таким высоким тепловыделением, как аэробное, не сопровождается, но при этом большинство метаногенных бактерий относятся к мезофиль12
ной или термофильной группе. При температуре ниже 33 °С метаногенез значительно
снижается, а ниже 10 °C практически прекращается. При температуре 3–4 ºС они выживают, но прекращают свою жизнедеятельность. Если температура окружающей среды
становится ниже 10 °C, то поддержание благоприятной температуры для метаногенеза
осуществляется за счет тепловыделений от анаэробных процессов. Помимо этого, многие
процессы биохимического разложения сопровождаются образованием влаги, которая способствует размножению микроорганизмов.
Таблица 3.1
Характеристика фаз разложения отходов
Номер и название фазы
I – аэробное разложение
и гидролиз
II – кислое анаэробное
разложение с непостоянным выделением метана)
III – анаэробное разложение с постоянным
выделением метана
IV – затухание анаэробных процессов
Род микроорганизмов,
участвующих в данной фазе
Бактерии Pseudomonas, Actinomyces, грибки Mortierella,
Mycogone
Бактерии Clostridium, Pseudomonas, Bacillus, Methanobacterium
Продукты (в том числе промежуточные),
характерные для данной стадии разложения
Углекислый газ, вода, жирные кислоты, аминокислоты, низкомолекулярные спирты, глицерин, аммиак, серный газ, гликольальдегид
Углекислый газ, вода, водород, ацетаты, летучие жирные кислоты
Бактерии Bacillus, Desulfovibrio, Methanobacterium,
Methanococcus
Актиномицеты Actinomyces,
грибки Penicillium, Mycogone, бактерии Cytophaga и
Azotobacter
Уксусная кислота, метан, углекислый газ,
вода
Метан, углекислый газ, вода
На последней IV фазе содержание метана в биогазе снижается до 10–40 % в зависимости от условий разложения биомассы.
Для сбраживания некоторых видов сырья в чистом виде кроме микроорганизмов
требуются химические добавки. Например, для кислой меласной барды используется щелочь. Возможна переработка этих же субстратов по одностадийной технологии без химических добавок, но при смешивании с другими видами сырья, например с навозом или силосом.
Различают теоретический (физически возможный) и технически возможный выход
газа. С 1950-х до 1970-х годов технически возможный выход газа составлял всего 20–30 %
от теоретического. Сегодня применение ферментов, бустеров для искусственной деградации сырья (например, ультразвуковых или жидкостных кавитаторов) и других приспособлений позволяет увеличивать выход биогаза на самой обычной установке с 60 до 95 %.
Помимо микроорганизмов, для получения биогаза можно использовать газификацию биомассы, заключающуюся в ее подогреве или частичном сжигании с максимальным
выходом газообразного топлива. При температуре свыше 350 °C начинает выделяться газовая смесь, состоящая в основном из водорода, азота, угарного газа и малых долей метана и углекислого газа с удельной теплотой сгорания в н. у. 4–8 МДж/м3.
3.2. Классификация и состав биогазов
Под биогазами подразумеваются метансодержащие газы, которые образуются при
анаэробном разложении органической биомассы. В зависимости от источника получения
биогазы подразделяются на три основных вида:
– газ метантенков, получаемый при обезвреживании стоков на очистных канализационных сооружениях (БГ КОС);
– биогаз, получаемый в биогазовых установках при сбраживании отходов сельскохозяйственных производств (БГ СХП);
13
– газ свалок, получаемый на полигонах отходов, содержащих органические компоненты (БГ ТБО).
Состав и количество биогаза не являются постоянными и зависят от вида перерабатываемого субстрата и от технологии
производства биогаза. Состав биогаза можно уточнить с помощью газохимических
исследований. На рис. 3.1 приведена схема
отбора биогаза для исследования его химического состава.
Усредненный состав данных биогазов приведен в табл. 3.2.
Газ метантенков городских канализационных очистных сооружений характеризуется более стабильным составом. СоРис. 3.1. Схема отбора биогаза для определения его держание метана в них на разных очистных
сооружениях составляет 60–65 % по объехимического состава:
1 – газоанализатор; 2 – гибкая соединительная труб- му. Более значительные колебания состава
ка; 3 – контейнер (пакет) для сбора биогаза;
газа наблюдаются при переработке отходов
4 – газосборная трубка; 5 – поверхность полигона
сельскохозяйственного производства, при
ТБО, биореактора или метантенка
этом в газе присутствует довольно значительное количество сероводорода, от которого требуется очистка.
Таблица 3.2
Классификация и состав биогазов
Содержание компонентов, % об.
Компоненты
биогаза
БГ КОС
БГ СХП
БГ ТБО
СН4
СО2
N2
О2
Н2
СО
H2S
60–65
34–16
0–3
–
–
–
–
55–75
44–27
0–3
–
0,01–0,02
0,01–0,02
< 1,0
0–65
0–34
0–82
0–31,6
0–3,6
2,8
0–0,007
Процессы образования первых двух видов биогазов протекают в стационарных
устройствах. Технологические параметры процесса (расход и влажность субстрата, температура брожения, длительность сбраживания) более или менее управляемы. Иная ситуация наблюдается на полигонах и свалках ТБО, где биоразложение слоев отходов происходит с течением времени (пригодный к использованию биогаз образуется примерно через
10–15 лет), причем зависит от температурно-влажностного, кислородного режима, газопроницаемости грунта и др.
Так как только метан поставляет энергию из биогаза, то целесообразно для описания качества, количества и выхода газа все относить к метану с его нормируемыми показателями. Объем газов зависит от температуры и давления. Высокие температуры приводят к расширению газа и к уменьшаемому вместе с объемом уровню калорийности,
и наоборот.
Влияние влаги на содержание метана связано с тем, что растворимость углекислого
газа в воде намного выше, чем метана (например, при 20 °C растворимость углекислого
14
газа составляет 1685 мг/л, а метана – 24 мг/л). Кроме того, при возрастании влажности калорийность газа также снижается. Чтобы выходы газа можно было сравнить между собой,
необходимо их соотносить с н. у.
3.3. Свойства биогазов
3.3.1. Физико-химические и горючие свойства биогаза
Компонентный состав биогазов определяет их физико-химические свойства. Основные характеристики компонентов биогаза приведены в табл. 3.3.
Таблица 3.3
Характеристики компонентов биогаза
Показатели
СН4
СО2
N2
O2
H2
CO
H2S
Молекулярный объем, м3/кмоль
Плотность при н.у., кг/м3
Относительная плотность по воздуху
Теплота сгорания:
низшая, МДж/м3
высшая, МДж/м3
Число Воббе:
низшее, МДж/м3
высшее, МДж/м3
Теоретически необходимое количество
воздуха для горения, м3/м3
Жаропроизводительность, °С
Пределы воспламенения смеси
с воздухом при н. у.:
нижний, % об.
верхний, % об.
Температура воспламенения смеси
с воздухом, °С
22,38
0,717
0,554
22,262
1,977
1,529
22,395
1,251
0,968
22,393
1,429
1,105
22,425
0,900
0,070
17,609
1,25
0,967
22,14
1,536
1,188
35,76
40,16
–
–
–
–
–
–
10,83
12,80
12,68
12,68
23,65
25,85
48,23
53,30
–
–
–
–
–
–
41,03
48,49
12,9
12,9
21,70
23,72
9,52
–
–
–
0,5
2,38
2,38
2045
–
–
–
2210
2370
–
5,0
15,0
–
–
–
–
–
–
4,0
75,0
12,5
74,0
4,3
45,5
545
–
–
–
510
610
290
Так как азот, кислород, водород и другие примеси содержатся в большинстве биогазов в малом количестве и предполагается очистка газа от сероводорода, то можно принять допущение, что смесь состоит лишь из метана и диоксида углерода. Если объёмное
соотношение СО2 обозначить х, то содержание СН4 выразится величиной (1 – х). Тогда
плотность биогаза, кг/м3, при н. у. можно определить как
ρ = 0,717 + 1,25x.
(3.1)
Относительная плотность по воздуху
d = 0,554 + 0,97x.
(3.2)
Низшая теплота сгорания Qн, МДж/м3, при н. у. без учета теплоты от конденсации
содержащихся в продуктах сгорания водяных паров определится как
Qн = 35,8(1 − х) .
15
(3.3)
Высшая теплота сгорания биогаза Qв, МДж/м3 (с учетом теплоты, выделяющейся
при конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания):
Qв = 39,8(1 − х).
(3.4)
Зависимости нормальной и относительной плотности биогаза от содержания метана, % об., представлены на рис. 3.2, а низшей и высшей теплоты сгорания биогаза –
на рис. 3.3.
а
б
Рис. 3.2. Плотность биогаза: а – при н. у., кг/м3; б – относительная по воздуху
Рис. 3.3. Высшая (1) и низшая (2) теплота сгорания биогаза
В большинстве тепловых установок теплота от конденсации водяных паров, входящих в состав продуктов сгорания, не используется, и расчеты ведутся на низшую теплоту сгорания. Однако при контактном нагреве воды в специальных контактных теплооб16
менниках, где горячие продукты барботируют через нагреваемую воду, возможно полное
использование высшей теплоты сгорания газа.
Концентрационные пределы воспламеняемости (взрываемости) газов характеризуют способность смесей горючего газа с окислителем в определенных пропорциях воспламеняться или взрываться. Нижний предел соответствует минимальному, а верхний – максимальному процентному содержанию газа в газовоздушной смеси, при котором возможно воспламенение смеси и самопроизвольное распространение пламени.
Существование пределов воспламеняемости вызвано теплопотерями в окружающую среду при горении газа. Если содержание горючего газа в газовоздушной смеси
меньше нижнего предела воспламеняемости (бедная газовоздушная смесь), подожженная
смесь воспламеняться, гореть и взрываться не может, так как выделяющейся вблизи источника зажигания теплоты недостаточно для подогрева смеси до температуры воспламенения. Если содержание газа в смеси превышает верхний предел воспламеняемости (богатая газовоздушная смесь), то количества воздуха в смеси недостаточно для полного сгорания газа и, следовательно, выделяющееся количество теплоты ниже теплового эффекта
реакции полного сгорания. Горение может продолжаться при наличии постоянного источника поджигания, а при удалении его прекращается.
Если содержание газа в смеси с воздухом находится в диапазоне между пределами
воспламеняемости, подожженная смесь воспламеняется и горит как вблизи источника зажигания, так и при удалении его. Такая смесь является горючей и взрывоопасной.
Значения пределов воспламеняемости смеси биогаз–воздух, % об., можно определить
из соотношения
lбиог = lСН 4 /(1 − ах),
(3.5)
где lбиог – верхний или нижний предел воспламеняемости биогаза, %; lСН 4 – верхний или
нижний предел воспламеняемости метана в смеси с воздухом, %; х – доля балластных
примесей в биогазе; а – коэффициент воспламеняемости: для нижнего предела а = 1,12;
для верхнего предела а = 0,7.
Воспламенение смеси биогаз–воздух возможно при содержании метана в биогазе
не менее 23,5 % по объему.
Изменения в составе газа влияют и на устойчивость горения, которая тесно связана
со скоростью распространения пламени. Нормальная скорость распространения пламени –
это скорость, отнесенная к холодной, еще не воспламенившейся смеси, с которой пламя
перемещается по нормали к ее поверхности. Для биогазов скорость распространения пламени uн, см/с, можно найти по формуле
ин = 0,43cСН 4 − 5,5,
(3.6)
где cСН 4 – содержание метана в биогазе, % об.
Нормальная скорость распространения пламени биогазов изменяется в диапазоне
19–28 см/с. Это влечет за собой уменьшение скорости, при которой происходит отрыв
пламени, почти вдвое по сравнению с природным газом. Поэтому при сжигании биогазов
требуется применение надежных методов стабилизации пламени.
3.3.2. Расчеты горения биогаза
Горение метана в воздухе описывается уравнением
CH4 + 2O2 + 7,52N2 → CO2 + 2H2O + 7,52N2.
17
(3.7)
Азот непосредственно не участвует в протекании реакции (3.7), но его присутствие
в парах в объемном содержании 70–75 % является обязательным, так как он отвечает за
значительную долю тепла, содержащегося в газообразных продуктах сгорания.
На основе этого уравнения с учетом доли СО2 в биогазе определяются потребность
в воздухе для горения, количество и состав продуктов сгорания.
Теоретический расход сухого воздуха Lт, м3/м3:
Lт = 9,52(1 – x).
(3.8)
Изменение расхода воздуха для сжигания биогазов при различных значениях коэффициента α показано на рис. 3.4.
Рис. 3.4. Расход сухого воздуха для сжигания биогаза
при различных коэффициентах избытка воздуха
′ , м3/м3:
Объем влажных продуктов сгорания Vп.с
′ = 10,52 − 9,52 х .
Vп.с
(3.9)
Объем сухих продуктов сгорания Vп.с равен объему продуктов сгорания 1 м3 газа
после конденсации водяных паров:
Vп.с = 8,52 – 7,52x.
(3.10)
При сжигании биогаза с коэффициентом избытка воздуха α содержание СО2 в сухих продуктах сгорания, % об.:
18
VСО 2 =
100
.
α(9,52 − 8,52 х )
(3.11)
Максимальное содержание углекислого газа в сухих продуктах сгорания, % об.:
VСО 2 = 100 / (8,52 − 7,52 х ) .
(3.12)
Зависимости содержания СО2 в продуктах сгорания биогаза от процентного содержания метана при содержании азота в биогазе 2 % об. представлены на рис. 3.5.
Рис. 3.5. Содержание СО2 в сухих продуктах сгорания для газа,
состоящего из смеси СН4 и СО2 с 2%-ным содержанием N2 при различных α
3.3.3. Взаимозаменяемость биогаза и природного газа
Взаимозаменяемость газов – это возможность их устойчивого сжигания в тепловых
установках и приборах без изменения конструкции газогорелочных устройств при сохранении номинальной тепловой мощности. Устойчивая работа газогорелочных устройств
характеризуется работой горелок без отрыва и проскока пламени при полноте сгорания
газа, близкой к 100 %. Такое возможно при поддержании постоянства теплоты сгорания,
скорости распространения пламени и других характеристик сжигаемого газа. Первые два
показателя характеризуют тепловой поток в газогорелочном устройстве.
Число Воббе низшее Woн и высшее Woв, МДж/м3, характеризует тепловую мощность и аэродинамические параметры горелки при постоянном давлении и находится
по формулам
Wo н = Qн / d ;
(3.13)
Wo в = Qв / d ,
(3.14)
где d – относительная плотность газа по воздуху.
19
Для биогазов низшее значение чисел Воббе определится из соотношения:
– низшее
Woн = 35,8(1 − х) / 0,554 + 0,97 х ;
(3.15)
– высшее
Wo в = 39,8(1 − х) / 0,554 + 0,97 х .
(3.16)
Горючие газы считаются взаимозаменяемыми, если число Воббе отличается не более чем на ± 5 %, а скорости распространения пламени близки. При содержании метана,
характерном для биогазов, они не являются взаимозаменяемыми с природным газом, поэтому необходимо сжигать их в специальных биогазовых горелках, которые обычно дороже обычных газовых горелок. Лишь при малых добавках биогаза к природному газу (до
10 %) возможно сжигание такой смеси в существующих газогорелочных устройствах.
Обобщенная характеристика биогазов приведена в табл. 3.4.
Таблица 3.4
Основные свойства и характеристики горения биогазов
Параметр
Значение
Содержание метана, % по объему
Плотность при н. у., кг/м3
Относительная плотность по воздуху
Низшая теплота сгорания, МДж/м3
Высшая теплота сгорания, МДж/м3
Теоретический объем воздуха для горения, м3/м3
Содержание СО2 в сухих продуктах сгорания, % об.
Нормальная скорость распространения пламени, см/с
Число Воббе низшее, МДж/м3
Число Воббе высшее, МДж/м3
Нижний концентрационный предел воспламеняемости, % об.
Верхний концентрационный предел воспламеняемости, % об.
50–80
1,40–0,98
1,05–0,75
18,0–27,5
20,0–31,5
4,8–7,6
21,0–14,3
16–22
17,6–33,1
19,5–36,8
3,1–1,7
10–6,5
Рассмотрим пример расчета физико-химических и горючих свойств биогаза. Определим основные свойства и выполним расчет горения биогаза, содержащего по объему:
метана – 62 %, диоксида углерода – 36 %, азота – 1 % и кислорода – 1 %.
Решение. Определим долю балластных примесей в биогазе:
x = [100 – (CO2 + N2 + O2)]/100 = [100 – (36 + 1 + 1]/100] = 0,38,
где СО2, N2, О2 – содержание компонента в биогазе, % об.
Далее определяем основные свойства биогаза:
– плотность биогаза при н. у.
ρ = 0,717 + 1,25 ∙ 0,38 = 1,19 кг/ м3;
– относительная плотность по воздуху
d = 0,554 + 0,97 ∙ 0,38 = 0,92;
– низшая теплота сгорания биогаза
20
Qн = 35,8(1 – 0,38) = 22,2 МДж/м3;
– высшая теплота сгорания
Qв = 39,8(1 – 0,38) = 24,68 МДж/м3;
– нижний предел воспламеняемости биогаза
Lбиог.н = 5/(1 – 1,12 ∙ 0,38) = 8,7 %;
– верхний предел воспламеняемости
Lбиог.в = 15/(1 – 0,7 ∙ 0,38) = 20,4 %;
– нормальная скорость распространения пламени
uн = 0,43 ∙ 62 – 5,5 = 21,16 см/с;
– число Воббе низшее
Woн = 22,2/0,92 = 23,11 МДж/м3;
– число Воббе высшее
Woв = 24,68/0,92 = 25,69 МДж/м3;
– теоретический расход сухого воздуха для горения:
Lт = 9,52(1 – 0,38) = 5,9 м3/м3;
– объем влажных продуктов сгорания:
′ = 10,52 − 9,52 ⋅ 0,38 = 6,9 м3/м3;
Vп.с
– объем сухих продуктов сгорания:
Vп.с = 8,52 – 7,52 ∙ 0,38 = 5,66 м3/м3;
– максимальное содержание углекислого газа в сухих продуктах сгорания:
VСО 2 = 100 /(8,52 − 7,52 ⋅ 0,38) = 17,66 % об.
Вопросы для самоконтроля
1. Из какого сырья получают биогаз?
2. Назовите способы переработки биомассы для получения биогаза?
3. Назовите основные виды и вещества, содержащиеся в биогазах?
4. Приведите физико-химические и горючие свойства биогаза.
21
4. КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ ОСНОВНОГО БИОГАЗОВОГО
ОБОРУДОВАНИЯ
4.1. Биореакторы
4.1.1. Общие требования, предъявляемые к биореакторам
Для получения биогаза на участке необходимо выбрать место для строительства
армированной железобетонной или при небольшом количестве отходов металлической
емкости, называемой биореактором. Состояние всех металлических элементов необходимо регулярно контролировать и места повреждений тщательно защищать лучше всего
свинцовым суриком в один или два слоя, а затем в два слоя любой масляной краской. Для
объемов биомассы менее 30 м3 допускается изготовлять реакторы из полиэфирной смолы,
армированной стекловолокном (стеклопластиком), или композиционных материалов.
Чтобы грунтовые воды, атмосферные осадки не разрушали биореактор, требуется его
наружная гидроизоляция.
Существуют также эластичные биореакторы, используемые в странах Восточной
Азии. Они состоят из плотной прорезиненной или пластмассовой оболочки, усиленной
тканевыми прослойками и имеющей форму пузыря, которая для восприятия статических
нагрузок заглублена в полусферическую выемку в грунте.
В емкость биореактора, заглубленную в грунт, подают органические отходы, которые в процессе брожения выделяют биогаз. Если используется сухое или твердое сырье,
то его механически загружают в шнековый транспортер, поставляющий продукт брожения в реактор. Если в качестве сырья используются стоковые воды или навоз, то оно может попадать в емкости самотеком, откуда с помощью насосов, по мере надобности, подается в биореактор.
Размер биореактора определяется количеством органических отходов. Полноценная работа возможна, если его заполнить на 67 % от имеющегося объема. После того как
процесс брожения стабилизируется, следует загружать сырье в биореактор ежедневно, но
не более 10 % от перерабатываемой в нем массы.
4.1.2. Схемы простейших биореакторов
На рис. 4.1 приведены схемы простейших биореакторов. Согласно приведенным на
рис. 4.1, а размерам оборудуют яму 1 и купол 3. Яму облицовывают железобетонными
плитами толщиной 10 см, которые штукатурят цементно-песчаным раствором и для герметичности покрывают смолой. Из кровельного железа сваривают колокол высотой 3 м,
в верхней части которого будет скапливаться биогаз. Для поддержания постоянной температуры биореактор можно располагать в отдельно стоящем быстровозводимом здании.
В верхней части колокола устанавливают патрубок 4 для отвода биогаза и манометр 5 для
измерения его давления. Газоотводящий патрубок 6 можно изготовить из резинового
шланга, пластмассовой или металлической трубы. Вокруг ямы-ферментатора устраивают
бетонную канавку-гидрозатвор 2, наполненную водой, в которую погружают нижний бортик колокола на 0,5 м.
На рис. 4.1, б приведен наиболее распространенный вид конденсатоотводчиков
с сифоном, представляющих собой U-образную трубку, присоединенную к шлангу в самой нижней его точке. Длина свободной ветви трубки должна быть больше, чем давление
биогаза, выраженное в мм вод. ст. По мере того как в трубку стекает конденсат из трубопровода, вода выливается через ее свободный конец без утечки газа. Однако в целях безопасности необходимо следить за высыханием сифона. Недостатком их является необхо22
димость поддержания высоты запирающего столба жидкости на уровне максимального
давления. При значительных разрежениях и коэффициенте надежности 1,5 требуется экстремальная высота столба жидкости, а значит, и глубина шахты. Это может привести к
тому, что отведение конденсата со свободным уклоном, например, к дренажным трубопроводам, не представляется возможным, и поэтому может потребоваться перекачка конденсата в отдельный сборный резервуар с периодическим откачиванием и вывозом автоцистерной.
Во втором варианте биореактора (рис. 4.1, в) в яму глубиной 2 м вводят трубку ∅4,
обкладывают внутри кровельным железом, листы которого плотно сваривают. Внутреннюю поверхность сварного резервуара покрывают смолой для антикоррозионной защиты.
С наружной стороны верхней кромки резервуара из бетона устраивают кольцевую канавку
5 глубиной до 1 м, которую заливают водой. В нее свободно устанавливают вертикальную
часть купола 2, закрывающую резервуар. Таким образом, канавка с залитой в нее водой
служит гидрозатвором. Биогаз собирается в верхней части купола, откуда через выпускной патрубок 3 и далее по трубопроводу 4 (или шлангу) подается к месту использования.
В круглый резервуар 1 загружается около 12 м3 органической массы, которая заливается
жидкой фракцией навоза (мочой) без добавления воды. Через неделю после заполнения
биореактор начинает работать. В данной установке емкость биореактора составляет 12 м3,
что дает возможность сооружать ее для 2–3 семей, дома которых расположены недалеко.
Такую установку можно построить на подворье при выращивании на подряде бычков или
содержании нескольких коров.
Схемы простейших малогабаритных биореакторов приведены на рис. 4.1, г–ж.
Стрелками обозначены технологические перемещения исходной органической массы, газа, ила. Конструктивно купол может быть жестким или изготовленным из полиэтиленовой
пленки. Жесткий купол можно выполнить с длинной цилиндрической частью для глубокого погружения в перерабатываемую массу «плавающим» (рис. 4.1, г) или вставленным
в гидравлический затвор (рис. 4.1, д). Купол из пленки можно вставить в гидрозатвор
(рис. 4.1, е) или изготовить в виде цельноклееного большого мешка (рис. 4.1, ж). В последнем исполнении на мешок из пленки укладывают груз 9, чтобы мешок не очень раздувался, а также для образования под пленкой достаточного давления.
Биогаз, скапливающийся под куполом или пленкой, поступает по газопроводу
к месту использования. Во избежание взрыва газа на выпускном патрубке можно установить отрегулированный на определенное давление клапан. Однако опасность взрыва газа
маловероятна, так как при значительном повышении давления газа под куполом последний будет приподнят в гидравлическом затворе на критическую высоту и, выпустив газ,
опрокинется.
Выработка биогаза может быть снижена из-за того, что на поверхности органического сырья в биореакторе при брожении образуется корка. Для того чтобы она не препятствовала выходу газа, ее разбивают, перемешивая массу в ферментаторе. Перемешивать
можно не вручную, а путем присоединения снизу к куполу металлической вилки. Купол
поднимается в гидравлическом затворе на определенную высоту при накоплении газа
и опускается по мере его использования.
Если сырье требует дополнительной очистки и гидролиза, то система получения
биогаза будет включать в себя два и более соединенных вместе биореактора.
Чтобы обеспечить безопасность эксплуатации, необходимо контролировать давление внутри емкости, для чего устанавливается манометр. Кроме того, необходимо предусмотреть монтаж предохранительного клапана, который обеспечит сброс избытка газа при
повышении давления внутри емкости выше допустимого.
Биореактор необходимо подвергать периодической чистке, для чего в основании
биореактора предусматривается отверстие и трубопровод для удаления отработанной
биомассы. Отверстие должно плотно закрываться, чтобы система была герметичной.
23
Чем меньше частички биомассы, тем больше площадь взаимодействия для бактерий и, соответственно, скорость брожения. Кроме того, его проще перемешивать, смешивать и подогревать без образования плавающей корки или осадка.
а)
в)
б)
д)
г)
е)
ж)
Рис. 4.1. Схемы простейших биореакторов:
а – с пирамидальным куполом: 1 – яма для навоза; 2 – канавка-гидрозатвор; 3 – колокол для сбора газа;
4, 5 – патрубок для отвода газа; 6 – манометр; б – устройство для отвода конденсата: 1 – трубопровод для
отвода газа; 2 – U-образная трубка для конденсата; 3 – конденсат; в – с коническим куполом: 1 – яма для
навоза; 2 – купол (колокол); 3 – расширенная часть патрубка; 4 – труба для отвода газа; 5 – канавкагидрозатвор; г–ж – схемы вариантов простейших установок: 1 – подача органических отходов; 2 – емкость
для органических отходов; 3 – место сбора газа под куполом; 4 – патрубок для отвода газа; 5 – отвод ила;
6 – манометр; 7 – купол из полиэтиленовой пленки; 8 – водяной затвор; 9 – груз; 10 – цельноклееный полиэтиленовый мешок
4.1.3. Схемы биореакторов с подогревом биомассы
Ускорить процесс брожения биомассы также можно путем ее подогрева. В регионах с суровыми климатическими условиями в зимнее время без подогрева эксплуатация
24
установки невозможна. В биореакторе с подогревом сбраживаемой массы происходит выделение тепла за счет разложения навоза в аэробном ферментаторе (рис. 4.2).
Рис. 4.2. Схема биореактора с подогревом:
1 – ферментатор; 2 – деревянный щит; 3 – цилиндрическая металлическая емкость
с заливной горловиной; 4 – метантенк; 5 – механическая мешалка; 6 – патрубок
для отбора биогаза; 7 – теплоизоляционная прослойка; 8 – решетка; 9 – сливной
кран для переработанной массы; 10 – воздуховод; 11 – воздуходувка
Ферментатор 1 можно сделать прямоугольным из деревянных материалов. Для выгрузки обработанного навоза боковые стенки выполнены съемными. Пол ферментатора
решетчатый, через технологический канал 10 воздух продувают из воздуходувки 11.
Сверху ферментатор закрывают деревянными щитами 2. Чтобы уменьшить потери тепла,
стенки и днище изготавливают с теплоизоляционной прослойкой 7. В метантенк 4 через
горловину 3 заливают предварительно подготовленный жидкий навоз влажностью 88–92 %,
уровень жидкости определяют по нижней части заливной горловины. Аэробный ферментатор 1 через верхнюю открывающуюся часть заполняют подстилочным навозом или смесью навоза с рыхлым сухим органическим наполнителем (солома, опилки) влажностью
65–69 %. При подаче воздуха через технологический канал в ферментаторе начинает разлагаться органическая масса и выделяется тепло. Его достаточно для подогрева содержимого метантенка. В результате происходит выделение биогаза. Он накапливается в верхней части метантенка. Через патрубок 6 его используют для бытовых нужд. В процессе
сбраживания навоз в метантенке перемешивается мешалкой 5.
Индивидуальная биогазовая установка (ИБГУ-1), схема которой приведена на рис. 4.3,
может в сутки перерабатывать 100–300 кг навоза и производить 3–12 м3 биогаза. Установка может работать в любой климатической зоне. К серийному производству этих установок приступил ОАО «Тульский завод “Стройтехника”» и ОАО «Ремонтно-механический
завод “Орловский”» (г. Орел).
Подогрев биореактора выполняется следующими способами:
– устройством системы трубопроводов с циркулирующей горячей водой (змеевик)
под основанием биореактора;
– прокладкой греющего электрокабеля вокруг корпуса биореактора;
– помещением электрических тэнов непосредственно в биомассу.
25
Рис. 4.3. Схема индивидуальной биогазовой установки ИБГУ-1:
1 – заливная горловина; 2 – мешалка; 3 – патрубок для отбора газа;
4 – теплоизоляционная прослойка;
5 – патрубок с краном для выгрузки переработанной массы;
6 – термометр
Существенно повысить скорость анаэробных процессов переработки навоза может
постоянное или периодическое перемешивание органической массы. Для этого можно
установить вал с лопастями, приводимый в движение электрическим или другим двигателем, способный ускорить получение биогаза из навоза на 30–40 %. При монтаже приводного механизма стоит помнить о необходимости герметизации емкости, поэтому вал установки должен быть оснащен сальниками или манжетами другого типа.
С точки зрения статической прочности, создания условий для перемещения жидкого субстрата, отвода осадков и разрушения плавающей корки предпочтительнее использовать яйцеобразный резервуар. Цилиндрический резервуар создает худшие условия для перемещения субстрата, а из-за большой поверхности контакта сред требует более высоких
энергозатрат на удаление осадка и разрушение плавающей корки, однако его преимуществом является относительно простая технология изготовления.
4.2. Газогенераторы, работающие на отходах
Для получения биогаза также используются газогенераторы, вырабатывающие биогаз (синтез-газ) путем газификации биомассы.
Процесс газификации характеризуется практически нулевым уровнем выбросов,
по сравнению с традиционным сжиганием отходов, а побочные продукты газификации
(азот, сера, шлак) являются малоопасными для окружающей среды.
Процесс газификации отходов состоит из следующих технологических этапов:
а) транспортировка;
б) сортировка (рис. 4.4);
в) подготовка крупногабаритных отходов;
г) подача отходов в газогенератор;
д) организация процесса газификации (рис. 4.5);
е) утилизация твердых отходов после газификации.
26
Рис. 4.4. Схема процесса сортировки отходов
Рис. 4.5. Схема процесса термического обезвреживания отходов
Вышеуказанная технология газификации отходов реализована на опытнопромышленной установке, разработанной ООО «Балткотломаш» в Санкт-Петербурге
(рис. 4.6).
27
Рис. 4.6. Опытно-промышленная установка газификации отходов ООО «Балткотломаш»:
1 – приемный бункер или склад топлива «живое дно»; 2 – транспортер (шнековый, ленточный, скребковый);
3 – шлюзовой затвор; 4 – газогенератор; 5 – переходная камера; 6 – вторичный воздух; 7 – жаротрубный
котел; 8 – газоход; 9 – дымосос; 10 – труба
Складирование ТБО осуществляется на складе, который может быть оборудован
тельферным погрузчиком, подвижным полом и т. д. ТБО по транспортеру поступает в газификатор, который не чувствителен к фракционному составу мусора (допускается небольшой процент мелочи и крупных 12 кусков до 100 мм). В газификаторе мусор газифицируется, а шлак в мелкодисперсном составе поступает на дожоговую колосниковую решетку, где происходит горение всех углеродных частиц в шлаке. Газы при газификации
поступают в переходную камеру, где поступает вторичный воздух, и сгорают в топочном
объеме жаротрубного котла. Передав тепло в котле, продукты сгорания поступают
в мультициклон, где очищаются от взвешенных частиц, затем через дымосос выбрасываются дымовой трубой. Газогенератор работает непрерывно, что позволяет весь отопительный период обеспечивать теплом потребителей.
Данный способ газификации позволяет поддерживать температуру процесса выше
950 ºС, а установка адиабатического циклона после газификатора продлевает нахождение
вредных веществ в высокотемпературной зоне более двух секунд, обеспечивая полное
окисление углеводородов и безопасность продуктов сгорания.
4.3. Системы хранения биогаза
Обычно биогаз выходит из реакторов неравномерно с давлением не более 5 кПа,
которого с учетом гидравлических потерь газотранспортной сети недостаточно. К тому же
пики производства и потребления биогаза могут не совпадать по времени. Для выравнивания неравномерности производства и потребления биогаза используются газгольдеры.
Условно их можно разделить на «прямые» и «непрямые». В «прямых» постоянно находится некоторый объем газа, закачиваемый в периоды спада потребления и отбираемый
при пиковой нагрузке. «Непрямые» газгольдеры предусматривают аккумулирование не
самого газа, а тепловой энергии промежуточного теплоносителя (воды, воздуха), нагреваемого продуктами сгорания сжигаемого газа.
Биогаз в зависимости от его количества и направления последующего использования можно хранить под разным давлением, соответственно и газохранилища называются
газгольдерами низкого (до 5 кПа), среднего (5–300 кПа) и высокого (0,3–1,8 МПа) давления.
В практике использования биогазовых установок часто используются газгольдеры
низкого давления, предназначенные для хранения газа при незначительно колеблющемся
давлении и значительно изменяющемся объеме газа. Принципиальная схема газгольдеров
низкого давления приведена на рис. 4.7.
28
а)
б)
Рис. 4.7. Принципиальная схема газгольдеров низкого давления:
а – мокрый; б – сухой; 1 – резервуар; 2 – колокол; 3 – ролики; 4 – газопровод; 5 – шайба;
6 – уплотнение; 7 – ограничитель хода
Газгольдеры среднего и высокого давления устраиваются по принципу неизменного объема и меняющегося давления. Они бывают цилиндрические и сферические. Цилиндрические газгольдеры (рис. 4.8) имеют геометрический объем 50–270 м3.
а)
б)
Рис. 4.8. Цилиндрические газгольдеры высокого давления:
а – горизонтальный; б – вертикальный; 1 – обечайка; 2 – днище; 3 – манометр; 4 – фундамент;
5 – газопровод
Вместимость газгольдеров высокого давления может быть от нескольких литров
(баллоны) до десятков тыс. м3 (стационарные газгольдеры). В баллонах биогаз хранится,
как правило, в случае использования его для заправки транспортных средств. Основные
преимущества газгольдеров высокого и среднего давления – небольшие габариты при
значительных объемах хранимого газа и отсутствие движущихся частей, а недостатки –
необходимость в компрессорных установках и редукторах давления газа перед газогорелочными устройствами.
4.4. Транспортировка биогаза
Для транспортировки биогаза от источника к потребителю можно использовать металлические, пластмассовые трубы или резиновые шланги, но лучше использовать трубы
из полиэтилена низкого давления, так как массив ТБО обладает высокой просадочностью,
29
а биогаз и фильтрат – высокой коррозионной активностью. Полиэтиленовые газопроводы,
обладая приемлемой механической прочностью, эластичностью и коррозионной стойкостью, в отличие от металлических, имеют меньшую массу, легче свариваются и не требуют электрохимической защиты. Металлические трубы для защиты от коррозии нужно
изолировать битумно-полимерными, битумно-минеральными, полимерными покрытиями
или двумя слоями грунтовки, затем двумя слоями краски, лака или эмали. Разъемные соединения полиэтиленовых труб со стальными трубами, компенсаторами и запорной арматурой выполняют на втулках под фланец. Запорная арматура газопровода также делается
из материалов, коррозионностойких к биогазу.
Газопровод предпочтительно прокладывать в глубокой траншее ниже уровня промерзания грунтов, чтобы исключить разрывы из-за замерзания зимой конденсировавшейся воды.
Если транспортировка газа с помощью шланга осуществляется по воздуху, то
в низших точках шланга может собираться конденсат, вызывая сначала барботирование
газа и колебания давления, затем импульсивный отвод газа и полное запирание трубопровода конденсатом. Правильное распознание причины прекращения отбора биогаза и даже
перекладка газопровода очень дорогостоящи и не гарантируют неповторение произошедшего, поэтому для недопущения скопления конденсата прокладка газопровода осуществляется под уклоном и с оснащением конденсатоотводчиками.
Для отведения конденсата разработаны системы с помощью газовой трубки, когда
устанавливается управляемый импульсом давления орган регулирования расхода, который при колебании давления попеременно дросселирует или запирает трубопровод, а затем снова полностью открывается. Благодаря этому в трубопроводе скачкообразно создается полный вакуум и тем самым обусловливается его опорожнение.
Вопросы для самоконтроля
1. Назовите основные требования, предъявляемые к строительству и эксплуатации
биореакторов.
2. Каким образом можно увеличить скорость образования биогаза в биореакторах?
3. Изложите суть технологии получения биогаза (синтез-газа) с помощью газогенераторов, работающих на отходах.
4. Изложите основные требования, предъявляемые к системам хранения биогаза.
5. Изложите основные требования, предъявляемые к системам транспортировки
биогаза.
30
5. ОБОРУДОВАНИЕ ПОЛИГОНОВ И СВАЛОК ТБО ДЛЯ СБОРА БИОГАЗА
5.1. Газодренажные скважины на полигонах и свалках ТБО
Откачка биогаза из полигонов и свалок ТБО производится с помощью газодренажных скважин. Для этого выполняется топографическая съемка полигона ТБО, затем его
делят на очереди с периодом эксплуатации 3–5 лет, каждая из них делится на рабочие карты высотой 2 м и площадью 8–10 тыс. м2. Очередь эксплуатации полигона разбивается по высоте на зоны глубиной 8–10 м. На основании рабочей карты возводятся скважины (рис. 5.1).
Рекомендуется разбивать полигоны на зоны размещения быстро и медленно разлагаемых отходов и учитывать существование таковых при выборе мест расположения скважин.
Обезвоженный
осадок
сточных вод
Обезвоженный
осадок
сточных вод
Свалочный
грунт
Свалочный
грунт
Рис. 5.1. Схема устройства газодренажной скважины для действующих полигонов ТБО:
1 – асбестоцементные трубы с перфорацией ∅100; 2 – железобетонное кольцо К-7-10;
3 – асбестоцементная труба без перфорации ∅100; 4 – сетка C-1; 5 – стальной футляр
∅200, l = 1000 мм; 6 – просмоленная прядь; 7 – люк чугунный ∅700; 8 – сборная железобетонная плита КП-12; 9 – железобетонное кольцо К-10-10; 10 – бетон марки М-200;
11 – газопровод ∅100; 12 – цементная стяжка; 13 – монолитный железобетон марки М-200;
14 – мягкая глина; 15 – бетон М-200; 16 – щебень фракций 15–30 мм
К скважинам через каждые 2 м по высоте подводятся 3–4 дренажных сети длиной
10–15 м каждая (рис. 5.2).
Для бурения скважин используется, как правило, шнековое оборудование, позволяющее бурить скважины до ∅500. При наличии в теле полигонов строительных конструкций, обломков и т. д., затрудняющих бурение и приводящих к частой поломке буро31
вого инструмента, как правило, используется спецтехника. Для изучения характеристик
свалочного тела рекомендуется сначала проводить разведочное бурение.
Рис. 5.2. Схема устройства дренажных сетей полигона:
а – дренажная сеть из четырех отводов; б – дренажная сеть
из трех отводов; 1 – обсадная труба без перфорации;
2 – железобетонное кольцо ∅1000; 3 – крупнозернистый
щебень или гравий; 4 – перфорированная дренажная труба;
5 – слой изоляции
Дренажная сеть состоит из перфорированных асбестоцементных труб ∅50–60
и щебня фракции 30–60 мм. На устье скважины монтируется металлический или пластмассовый короб, являющийся ее опорой и герметизирующий обсадную трубу. Через дрены биогаз направляется в газосборную сеть. На первой очереди, покрытой изолирующим
слоем, монтируются устья скважин, запорная арматура, патрубки, газоанализаторы, газопроводы промежуточные, затем магистральные.
Для сбора биогаза с закрытых полигонов пробуриваются скважины ∅150 на всю
глубину слоя захоронения отходов. Пространство между скважиной и обсадной трубой
засыпается крупнозернистым щебнем и заливается бетоном на глубину 0,5 м (рис. 5.3).
Площадь вокруг скважины на расстоянии 1,5–2 м изолируется слоем бетона или глины
толщиной 30–40 см.
Средний радиус сбора биогаза вблизи скважины доходит до 50 м. Сооружение системы может осуществляться как целиком на всей территории полигона, так и на отдельных его картах. Скважины располагаются в виде квадратной сетки с расстоянием друг от
друга не менее 30 м и соединяются между собой газопроводами.
Способ сбора биогаза на полигонах ТБО в оврагах и складах местности был усовершенствован В. В. Верстовым и А. С. Кысыыдак в 2003 г. (рис. 5.4 и 5.5).
32
Рис. 5.3. Схема газодренажной скважины для закрытых полигонов ТБО:
1 – оголовок скважины; 2 – колодец; 3 – бетон; 4 – изоляционный слой;
5 – обсадная труба без перфорации; 6 – перфорированная обсадная труба;
7 – щебень
Биогаз
Фильтрат
Рис. 5.4. Разрез вертикального колодца и горизонтальных труб вдоль и поперек оврага, заполненного ТБО
33
Рис. 5.5. Разрез вдоль оврага в период заполнения третьего слоя первой карты и план устройства
вертикальных колодцев и горизонтальных труб, разбивка полигона на карты заполнения.
Обозначения на рис. 5.4 и 5.5:
1 – дно оврага; 2 – откосы оврага; 3 – гидроизоляция дна; 4 – водонепроницаемый слой грунта; 5 – первое
кольцо колодца из полимерного листового материала; 6 – днище колодца из полимерного листового материала; 7 – вертикальный колодец для отвода и удаления биогаза и фильтрата; 8 – заглушка вертикального колодца; 9 – слои ТБО; 10 – горизонтальные перфорированные трубы для сбора биогаза и фильтрата; 11 – заглушка на концах горизонтальных дренажных труб; 12 – разделяющий слой инертного материала;
13 – наружная изоляция поверхности полигона; 14 – фильтрат; 15 – полимерная труба для отвода фильтрата;
16 – погружной водоподъемник; 17 – газосборник; 18 – канава
Количество газодренажных скважин nскв и площадь их сечения Sскв, м2, рекомендуется подбирать, исходя из условия
пскв S скв =
Q
86,4Tтёпл ϑ биог
,
(5.1)
где Q – годовой выход биогаза, тыс. м3/год; ϑ биог – скорость движения биогаза в скважинах, не выше 0,1 м/с; Ттепл – теплый период года, дней, в пределах которого температура
воздуха выше 8 °С.
Приведем пример расчета по формуле (5.1). На действующем полигоне ТБО за год
образуется 3476,96 тыс. м3 биогаза. Теплый период года составляет Ттепл = 244 дня. Требуется подобрать оптимальное количество газодренажных скважин. Тогда
пскв S скв =
3476,96
= 1,6493 м 2 .
86,4 ⋅ 244 ⋅ 0,1
Площадь сечения скважины ∅100 составит:
3,14 ∙ 0,12/4 = 0,00785 м2.
Расчетное количество скважин:
nскв = 1,6493/0,00785 = 210,1019 ≈ 210 скважин.
Из газодренажных скважин биогаз по газопроводам поступает на пункты сбора
и очистки с помощью вакуумной системы для сбора биогаза на полигонах ТБО, приведенной на рис. 5.6.
Основные уравнения для расчета характеристик вакуумной системы:
– проводимость трубопровода Ui, м3/с,
Ui = Qi / ∆pi;
34
(5.2)
– производительность откачки газа Sо, м3/с,
n
So =
Sн  U i
i =1
n
Sн +  U i
,
(5.3)
i =1
где Qi – поток биогаза от i-й скважины, Па·м3/с; ∆pi – заданный перепад давлений между
коллектором и откачиваемыми колодцами; Sн – быстрота действия насоса (определяется
экспериментально), м3/с.
Рис. 5.6. Схема вакуумной системы для сбора биогаза на полигонах ТБО:
1 – вакуумный насос; 2–7 – газодренажные скважины; 8 – коллектор; 9 – трубопроводы;
p – давление; l – длина трубопровода; lк – длина коллектора;
L – расстояние от колодца до коллектора
Собранный биогаз необходимо очищать и собирать в газгольдерах. Подробно способы очистки биогаза изложены в следующей главе.
При близком расположении элементов системы сбора биогаза к краю или поверхности полигона в составе газа появляется воздух, т. е. кислород и азот. При высоком
уровне грунтовых вод биогаз насыщается водяными парами. Доля избыточного воздуха
или водяных паров может быть обусловлена как местными условиями (степенью уплотнения отходов, наличием изоляции основания, открытой или изолированной поверхностью полигона), так и типом и способом эксплуатации установки сбора биогаза (например, величиной создаваемого разрежения). С возрастанием количества подсасываемого
воздуха уменьшается содержание метана в биогазе, а тем самым и теплота сгорания газовой смеси.
35
5.2. Газоизоляция грунтов от биогаза на полигонах и свалках ТБО
Чтобы биогаз не распространялся в грунте, необходима изоляция полигона. Плотный грунт, обладающий низкой газопроницаемостью, на котором расположен полигон,
является хорошим барьером на пути распространения биогаза в земле. Для уменьшения
распространения биогаза в атмосфере и проникновения кислорода в тело полигона его поверхность можно покрывать слоем грунта толщиной не менее 30–40 см. Кроме плотного
грунта также используются синтетические геомембраны и глиноматы.
На рис. 5.7 приведена схема устройства геомембраны по дну и откосам оврага основания полигона ТБО.
Рис. 5.7. Схема устройства геомембраны по дну и откосам оврага:
1 – канава для размещения концов в будущем полигоне; 2 – рулон гидроизоляционного материала;
3 – откосы и днище, покрытые гидроизоляционными рулонами; 4 – котлованы для будущих
дренажных колодцев; 5 – направление хода работ
На старых полигонах ТБО использовали экраны из рубероида, полиэтилена высокого давления. К сожалению, рубероид трескается при температуре ниже 0 °С, подвержен
воздействию многих органических соединений (масла, растворители и т. д.). Полиэтилен
высокого давления сильно подвержен растрескиванию под давлением со стороны грунта
и отходов, при малой толщине легко прокалывается и раздирается, уязвим при воздействии газами, его не рекомендуется использовать при хранении легко окисляемых материалов. Поэтому по истечении определенного промежутка времени экраны из таких материалов не могли обеспечить должную изоляцию. Сегодня большую популярность приобрело
использование в качестве экранов пленок из термопластичных эластомеров, которые
имеют хорошую сопротивляемость маслам, топливам и воде, воздействию погодных
и климатических условий, высокую механическую прочность и износостойкость.
Для придания массиву механической устойчивости, фиксации положения покрытия
поверхности полигона выполняют его террасирование с устройством подпорных стен,
дамб обвалования и т. д.
5.3. Расчет выхода биогаза на полигонах и свалках ТБО
5.3.1. Расчет выхода биогаза с использованием методики АКХ им. К. Д. Памфилова
Для расчета выхода биогаза на полигонах и свалках ТБО используется более 15 методик, принятых в разных странах. В РФ для расчетов используется методика АКХ
им. К. Д. Памфилова.
36
Удельная масса биогаза Qw, т/(т отх.), при метановом брожении 1 т влажных отходов за период активной стабилизированной генерации определяется по формуле
Qw = 10–6R(100 – φ)(0,92Ж + 0,62У + 0,34Б),
(5.4)
где R – содержание органических веществ в отходах, %; Ж – содержание жироподобных
веществ, %; У – содержание углеводоподобных веществ, %; Б – содержание белковых веществ, %; φ – влажность отходов.
Период полного сбраживания быстро разлагающейся органической части отходов
Тсбр, лет, определяется как
Тсбр = 10 248 ∙ (tср.тепл) – 0,301966/Ттепл ,
(5.5)
где Ттепл – теплый период года, дней, в пределах которого температура воздуха выше 8 °С;
tср.тепл – средняя из среднемесячных температура воздуха в районе полигона за теплый период года, °С.
Количественный выход биогаза Руд, т/год, отнесенный к 1 т отходов т/(т отх.∙год),
определяется по формуле
Руд = Qw / Тсбр .
(5.6)
Плотность биогаза ρбиог, кг/м3, определяется как
n
c
ρ биог = 0,01
об i
ρi ,
(5.7)
i =1
где cоб i – объемная доля, %; ρi – плотность, кг/м3, соответственно i-го компонента биогаза.
Для упрощения расчетов среднюю относительную плотность биогаза принимают
равной 96,5 % плотности воздуха, т. е. при плотности воздуха 1,2928 кг/м3 средняя плотность биогаза будет равна 1,2928 ∙ 0,965 = 1,24755 кг/м3.
Связь плотностей компонентов, их концентраций в биогазе и объемного процентного содержания определяется как
c сб i = 10 −4 ci / ρ i ,
(5.8)
где сi – концентрация i-го компонента в биогазе, мг/м3.
Совместно решая уравнения (5.7) и (5.8), получим уравнение плотности биогаза:
ρ биог = 10
−6
n
c .
i
(5.9)
i =1
Состав биогаза и концентрации его компонентов определяются через 2 года после
начала эксплуатации анализами проб биогаза, отобранных в ряде точек по площади полигона на глубине 1,5 м. Количество и расположение точек отбора определяются в зависимости от активной площади полигона и числа разнородных участков путем отсоса биогаза
и дальнейших его химических анализов.
Используя полученные анализами концентрации компонентов биогаза и рассчитанную его плотность, определяем их весовое содержание cвес i , %, в биогазе:
37
cвес i = 10 −4
n
c /ρ
i
биог
.
(5.10)
i =1
Для расчетов состав биогаза для каждой свалки определяется в зависимости от состава ТБО. При отсутствии сведений о составе биогаза допускается пользоваться среднестатистическими данными, приведенными в табл. 5.1.
Таблица 5.1
Среднестатистический состав биогаза, образующегося на полигонах и свалках ТБО,
принимаемый для расчетов
Вещество
Метан
Углерода диоксид
Толуол
Аммиак
Ксилол
Углерода оксид
Азота диоксид
Формальдегид
Этилбензол
Ангидрид сернистый
Сероводород
Весовое содержание свес i , %
Плотность ρвес i , кг/км3
52,915
44,100
0,723
0,533
0,443
0,252
0,111
0,096
0,095
0,070
0,026
0,717
1,977
0,867
0,771
0,869
1,250
1,490
0,815
0,867
2,930
1,540
По рассчитанным количественному выходу биогаза за год, отнесенному к 1 т отходов, и весовым процентным содержаниям компонентов в биогазе определяются удельные
массы компонентов, выбрасываемые за 1 год:
Pуд i = 0,01свес i Pуд .
(5.11)
Максимальные разовые выбросы i-го компонента биогаза с полигона Mi, т/сут:
M i = Pуд ΣD / Tтёпл ,
(5.12)
где ΣD – количество активных, стабильно генерирующих биогаз отходов, т.
Формула (5.12) применима для расчетов в теплое время года (tcp.мес > 8 °С). В более
холодное время года (0 < tcp.мec ≤ 8 °С) в формуле (5.12) следует применять повышающий
коэффициент неравномерности образования биогаза 1,3, с учетом которого валовые выбросы i-го загрязняющего вещества с полигона Gi, т/год, определяются по формуле
b 
a
Gi = M i Tтёпл  +
,
 12 1,3 ⋅ 12 
(5.13)
где а и b – соответственно периоды теплого и холодного времени года в месяцах (a при
tcp.мес > 8 °С; b – при 0 < tcр.мес ≤ 8 °С).
Для расчета величин выбросов подсчитывается количество активных отходов, стабильно генерирующих биогаз, с учетом того, что фаза анаэробного стабильного разложения органической составляющей отходов наступает в среднем через 2 года после их захоронения. При подсчете возможны два варианта:
38
• если полигон функционирует менее периода полного сбраживания Tcбр, то учитываются все отходы, завезенные с начала работы полигона, кроме завезенных за последние 2 года;
• если полигон функционирует более периода полного сбраживания Tcбр, то подсчитываются отходы, завезенные за период Tсбр, кроме завезенных за последние 2 года.
Рассмотрим пример расчета выхода газа с полигона по методике АКХ им. К. Д. Памфилова. Полигон расположен в Московской обл. С 2002 г. на него завозится 208 200 т/год отходов. Теплый период Ттепл = 244 дня, средняя температура воздуха из среднемесячных за
теплый период года tcp.тепл = 11,67 °С, теплый период года a = 5 мес., более холодный период b = 3 мес. Результаты анализов проб отходов, отобранных на полигоне: органические
вещества в отходах R = 55 %, в том числе жироподобные Ж = 2 %, углеводоподобные
У = 83 %, белковые Б = 15 %, средняя влажность отходов φ = 47 %.
Решение. Удельный выход биогаза за период его активного выделения Qw:
Qw = 10–6 ∙ 55(100 – 47)(0,92 ∙ 2 + 0,62 ∙ 83 + 0,34 ∙ 15) = 0,17024 т/т отх.
Период активного выделения биогаза Тсбр составит:
Тсбр = 10 248 ∙ 11,67 –0,301966 / 244 ≈ 20 лет.
Активно вырабатывают биогаз отходы, завезенные на полигон за период с начала
его работы (2002 г.) до момента расчета (конец 2017 г.) минус последние 2 года, т. е.
ΣD = 208 200 (2017 – 2002 – 2) = 2 914 800 т.
Количественный выход биогаза составит:
Руд = 0,17024/20 = 0,008512 т/(т отх.∙ год).
Количественный выход метана составит:
Руд i = 0,01 ∙ 52,915 ∙ 0,008512 = 0,004504 т/(т отх.∙ год).
Максимальные разовые выбросы i-го компонента биогаза с полигона Mi, т/сут:
Mi = 0,004504 ∙ 2 914 800/244 = 53,8043 т/сут.
Валовой выброс метана составит:
3 
5
Gi = 53,8043 ⋅ 244  +
 = 7994,767 т/год.
 12 1,3 ⋅ 12 
Для остальных компонентов биогаза производятся аналогичные расчеты.
Приведенная выше методика допускает, что процесс образования биогаза происходит однородно и равномерно в пределах периода полного сбраживания, однако на практике это бывает не так. Также названная методика детально не учитывает условия эксплуатации полигона. Но на сегодняшний день – это действующая методика, принятая в РФ.
Весь расчет, необходимый для проекта сбора газа, очень трудоемкий. Поэтому можно рекомендовать использование программного расчета, описанного ниже.
39
5.3.2. Расчет выхода биогаза с использованием методики «LandGEM»
Процесс выделения биогаза при разложении отходов подчиняется фундаментальному закону распада (экспоненциальный закон). Для расчета количества биогаза, выбрасываемого полигоном, на базе методик «LandGEM» (EPA, 2005 г.) и АКХ им. К. Д. Памфилова А. В. Сауцом было предложено уравнение
ml = 0,1k
скомп Q w
1− e
− kTсбр
n
1
 M e
i
− kt ij
,
(5.14)
i =1 j = 0 ,1
где ml – эмиссия l-го компонента биогаза, т/год; скомп – массовая концентрация компонента
в биогазе при его образовании; Mi – масса отходов, т; tij – время эксплуатации полигона,
лет; i – порядковый номер года; j – номер шага по времени (время эксплуатации полигона
в пределах каждого года заменяется дискретным аналогом с шагом 0,1 года); n – общее
количество прошедших лет; k – коэффициент скорости разложения отходов, год–1; для
влажной среды k = 0,7; для нейтральной k = 0,04–0,05; для сухой k = 0,02.
Для метана уравнение (5.14) было дополнено коэффициентами из японской методики MUFG (2008 г.), учитывающими условия протекания аэробных и анаэробных процессов в теле полигона:
mмет = 0,1k
cмет f (1 − ОХ )Qw
1− e
− kTсбр
n
1
 M e
i
− kt ij
,
(5.15)
i =1 j = 0 ,1
где смет = 0,7 – максимальная массовая доля метана в биогазе при абсолютно анаэробном
разложении; f – коэффициент, учитывающий условия эксплуатации полигонов и свалок:
в полуанаэробных санкционированных полигонах, имеющих проницаемый покрывающий
слой, систему дрен, дегазацию, f = 0,5; для несанкционированных свалок с глубиной
от 5 м и/или вблизи залегания грунтовых вод, при размещении отходов в водной среде
f = 0,8; для свалок с глубиной до 5 м f = 0,4; ОХ – коэффициент, зависящий от слоя изоляции: для управляемых полигонов с использованием грунта ОХ = 0,1; для остальных ОХ = 0.
Рассмотрим пример расчетов по приведенным формулам в программе «LandGEM 3.2».
Полигон ТБО «Центральный» Дзержинского района г. Волгограда (Ттепл = 248 дней,
tср.тепл = 16,81 °С) функционировал с 1949 г. по 2006 г., после чего был закрыт на рекультивацию. Каждый год наблюдался прирост количества вывозимых отходов (около 3 %
в год). За 2006 г. на него было вывезено 250 000 т отходов. Содержание органических веществ в отходах составляет R = 55 %, в том числе из них жироподобных Ж = 2 %, углеводоподобных У = 83 %, белковых Б = 15 %, влажность отходов φ = 66 %, среда разложения
аэробная, нейтральная (f = 0,8 и k ≈ 0,045). Слои отходов изолируются друг от друга слоями грунта (ОХ = 0,1).
Решение. Удельный выход биогаза за период активного его выделения:
Qw = 10–6 ∙ 66(100 – 53)(0,92 ∙ 2 + 0,62 ∙ 83 + 0,34 ∙ 15) = 0,181 т/т отх.
Период активного выделения биогаза составит:
Тсбр = 10 248 ∙ 16,81 –0,301966/248 ≈ 17,624 года.
Для удобства расчетов найдем величину следующего выражения, которое будет
численно равно величине, именуемой в программе потенциалом генерации метана L0:
40
L0 =
cмет fQ w (1 − ОХ )
1− e
− kTсбр
=
0,7 ⋅ 0,8 ⋅ 0,181(1 − 0,1)
= 0,1666 .
1 − e − 0 , 045 ⋅17 , 624
Скриншот графического интерфейса программы «LandGEM 3.2» приведен на рис.
5.8, а результаты расчетов на рис. 5.9 и 5.10.
Рис. 5.8. Графический интерфейс программы «LandGEM 3.2»
Megagrams
Per Year
Тонн в год
10000,0
6000,0
4000,0
2000,0
89
79
20
69
20
59
20
49
20
39
20
29
20
19
20
09
20
99
20
89
19
79
19
69
19
19
19
19
59
0,0
49
Эмиссия
Emissions
8000,0
Годы
Ye ar
Рис. 5.9. Эмиссия метана на полигоне «Центральный» г. Волгограда, т/год
41
Megagrams
Per Year
Тонн в год
10,0
Эмиссия
Emissions
8,0
6,0
4,0
2,0
89
79
20
69
20
59
20
49
20
39
20
29
20
19
20
09
20
99
20
89
19
79
19
69
19
59
19
19
19
49
0,0
Year
Годы
Сероводород
Hydrogen
sulfide
Бензол (при- неизвестных
или неточных
данных- оHAP/VOC
его содержании)
Benzene
No or Unknown
Co-disposal
Аммиак
Ammonia
Рис. 5.10. Эмиссия компонентов биогаза на полигоне «Центральный» г. Волгограда, т/год
На графиках видно, что интенсивность эмиссии компонентов биогаза на полигоне
достигнет максимума в 2006 г., затем плавно пойдет на убыль и практически полностью
прекратится только к 2089 г., т. е. через 140 лет после начала эксплуатации полигона.
Вопросы для самоконтроля
1. Как учитывается на полигонах и свалках ТБО наличие неактивных и активных
отходов, стабильно генерирующих биогаз?
2. Зачем полигоны и свалки ТБО оборудуются газодренажными скважинами?
3. Зачем полигоны и свалки ТБО оборудуются вакуумными системами откачки
биогаза?
4. Зачем и в каких случаях основание и поверхность полигонов и свалок ТБО покрывается геомембранами?
5. Какие недостатки имеются в методике расчета АКХ им. К. Д. Памфилова и отсутствуют в методике «LandGEM» (EPA)?
42
6. ПОДГОТОВКА БИОГАЗА К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ
6.1. Основные требования к обработке биогаза
Условия получения биогазов и наличие в их составе вредных и балластных примесей делают необходимой предварительную обработку биогаза перед использованием
в тепловых установках. Для обеспечения функциональной и эксплуатационной безопасности, а также безопасной работы персонала биогаз должен быть предварительно очищен от
вредных примесей. Основные этапы при подготовке газа к использованию:
– отделение влаги и взвешенных частиц;
– удаление сероводорода;
– удаление галогенсодержащих соединений;
– удаление углекислого газа;
– сжатие или сжижение (при использовании в качестве моторного топлива).
Кроме метана, углекислого газа в биогазах различного происхождения присутствуют балластные и вредные примеси. К вредным примесям относятся водяной пар,
сероводород, галогенсодержащие углеводороды. Осушку биогаза необходимо предусматривать при использовании всех видов биогазов во избежание коррозии. Сероводород
встречается в основном в биогазах с сельскохозяйственных биогазовых установок и с полигонов ТБО. В биогазе последнего типа были идентифицированы более 200 компонентов.
При всех применяемых в настоящее время вариантах утилизации наиболее вредными являются галогенсодержащие углеводороды и сероводород. Хлор- и фторсодержащие углеводороды представляют опасность из-за появления диоксинов и фуранов при недостаточно высоких температурах горения и вместе с сероводородом приводят к коррозионной опасности вследствие образования соляной и плавиковой кислот при конденсации
продуктов сгорания в агрегате. Далее хлор, фтор, сера, фосфор и свинец в выхлопных газах двигателя выводят из строя катализаторы и препятствуют каталитическому снижению
оксидов азота при использовании газа в качестве горючего для транспортных средств.
В зависимости от направления использования газа степень очистки может быть
различной (табл. 6.1).
Таблица 6.1
Требования по очистке биогаза
Способ использования биогаза
Сжигание в бытовых газовых плитах
Сжигание в горелках инфракрасного излучения
Сжигание в отопительных котлах (подготовка горячей воды)
Использование в стационарных газовых двигателях
Использование в качестве горючего для транспортных средств
Обработка до качества природного газа
Необходимость очистки от
Н2S
CO2
H2O
взвешенных частиц
Да
Да
Желательна
Частично
Нет
Нет
Нет
Нет
Да
Да
Нет
Нет
Да
Нет
Нет
Да
Да
Да
Да
Да
Да
Да
Да
Да
Отделение взвешенных частиц необходимо во всех случаях с целью предотвращения засорения арматуры и газопроводов. Чаще всего достаточна грубая фильтрация в гравийном фильтре или в центробежном сепараторе. Иногда применяют тонкие фильтры из
стекловолокна, но это связано с повышением затрат.
В табл. 6.2 приведен обзор способов обработки биогаза, которые целесообразно
использовать при расходах газа 100–3000 м3/ч.
43
Таблица 6.2
Способы очистки газа
Удаляемые компоненты
Способ
Возможные конструкции
Механические примеси
Сепарация
Водяной пар, конденсируемые и галогенсодержащие
углеводороды
Охлаждение до +5 °С,
сепарация
Сжатие/охлаждение/
сепарация
Активированный уголь
Сероводород
Луговая железная руда
Конденсируемые и галогенсодержащие углеводороды
Водяной пар, конденсируемые и галогенсодержащие
углеводороды
Активированный уголь
без регенерации
Обогащение метаном (отделение углекислого газа)
Химическая промывка
Физическая промывка
Активированный уголь
с регенерацией
Адсорбция
Мембранный способ
разделения
Циклонный или тарельчатый сепаратор, вертикальная емкость
Холодильник, контур водяного охлаждения
Поршневой компрессор, винтовой компрессор
Однослойная конструкция, двуслойная конструкция, двуслойная конструкция с регенерацией
Хордовая (решетчатая) конструкция, башенная
конструкция с одновременной или периодической регенерацией
Однослойная конструкция, двуслойная конструкция
Регенерация паром или горячим газом
Адсорбция с переменным давлением на углеродных или цеолитовых молекулярных ситах
Аминовые растворы
Промывка под высоким давлением, селекзолпроцесс, кризол-процесс
Сжатие на мембранном модуле
6.2. Осушка биогаза
Биогаз выходит из биореактора при температуре процесса брожения в водонасыщенном состоянии. До момента использования газ значительно охлаждается, из-за чего
выпадает конденсат и возникает опасность замерзания в холодный период года. В связи
с этим биогаз должен быть осушен. Обычно газ от биореакторов по газопроводу поступает в газосборный пункт, где устанавливается влагоотделитель, откуда конденсат отводится в сливной бак и по мере наполнения откачивается насосами. При снижении температуры биогаза после газосборного пункта возможна конденсация паров, растворенных в биогазе. Для удаления конденсата по тракту предусматриваются сборники конденсата в нижних точках. Конденсатосборные устройства рассчитываются на максимально возможное
количество жидкости. Устройства для отделения конденсата из биогаза с полигонов
и свалок ТБО будут рассмотрены в п. 7.5.
Наиболее дешевым способом осушки является метод охлаждения, когда газ пропускают через влагоотделитель, служащий одновременно для осушки и отделения взвешенных частиц. Осушка методом охлаждения примерно до 10 °С достаточна для распространенных способов использования газа, например для получения тепла при сжигании
и для выработки электроэнергии.
При необходимости более глубокой осушки (в случае использования биогаза как
моторного топлива) применяют адсорбционную осушку (в качестве сорбентов применяют
оксид алюминия Al2O3, хлорид кальция CaCl2, силикагель) или осушку жидкими поглотителями влаги (этилен- и триэтиленгликоль).
44
6.3. Очистка от сероводорода и галогенсодержащих углеводородов
Содержание сероводорода в биогазе может достигать 3 %. Сероводород совместно
с водяными парами и особенно в комбинации с углекислым газом усиливает коррозию на
металлических поверхностях газооборудования, причем скорость коррозии может достигать 0,5–1 мм/год.
При сжигании биогаза сероводород переходит в оксиды серы:
2Н2S + 3O2 → 2H2O + 2SО2 ,
(6.1)
2SО2 + O2 → 2SО3
(6.2)
а при избытке воздуха
Эти газы, взаимодействуя с водяным паром, образуют серную и сернистую кислоты, которые также являются коррозионно-активными. Кроме того, Н2S, SО2 и SО3 – высокотоксичные газы. Таким образом, очистка от сероводорода необходима для снижения
токсичности и запаха биогаза, вредных выбросов с продуктами сгорания, коррозионной
опасности из-за наличия серосодержащих газов и кислот, стоимости обслуживания
и наладки, а также возможности использования некоррозионностойких материалов.
Необходимость удаления хлор- и фторсодержащих углеводородов и сернистых соединений после осушки газа в различных блоках очистки зависит от способа утилизации
газа. При использовании биогаза как моторного топлива содержание общего хлора не
должно превышать 50 мг/м3, а общего фтора – 10 мг/м3; для безвредной утилизации в топочных устройствах при температуре горения более 1200 °С и времени пребывания продуктов сгорания в высокотемпературной зоне 0,3 с концентрация общего хлора не должна
превышать 200 мг/м3, общего фтора – менее 20 мг/м3.
Очистка от сероводорода и галогенсодержащих углеводородов производится
на действующих установках различными способами: адсорбционным или абсорбционным. Выбор способа обессеривания зависит от вида биогаза (содержания Н2S), количества
и давления газа, требуемой степени очистки и температуры процесса. Характерная особенность процессов обработки биогазов – малые расходы, поэтому системы очистки
должны быть как можно более безопасными, простыми в обслуживании и дешевыми.
6.3.1. Адсорбция активированным углем
При использовании этой технологии удаление органических соединений происходит на насадке с активированным углем. Адсорбция высоко-, средне- и низкокипящих галогенсодержащих углеводородов происходит по двухступенчатой технологии очистки.
Обе ступени работают под давлением около 150 кПа.
Если возможен скачкообразный выход газа (с переменным расходом), то предлагается многоступенчатая конструкция адсорбционной установки. Для защиты установки
и повышения эффективности адсорбции галогенсодержащих соединений может потребоваться удаление сероводорода.
На адсорбционной ступени очистки от сероводорода, включенной перед одной из
ступеней очистки от галогенсодержащих соединений, он окисляется на специально обработанном активированном угле до элементарной серы, которая сорбируется в порах активированного угля. Окисление осуществляется по реакции
нный уголь
8Н 2S + 4O 2 ⎯активирова
⎯⎯⎯⎯
⎯⎯
⎯→ Sв + 8H 2 O − 1776 кДж.
(6.3)
Образовавшаяся элементарная сера адсорбируется внутренними поверхностями
пор активированного угля, водяные пары переходят в газ. Потребность в кислороде, тре45
буемом для каталитической реакции, можно покрыть за счет кислорода, содержащегося
в биогазе, или целенаправленного подмешивания воздуха. Благодаря большой сорбционной способности активированного угля (0,3 кг серы на 1 кг активированного угля) при
длительной эксплуатации на одной загрузке эту адсорбцию можно осуществлять непрерывно. Реакционная способность сорбента восстанавливается методом термической регенерации. Через некоторое время требуется заменить и депонировать отработанный активированный уголь.
Принцип действия адсорбционной установки показан на рис. 6.1.
Рис. 6.1. Принципиальная схема адсорбционной установки очистки биогаза
Перед следующими этапами обработки производится осушка газа, например, путем
охлаждения. Это требуется по двум причинам. Во-первых, начиная с относительной
влажности газа около 40 % (в зависимости от температуры) водяной пар адсорбируется на
активированном угле, из-за чего насадка активированного угля теряет активность по отношению к галогенсодержащим органическим соединениям. Во-вторых, при конденсации
водяного пара растворяются органические компоненты, обладающие высокой коррозионной активностью. Таким образом, конденсат может повредить элементы оборудования
и сократить срок службы установки.
На второй технологической ступени, служащей для удаления тяжелых и галогенсодержащих углеводородов, газ снова пропускается через насадку с активированным углем.
В отличие от удаления серы, здесь не происходит химического преобразования, галогенсодержащие соединения только физически, под действием сил связи удерживаются на угле. Это означает, что после достижения сорбирующей способности активированный уголь
не нужно заменять, а нужно только очистить его от осевших галогенсодержащих соединений путем десорбции. Регенерация загруженного активированного угля производится путем продувки горячим водяным паром или инертным газом. Горячий водяной пар имеет
по сравнению с инертным газом следующие преимущества: уголь быстро прогревается за
счет теплоты конденсации водяного пара; большое химическое сродство воды по отношению к углю приводит к быстрому вытеснению галогенсодержащих соединений. Вредные
вещества остаются в жидком виде в потоке продувочной среды. Перед повторным использованием регенерированный активированный уголь сушится и охлаждается. Смесь пара
и галогенсодержащих соединений, образующаяся при регенерации, конденсируется,
и конденсат затем отводится в систему водоотведения.
Следует иметь в виду, что активированный уголь не способен поглощать аммиак,
поэтому при его наличии в составе биогаза вместо активированного угля лучше использовать цеолиты (Ме2/nО∙Аl2О3∙хSiО2уН2О). Их микропористая структура обеспечивает быструю адсорбцию углекислого газа, азота и кислорода и медленную адсорбцию метана при
46
повышенном давлении. При снижении давления происходит регенерация цеолитов. Адсорбция и регенерация протекают поочередно.
Эксплуатация установки при использовании двух параллельно включенных адсорберов позволяет осуществлять непрерывную очистку газа: один адсорбер работает в режиме очистки, другой в это время регенерируется.
6.3.2. Адсорбция оксидом железа (III)
К адсорбционным способам относится и способ очистки от сероводорода на основе
образования сульфидов при взаимодействии с оксидом железа (III). При этом идет процесс так называемой химической сорбции. Сероводород вступает в химическую реакцию
с оксидом железа (III) и образуется сульфид железа:
Fe2O3 ∙ 3H2O + 3H2S → Fe2S3 + 6H2O
(6.4)
Данная реакция сопровождается тепловыделением, которое также частично осушает биогаз.
Оптимальная влажность сорбента 5–20 % обеспечивается тем, что биогаз насыщен
водяным паром.
Регенерация осуществляется путем продувки воздухом, при этом образуется элементарная сера, которая откладывается на поверхности заполнителя:
2Fe2S3 + 3O2 + 6H2O → 2Fe2O3 ∙ 3H2O + 6S
(6.5)
На рис. 6.2 приведена схема установки для очистки биогаза от сероводорода.
Рис. 6.2. Установка для очистки биогаза от сероводорода:
1 – рама; 2 – вентилятор; 3, 10, 11 – задвижки; 4 – корпус; 5 – контейнеры; 6 – ствол;
7 – крышка; 8 – бак; 9 – трубопровод
При длительном использовании заполнителя отложения серы загрязняют поверхность Fe2O3 настолько, что массу требуется заменить. Сорбционная способность Fe2O3
сильно зависит от начальной концентрации сероводорода в биогазе. Максимальное коли47
чество сероводорода, улавливаемое 1 кг заполнителя, составляет 250 г и после каждой регенерации снижается примерно на 15 %.
В некоторых биогазовых установках используется сухая очистка на гидроксиде железа Fe(ОН)3, раздробленном на частицы ∅10–20, взаимодействующем с сероводородом.
Расход Fe(ОН)3 для обеспечения нужной степени очистки газа определяется стехиометрическим соотношением и составляет 2,1 кг/кг извлеченного H2S. Для очистки 100 м3 биогаза с минимальным содержанием H2S 0,35 % по объему требуется около 2 кг Fe(ОН)3.
Регенерация отработанного поглотителя осуществляется путем продувки воздухом:
2Fe2S3 + 3O2 + 6H2O → 4Fe(ОН)3 + 6S
(6.6)
Десульфиризаторы обычно представляют собой цилиндрические емкости с конической нижней частью, которая заполняется кольцеобразным или зернистым слоем Fe(ОН)3
с низким гидравлическим сопротивлением. Для улучшения реакционной способности
в гидроксид железа вводят рыхлящие добавки.
Для непрерывного процесса используются двухкамерные башни, работающие по
системе переменного действия. Основным недостатком этих способов является выделение
тепла во время регенерации и, как следствие, опасность воспламенения. В литературе
упоминается возможность совмещения процессов адсорбции и регенерации в одной емкости путем подмешивания к сырому газу кислорода или воздуха. Однако при этом увеличивается опасность самовозгорания при содержании метана в газовоздушной смеси в интервале пределов воспламенения (5–15 % по объему).
6.3.3. Абсорбция в промывочном растворе
Другой способ отделения тяжелых и галогенсодержащих углеводородов – это абсорбционная очистка, основанная на разной растворимости компонентов газа в воде или
водных растворах различных химических соединений. При использовании этой технологии галогенсодержащие соединения абсорбируются (вымываются) промывочным раствором, состоящим из смеси органических растворителей. При этом эффективность очистки
от соединений хлора достигает более 95 %.
Процесс жидкостной абсорбции происходит в противоточной колонне; содержащий вредные примеси газ подается в колонну с насадкой, омываемой растворителем при
температуре не более 10 °С. Абсорбент непрерывно циркулирует по внутреннему контуру
между абсорбционной колонной и второй колонной, регенерационной колонной (десорбером). В блоке десорбера абсорбированные в растворителе примеси при температуре десорбции порядка 80–90 °С и абсолютном давлении 500 кПа вновь переходят в парообразное состояние. Образующийся в отстойнике абсорбент после охлаждения вновь направляется в колонну абсорбера. Углеводороды, находящиеся в паровой фазе, сжижаются под
разрежением в процессе трехступенчатой конденсации. Эта жидкость является чистым
концентратом примесей и после обработки удаляется. Благодаря достаточно низкой температуре регенерации (около 90 °С) не образуется соляная кислота, и поэтому не требуется особых коррозиестойких конструкций установки.
Преимуществами способа является нечувствительность к колебаниям расхода обрабатываемого газа и концентрациям вредных примесей в нем, небольшие потери давления, а также тот факт, что количество удаляемого осадка соответствует количеству вредных примесей в газе, т. е. не образуется регенерационный конденсат. Недостатком является относительно дорогое оборудование трехступенчатой вакуумной конденсации. Кроме
этого, при высоких концентрациях сероводорода необходимо предусматривать отдельный
технологический этап его удаления.
48
6.3.4. Каталитическое окисление
Способ каталитической обработки подходит для селективной и одновременной обработки газа от галогенсодержащих соединений и сероводорода. Названные вредные вещества каталитически преобразуются в соляную и плавиковую кислоты и диоксид серы.
Эти реакции протекают в отсутствие катализатора только при температуре 1000 °С или
давлениях порядка 100 МПа. В присутствии катализаторов распад возможен при более
мягких условиях. При температуре 300–400 °С и атмосферном давлении можно добиться
эффективности очистки для соединений галогенов 80–90 % и для сероводорода 100 %.
Однако при этом необходимо учитывать, что различные галогенсодержащие соединения,
присутствующие в газе свалок, распадаются при этом в различной степени. Широкого использования в технике этот способ пока не получил.
6.4. Обогащение биогаза
Целью обогащения биогаза является доведение его до качества природного газа.
Для отделения углекислого газа применяется моноэтаноламиновая отмывка, дальнейшее
обогащение достигается подмешиванием к очищенному газу пропана. В этом же процессе
достигается очистка от сероводорода.
Этаноламиновый процесс основан на реакции водного раствора моноэтаноламина
(HO–CH2CH2–NH2) и слабой кислоты (СО2 или Н2S) с получением водорастворимой соли:
НОСН 2 СН 2 NH 3 + H 2 O + CO 2 ↔ HOCH 2 CH 2 NH 3 + HCO3 −
(6.7)
НОСН 2 СН 2 NH 3 + H 2S ↔ HOCH 2 CH 2 NH 3 + HS −
(6.8)
Эти реакции обратимы, их равновесие может быть смещено при регулировании
температуры. Также на равновесие системы оказывает некоторое влияние парциальное
давление кислых газов и другие факторы. Температура контактирования обычно 20–25 °С,
давление – от атмосферного до величин, превышающих 7 МПа. Способ моноэтаноламиновой очистки обеспечивает полное вымывание СО2, Н2S до содержания 0,001 % по объему.
Схема установки очистки биогаза с регенерацией моноэтаноламина приведена
на рис. 6.3.
Рис. 6.3. Схема очистки газа от сероводорода и углекислого газа с регенерацией моноэтаноламина:
1, 3 – газопроводы; 2 – абсорбер; 4, 6 – холодильники; 5 – теплообменник; 7 – выпарная колонна;
8 – сепаратор; 9, 11 – насосы; 10 – кипятильник
Неочищенный газ по газопроводу 1 поступает в абсорбер 2 и выходит в газопровод 3.
В абсорбер подается регенерированный раствор этаноламинов, поглощающий сероводо49
род и углекислый газ. Продукты химической реакции через теплообменник 5 поступают
в выпарную колонну 7, где происходит их подогрев. Дополнительный подогрев проводится также в кипятильнике 10. В выпарной колонне 7 при температуре около 100 °С происходит регенерация моноэтаноламина. В холодильнике 6 пары охлаждаются и в сепараторе 8
разделяются на газы и конденсат. Конденсат отсасывается насосом 9 и подается в выпарную колонну 7, а газы идут на дальнейшую переработку или обезвреживаются (сжигаются). Регенерированный раствор моноэтаноламина из выпарной колонны 7 подается насосом 11 в абсорбер 2. При этом раствор охлаждается в теплообменнике 5 и холодильнике 4.
Основные достоинства этого способа заключаются в достаточно высокой степени очистки
(до 99 %), регенерируемости, незначительных потерях реагента, компактности установки,
автоматизации процесса.
Наиболее простым и дешевым способом отделения СО2 и частичного отделения
Н2S является промывка водой. В основу этого способа положено использование разных
растворимостей метана и углекислого газа в воде. В абсорбере при избыточном давлении
порядка 1 МПа углекислый газ поглощается водой. После снижения давления происходит
последующая осушка газа с достаточно низкой точкой росы. Насыщенная углекислым газом вода регенерируется воздухом. Относительно высокие энергетические затраты для
предварительного сжатия неочищенного газа компенсируются за счет высокого содержания метана в продукционном газе.
Способ мембранного разделения основан на различной проницаемости метана
и углекислого газа через мембрану. Мембранные установки имеют высокую стоимость,
но это компенсируется впоследствии низкими энергозатратами. Схема разделения биогаза
с помощью мембранных контактеров приведена на рис. 6.4.
Рис. 6.4. Разделение биогаза с помощью мембранных контактеров ИНХС РАН им. А. В. Топчиева
Процесс прохождения газа через мембрану описывается отдельными этапами: адсорбция компонента из газовой фазы, диффузия через мембрану и десорбция из мембраны
в газовую фазу. Результирующий поток Vi i-го компонента определяется как
Vi = C pi A( piH − piL ) / S ,
(6.9)
где piH, piL – парциальные давления i-го компонента с обеих сторон мембраны соответственно; A – площадь мембраны; S – эффективная толщина разделительного слоя; Сpi –
коэффициент проницаемости i-го компонента.
Широкого распространения этот способ пока не получил.
При адсорбционном разделении метана и углекислого газа в качестве сорбентов
применяются силикагель, оксид алюминия, цеолиты и углеродные молекулярные сита. За
рубежом чаще применяется адсорбционное разделение на углеродных молекулярных ситах. Микропористая структура их такова, что метан адсорбируется медленнее, чем азот,
кислород и углекислый газ, поэтому последние могут быть удалены из биогаза быстрой
адсорбцией. Процесс адсорбции проходит при повышенном давлении, а при снижении
50
давления осуществляется регенерация. Для реализации такого способа требуется сооружение как минимум трех или четырех адсорберов, в которых поочередно протекают процессы адсорбции и регенерации. Кроме того, требуется предварительная очистка от сероводорода, т. е. необходимы значительные капитальные вложения.
6.5. Сжатие биогаза
В транспортных средствах в качестве горючего можно использовать сжатый или
сжиженный газ. Степень сжатия газа определяется двумя основными компонентами – метаном и углекислым газом, их свойства на сжатие характеризуются коэффициентом сжимаемости K:
K=
pυ
,
RT
(6.10)
где р – давление, Па; R – газовая постоянная, Дж/(кг⋅К); Т – температура, К; υ – удельный
объем, м3/кг.
Cжатый до 2 МПа 1 м3 биогаза при температуре 0 °С уменьшится до 0,00295 м3.
В баллонах высокого давления емкостью 50 л при таких условиях можно хранить 17 м3
газа, тогда как при таком же давлении и температуре 40 или 50 °С – только 15,5 или 14,5 м3 соответственно. Перед сжатием или сжижением газ практически полностью освобождается
от углекислого газа, сероводорода и других примесей. На метане могут работать карбюраторные и дизельные двигатели, но так как метан является высокооктановым топливом,
то эффективно его использование в дизельных двигателях. Потребность в газе для карбюраторного или дизельного двигателя, переоборудованного для использования биогазов,
в том числе и газа с полигонов ТБО, составляет 0,45–0,51 м3/л. Абсолютный объем биогазов, необходимый для выработки энергии, эквивалентной полученной при сжигании 1 л
бензина, составляет 1,33–1,87 м3, 1 л дизельного топлива – 1,5–2,07 м3.
Вопросы для самоконтроля
1. Назовите основные требования, предъявляемые к обработке биогаза.
2. Каким образом производится осушка биогаза?
3. Каким образом производится очистка биогаза с помощью адсорбции активированным углем?
4. Каким образом производится очистка биогаза с помощью адсорбции оксидом
железа (III)?
5. Каким образом производится очистка биогаза с помощью адсорбции в промывочном растворе?
6. Каким образом производится очистка биогаза с помощью каталитического окисления?
7. Какие технологии используются для обогащения биогаза?
8. С какой целью производится сжатие биогаза?
51
7. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СОСТАВУ БИОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК
И УТИЛИЗАЦИИ ЭНЕРГИИ БИОГАЗА
7.1. Основные направления использования биогаза
Достаточно высокое содержание метана в биогазе, а следовательно, и теплота сгорания, предоставляют широкие возможности применения биогаза. Основные направления
утилизации энергии биогаза:
– для покрытия собственных энергетических нужд биогазовых установок;
– в качестве топлива для получения горячей воды или пара на покрытие технологических нужд очистных сооружений, сельскохозяйственных производств, полигонов ТБО;
– в качестве топлива для получения теплого воздуха или горячих газов на сушку
сельхозпродукции или обогрев сельскохозяйственных зданий и сооружений (теплиц);
– в качестве моторного топлива;
– для подкормки растений углекислым газом;
– для сушки сброженного осадка;
– для термического обезвреживания органических отходов;
– для получения электроэнергии;
– для подпитки сетей природного газа.
Объем настоящего пособия не позволяет подробно осветить все эти направления.
Остановимся лишь на некоторых из них.
7.2. Использование биогаза метантенков в котельных очистных
канализационных сооружений
В общих чертах метантенк канализационных очистных сооружений работает по
тому же принципу, что и привычные септики для очистки стоков в автономных системах
канализации. На рис. 7.1 приведена схема использования биогаза с котельных очистных
сооружений.
Рис. 7.1. Схема использования биогаза с котельных очистных сооружений
52
Типовыми проектными решениями, разработанными в МосгазНИИпроект, для сбора и транспортировки биогаза из метантенков в котельную на промплощадке предусматриваются следующие сооружения газового хозяйства:
– внутриплощадочная разводка газопроводов;
– газосборный пункт;
– мокрый газгольдер с пунктом управления;
– факельная установка с пунктом управления.
Для управления работой газгольдеров устраиваются специальные пункты, оборудуемые отключающей арматурой с электроприводом во взрывозащищенном исполнении
и устройством для аварийного сброса газа в атмосферу при отсутствии электроэнергии
и невозможности его подачи в котельную или в факел.
При аварийных ситуациях газ поступает из пункта управления газгольдером
в пункт управления факельной установкой, а из него к факельной установке, предназначенной для аварийного сжигания биогаза, если сжечь его в котельной не представляется
возможным. Данная установка представляет собой металлоконструкцию, основой которой
служит цилиндрическая сварная труба, состоящая из отдельных секций. Труба устанавливается на фундаменте и крепится дополнительно растяжками.
Для розжига факел снабжен запальной горелкой и газопроводом «бегущего огня»,
с помощью которого огонь перебрасывается от запальной горелки к верхней части факельной установки.
Для повышения надежности работы предусмотрена установка запальной горелки
основного факела, являющейся стабилизатором пламени, которая поджигает основной
факел в случае его погасания. Запальная горелка и газопровод «бегущего огня» через некоторое время после розжига факельной установки гасятся автоматически.
Газосборные пункты, газгольдеры и факельная установка оборудуются контрольно-измерительными приборами, системой дистанционного управления и соответствующей автоматикой.
В газосборном пункте осуществляется замер расхода и давления газа от каждого
метантенка, замер температуры газа в газопроводе, дистанционное управление электрифицированной арматурой, сигнализация загазованности в помещении.
В газгольдерах и факелах производится:
– автоматическое сжигание газа на свече в зависимости от положения колокола
газгольдера;
– сигнализация четырех оперативных и одного аварийного уровня в каждом газгольдере;
– дистанционное управление электрифицированной арматурой;
– сигнализация погасания пламени на щите;
– сигнализация загазованности пунктов управления газгольдерами и факельной
установкой;
– контроль давления газа в газопроводе.
Биогаз метантенков сжигается в котлах с камерными топками и в чугунносекционных котлах, которые оборудуются газогорелочными устройствами с принудительной подачей воздуха, работающими на биогазе или природном газе. Возможны два
варианта сжигания биогаза и природного газа в паровых котлах с камерными топками:
1. Для возможности работы в топке котла устанавливаются не две, как обычно,
а три горелки. Принцип работы в этом случае заключается в том, что в котле сжигается
либо природный газ в двух горелках, либо биогаз в трех горелках. Переход на работу
с одного вида топлива на другое, например с биогаза на природный газ, должен производиться в зависимости от положения колокола газгольдера, которое характеризует имеющийся запас биогаза. При достижении колоколом газгольдера некоторого положения срабатывает конечный выключатель и к оператору поступает сигнал, свидетельствующий
о том, что запас биогаза в газгольдере подходит к концу и следует переходить на работу
с природным газом.
53
54
Рис. 7.2. Технологическая схема биогазовой установки с утилизацией тепла в системе сушки осадка
2. Топка котла оборудуется двумя специальными горелками, позволяющими сжигать поочередно природный газ и биогаз.
7.3. Применение биогаза метантенков в установках термической обработки осадков
Технологическая схема предусматривает использование избыточного биогаза, полученного в процессе сбраживания в метантенках городских стоков, в установке термического обезвоживания осадка. Обработка осадка производится в три стадии:
1) анаэробное сбраживание с получением биогаза;
2) механическое обезвоживание на центрифугах;
3) сушка с использованием теплоты продуктов сгорания.
Принципиальная схема установки представлена на рис. 7.2.
Образующийся в метантенках 1 биогаз направляется в узел обработки, где происходит отделение взвешенных частиц и осушка газа, а затем к вихревой газовой горелке 4.
Горелка устанавливается в камере сгорания 5, соединенной с выхлопным патрубком 6.
В камере сгорания 5 происходит сжигание биогаза, при этом температура продуктов сгорания может регулироваться в пределах 200–800 °С за счет изменения коэффициента избытка воздуха, подаваемого к горелке вентилятором. Из выхлопного патрубка горячие
продукты сгорания входят в рабочий трубопровод 7, куда винтовым питателем подается
частично обезвоженный на центрифугах 3 до влажности 80 % сброженный осадок из метантенков. По трубопроводу 7 горячие продукты сгорания транспортируют в циклон 8
твердые частицы и выпаренную воду. В циклоне осадок с температурой 70 °С отделяется
от парогазовой смеси, осаждается в нем и через шлюзовой питатель 13 выводится из циклона к накопителям сухого осадка. Парогазовая смесь с температурой 120–150 °С выходит
из циклона и поступает в теплообменник 12 для утилизации тепла.
Теплообменник 12 входит в контур подготовки теплоносителя для обогрева метантенков и поддержания в них требуемого температурного режима. Циркуляция теплоносителя осуществляется насосом 15. Охлажденные продукты сгорания вентилятором 14
направляются в систему очистки, включающую скруббер Вентури 9, полый скруббер 10
и адсорбер с каплеуловителем 11, затем выбрасываются в атмосферу. По результатам теплового расчета процесса сушки донных осадков, выполненного для модульной установки
с вихревой газовой горелкой производительностью по биогазу 25 м3/ч, возможна осушка
150 кг/ч осадка до влажности 40 %.
7.4. Утилизация энергии биогаза в установках переработки отходов
сельскохозяйственного производства
Для проведения процесса анаэробной ферментации различных отходов требуется
соблюдение определенных технологических параметров. Активность метанообразующих
бактерий сильно зависит от температурных условий сбраживания. Чаще всего действующие биогазовые установки работают в мезофильном (температура сбраживания 30–35 °С)
или термофильном (температура 50–55 °С) режиме. Для подогрева свежего субстрата
и компенсации теплопотерь через ограждающие конструкции необходима энергия, которую целесообразно получать, используя биогаз и низкопотенциальное тепло сброженного
субстрата. Выход товарного биогаза существенно возрастает с увеличением содержания
абсолютно сухого вещества в исходном субстрате и длительности сбраживания. Однако
на многих крупных комплексах по откорму свиней и крупного рогатого скота для удаления навоза применяется гидросмыв, что увеличивает влажность исходного навоза до
96–98 % и значительно снижает потенциальный выход газа. Однако даже в условиях самой высокой влажности исходного субстрата и коротком цикле сбраживания биоустановка становится энергообеспеченной в климатических условиях средней полосы РФ уже при
продолжительности сбраживания 4–5 сут.
55
В наиболее холодный период года практически весь полученный биогаз используется для энергообеспечения установки. В остальное время появляется избыток газа, который используется для обогрева теплиц с одновременной утилизацией углекислого газа для
подкормки растений.
При производстве биогаза образуется субпродукт – органические удобрения. Ежедневный органический потенциал переработки навоза единицы крупного рогатого скота
составляет 0,25 кг азота, 0,13 кг оксида фосфора, 0,3 кг оксида калия и 0,25 кг оксида
кальция и сравним с 1 кг комплексных удобрений.
Рассмотрим один из возможных вариантов утилизации биогаза на примере биогазовой установки, предназначенной для переработки жидких стоков крупного откормочного свинокомплекса производительностью 23 тыс. голов в год. Выход навоза составляет
500 м3/сут при влажности 97–98 %. Принципиальная схема установки с указанием основных расчетных параметров теплоносителя системы теплоснабжения приведена на рис. 7.3.
Брожение протекает в мезофильном режиме при температуре 35 °С в двух металлических цилиндрических биореакторах 1 объемом 1360 м3, работающих с периодической
загрузкой свежего навоза два раза в сутки. Объемы реакторов рассчитаны на пятисуточное сбраживание стоков. Выход биогаза в таком режиме составит 2500 м3/сут, что эквивалентно тепловому потоку 673 кВт. Обогрев биореактора производится путем размещения
по периметру наружных стенок теплообменников в виде спирали с пятью витками труб
∅57×3. Для лучшего обогрева биореактора можно использовать «тепличный эффект». Для
этого над куполом устанавливают деревянный или легкий металлический каркас и покрывают полиэтиленовой пленкой. Теплоизоляция – пенополиуретан толщиной 100 мм.
В качестве теплоносителя используется горячая вода. Для ее нагрева предусмотрен
контактный теплообменник 5. Температура воды на входе в спиральный теплообменник
принята 60 °С, так как метаногенные микроорганизмы очень чувствительны к резкому повышению температур и вблизи труб теплообменника при более высоких температурах их
деятельность прекращается. Кроме того, при повышенных температурах происходит
налипание твердых частиц субстрата на теплообменную поверхность, что ухудшает теплообмен. Свежий субстрат нагревается до температуры процесса в специальном подогревателе типа «емкость в емкости», куда подается два раза в сутки. Во внутренний цилиндрический резервуар подогревателя ∅5000 высотой 7,6 м поступает субстрат, кольцевой
зазор между наружным и внутренним цилиндрами заполняется свежим субстратом.
Наружный резервуар ∅7000 имеет высоту 8 м. Для обогрева свежего субстрата в холодный период года (при температуре наиболее холодных суток) требуется тепловой поток
608 кВт. Данная конструкция подогревателя позволяет около 15 % требуемого количества
тепла получать от сброженного субстрата.
Передача основного количества тепла свежему субстрату на подогрев до температуры 35 °С осуществляется через теплообменник, выполненный из труб ∅109×4, в виде
змеевика из 17 витков или регистра из 35 вертикальных труб. Перемешивание содержимого подогревателя не требуется вследствие подвижности субстрата и достаточно продолжительного срока выдержки (12 часов), обеспечивающего теплопередачу за счет естественной конвекции.
Подогретый до температуры режима субстрат подается в биореакторы 1 для сбраживания. Выделяемый биогаз накапливается в верхней части реактора под давлением
до 4 кПа. Объем реакторов рассчитан так, чтобы при максимальном заполнении часть
объема (до 15 %) использовалась как совмещенный газгольдер. Для предотвращения обратного перетекания биогаза предусматриваются регуляторы давления «до себя».
Далее биогаз проходит через узел обработки, в котором происходит осушка во влагоотделителе 6, очистка от сероводорода и повышение давления в компрессорной установке 3 до 50 кПа с последующим накоплением биогаза в газгольдере 10 среднего давления. Необходимость очистки вызвана довольно высоким содержанием сероводорода (до
56
57
30 %). Для очистки предусматривается каталитический способ, основанный на реакции
с активированным углем, протекающей в двух фильтрах-поглотителях сероводорода 7.
Реакционная способность катализатора восстанавливается методом тепловой регенерации,
для чего в контур регенерации включены теплообменники 8; циркуляция осуществляется
с помощью насоса 9. Образующаяся элементарная сера утилизируется.
От узла обработки часть подготовленного к использованию биогаза через регулятор давления 12 поступает в газогорелочное устройство водоподогревателя 5. Испарительная установка сжиженного газа 4 включена в газовый контур для обогащения биогаза
и обеспечения работы установки при временном его отсутствии.
Для нагрева воды служит контактный теплообменник 5, имеющий КПД 100 %
по низшей теплоте сгорания. Применение других способов нагрева воды, без использования продуктов сгорания, привело бы к тому, что не менее 20 % теплоты сгорания биогаза
терялось бы с отходящими газами. Сжигание биогаза производится в выносной горизонтальной топке. Продукты сгорания поступают во внутренний объем водяной камеры,
а затем на омывание теплообменной насадки (кольца Рашига).
В состав водонагревательного блока входит пять таких теплообменников ∅300
с высотой насадки 0,6 м, что обеспечивает нагрев 2,5 м3/ч воды от 22 до 61 °С.
Нагретая до 60 °С вода поступает в трубчатые теплообменники подогревателя субстрата и биореакторов. Охлажденная вода вновь поступает в теплообменник. Постепенно
происходит насыщение воды углекислотой, так как при контактном нагреве происходит
поглощение углекислого газа из продуктов сгорания. Поэтому в водяном контуре следует
предусмотреть возможность периодического раскисления (химического или за счет частичной замены воды в контуре).
7.5. Утилизация биогаза на полигонах и свалках ТБО
Для экономичного использования биогаза свалок в качестве нижнего предела содержания метана можно назвать следующий порядок значений: ≈ 35 % при использовании
в двигателях внутреннего сгорания, ≈ 25 % в тепловых установках. Из требований взрывопожарной безопасности система сбора биогаза отключается при снижении концентрации метана до 25 % (предупредительный сигнал при 30 %) или повышении концентрации
кислорода до 5 % (предупредительный сигнал при 3 %).
Для получения более качественного биогаза с содержанием метана 50–60 % и низшей теплотой сгорания 18–24 МДж/м3 нужно правильно организовать процесс его сбора.
Биогаз свалок во многих странах используется для получения электроэнергии
и тепла для отопления помещений и технологических нужд. Получение электроэнергии
в газовых турбинах, обогащение биогаза с последующим сжатием и применение как моторного топлива, обработка до качества природного газа и подпитка сетей общественного
газоснабжения получили меньшее распространение.
Утилизация биогаза в двигателях подразумевает следующие технологические элементы: систему сбора и подготовки газа, узел учета расхода газа и определения состава,
газовый двигатель с автоматикой регулирования, генератор, систему охлаждения, систему
отходящих газов (при необходимости с очисткой), трансформаторную подстанцию, аварийную факельную установку.
Преимуществом сжигания газа в двигателях внутреннего сгорания является, прежде всего, возможность передачи электроэнергии в сеть общественного электроснабжения,
а также возможность реализации проекта в модульных конструкциях со ступенчатым регулированием производительности установки; при увеличении расхода газа систему утилизации можно расширить.
Недостаток состоит в низком температурном уровне охлаждающей воды двигателя
(порядка 70–90 °С), вследствие чего исключается использование теплоты для технологического процесса. Для этих целей можно использовать только тепло отходящих газов, со58
ставляющее около 20 % общего энергосодержания газа свалок. Производимое количество
электроэнергии, подаваемой в сеть, составляет примерно 30 %. Таким образом, при средней возможности использования двигателя на 85 % общий КПД чистого производства
электроэнергии без утилизации отходящего тепла составляет 25 %. Если отходящее низкопотенциальное тепло использовать для отопления зданий или подавать потребителям
тепла, общий КПД соответственно повышается.
Другой недостаток при использовании двигателей внутреннего сгорания – образование полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Они появляются вследствие создания в камере сгорания недостаточных условий для развития реакции, что обусловливает неравномерное выгорание. Исследовательские программы в различных системах утилизации газа подтверждают это высказывание. Если концентрация ПАУ в отходящих газах ограничивается, то требуется обработка отходящих газов.
Для соблюдения требований ПДК по оксидам азота используется эксплуатация по
способу сжигания обедненной смеси. При застехиометрическом сжигании (значение коэффициента избытка воздуха α > 1,5) концентрации азота в продуктах сгорания находятся
ниже значений ПДК. Из-за большого избытка воздуха снижается температура горения, но
в связи с этим повышается опасность образования ПАУ, а также снижается КПД. Максимальная величина коэффициента избытка воздуха ограничивается пределами воспламенения бедной газовоздушной смеси (α ≈ 1,6).
Колебания концентраций метана в биогазе выравниваются путем регулирования
подвода воздуха. При изменении концентрации метана изменяется концентрация остаточного кислорода в отходящих газах двигателя. По сигналу кислородного зонда изменяется
соотношение газовоздушной смеси, так что заданная доля кислорода в отходящих газах
двигателя остается постоянной независимо от содержания метана в сжигаемом газе.
На малых и средних полигонах получение электроэнергии в двигателях внутреннего сгорания получило в настоящее время наибольшее распространение, оно экономично,
только если газ свалок содержит небольшое количество примесей.
На средних и крупных полигонах для использования биогаза в двигателях кроме
обычных двигателей внутреннего сгорания используются газожидкостные (дизельные) двигатели. Эти двигатели очень надежны в работе и характеризуются высоким механическим
и электрическим КПД. Характерное их отличие, по сравнению с обычными двигателями, –
чрезвычайно долгий срок службы. В качестве запала для них требуется дополнительно
к газу еще около 10 % жидкого топлива (дизельное топливо или мазут). Общий КПД этих
двигателей составляет примерно 40–42 %, степень использования может достигать 95 %.
На рис. 7.4 в качестве примера приведена предпроектная схема утилизации биогаза
на полигоне «Центральный» г. Волгограда.
При производстве электроэнергии на конденсационных ТЭС предусматривается
использование биогаза в комбинации: камера высокотемпературного сгорания/котелутилизатор/паровая турбина/генератор. Газ сжигается в камере высокотемпературного
сгорания при температуре 1200 °С в течение 3 с. Продукты сгорания проходят через котел-утилизатор, затем через дымовую трубу в атмосферу. В котле-утилизаторе образуется
перегретый пар высокого давления, который подводится к паровой турбине и там расширяется. В турбине происходит снижение давления и температуры, а также к турбине присоединяется генератор. Полученная электроэнергия через трансформаторную подстанцию
подается в сеть. Возможен отбор пара при высоком уровне температур и использование
его для выпаривания фильтрата или сушки шлама, в этом случае снижается производимая
электрическая мощность. Принципиальная схема установки приведена на рис. 7.5.
59
Рис. 7.4. Предпроектная схема утилизации биогаза на полигоне ТБО «Центральный»:
1 – термоэластомеровая изоляционная пленка; 2 – газодренажная скважина; 3 – трубопровод;
4 – термозапорный клапан; 5 – вентиль; 6 – здание, оборудованное узлами очистки и одорации биогаза;
7 – газгольдер; 8 – заправка газовых баллонов; 9 – блочно-модульная котельная; 10 – здания
Рис. 7.5. Принципиальная схема конденсационной теплоэлектростанции
Благодаря контролю процесса сжигания описанная технологическая комбинация
подходит также для утилизации сильно загрязненного газа с содержанием общего хлора
до 200 мг/м3. По экономическим соображениям конденсационные электростанции при
расходах газа, характерных для полигонов ТБО, могут состоять только из одного блока
ТЭЦ. Поэтому при использовании концепции конденсационной электростанции необходимо принимать во внимание отношение минимальной и максимальной тепловой мощности (≈ 0,3). Электрический КПД небольшой и составляет 16–18 %, но он смягчается высо60
кой степенью использования (≈ 95 %). В качестве недостатка такой электростанции следует назвать высокие инвестиционные затраты. Поэтому конденсационную электростанцию
для утилизации газа свалок рационально устанавливать на полигонах с высоким потенциалом газа, высокой степенью загрязнения газа примесями или высокой потребностью
в тепловой энергии. Несмотря на высокие капитальные затраты этот способ может иметь
значение, если в общее рассмотрение принимать обработку дренажных вод и шлама. Выпаривание фильтрата и сушка шлама характеризуются высоким уровнем потребления тепловой энергии, который может покрываться за счет сжигания газа с последующим производством и использованием пара.
Вопросы для самоконтроля
1. Назовите основные направления использования биогаза.
2. Как осуществляется получение и использование биогаза метантенков в котельных очистных канализационных сооружений?
3. Как осуществляется получение и использование биогаза сельскохозяйственного
производства?
4. Как производится сбор и использование биогаза с полигонов и свалок ТБО?
61
8. РАСЧЕТЫ БИОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ
ПРЕДПРИЯТИЙ И ГОРОДСКИХ КАНАЛИЗАЦИОННЫХ ОЧИСТНЫХ
СООРУЖЕНИЙ
8.1. Определение количества субстрата и выхода биогаза
8.1.1. Расчет метантенков канализационных очистных сооружений
Расход осадка по сухому веществу Qсух, м3/сут:
Qсух =
СЭkQ
,
1000 ⋅ 1000
(8.1)
где C – концентрация взвешенных веществ в воде, поступающей на первичные отстойники, мг/л; Э – эффективность задержания взвешенных веществ в первичных отстойниках,
доли единицы; k = 1,1 – коэффициент, учитывающий увеличение объема осадка за счет
крупных фракций взвешенных веществ, не улавливаемых при отборе проб для анализов;
Q – средний расход сточных вод, м3/сут.
Объем метантенка определяют по суточной дозе загрузки Дmt, %, принимаемой для
осадков городских сточных вод (табл. 8.1).
Таблица 8.1
Суточная доза осадка, загружаемого в метантенк
Режим
сбраживания
Мезофильный
Термофильный
Суточная доза загружаемого в метантенк осадка
при влажности загружаемого осадка, %, не более
93
94
95
96
97
7
14
8
16
8
17
9
18
10
19
Количество газа, получаемого при сбраживании осадков сточных вод, принимается
из расчета 1 г на 1 г распавшегося беззольного вещества загружаемого осадка.
Количество беззольного вещества осадка Qбез, т/сут:
Qбез =
Qсух (100 − В г )(100 − З ос )
100 ⋅ 100
,
(8.2)
где Вг – гигроскопическая влажность осадка, %; Зос – зольность сухого вещества осадка, %.
Расход осадка Vос, м3/сут, определяется с учетом влажности:
Vос =
100Qос
,
ρ ос (100 − Wос )
(8.3)
где Wос – влажность осадка, %.
Распад беззольного вещества загружаемого осадка Rr, %, в зависимости от дозы загрузки определяется по формуле
Rr = Rlim – KrДmt ,
(8.4)
где Rlim – максимально возможное сбраживание беззольного вещества загружаемого осадка, %; Kr – коэффициент, зависящий от влажности осадка (табл. 8.2).
62
Таблица 8.2
Значения коэффициента Kr
Режим сбраживания
Мезофильный
Термофильный
Значение Kr при влажности загружаемого осадка, %
93
94
95
96
97
1,05
0,455
0,89
0,385
0,72
0,31
0,56
0,24
0,40
0,17
Максимально возможное сбраживание беззольного вещества загружаемого осадка
Rlim, %, определяется по формуле
Rlim = 100(0,92 Cfat + 0,62 Cgl + 0,34Cprt),
(8.5)
где Cfat, Cgl, Cprt – соответственно содержание жиров, углеводов и белков, г на 1 г беззольного вещества осадка.
При отсутствии данных о химическом составе осадка величину Rlim допускается
принимать: для осадков из первичных отстойников – 53 %; для избыточного активного
ила – 44 %; для смеси осадка с активным илом – по среднеарифметическому соотношению смешиваемых компонентов по беззольному веществу.
Рассмотрим пример расчетов метантенков канализационных очистных сооружений. Определить количество биогаза, образующегося при совместном сбраживании сырого осадка и избыточного активного ила на станции биологической очистки производительностью 360 тыс. м3/сут. Концентрация сухого вещества в смеси 30 кг/м3. Концентрация взвешенных веществ в воде составляет 200 мг/л, БПКполн = 200 мг/л, эффект осветления в первичных отстойниках 50 %.
Расход осадка по сухому веществу:
Qсух =
200 ⋅ 0,5 ⋅ 1,1
⋅ 360 000 = 39,6 т/сут.
1000 ⋅ 1000
В процессе осветления воды в первичных отстойниках происходит снижение концентрации загрязнений, фиксируемых БПК, примерно на 15–25 %. Принимая среднее из
приведенных значений 20 %, определяем БПК La, мг/л, в воде, поступающей в аэротенки:
La = 200(1 – 0,2) = 160 мг/л.
Количество активного ила И сух, т/сут:
И сух =
0,8С (1 − Э) + аLa − b
Q,
1000 ⋅1000
где a = 0,3 – коэффициент прироста активного ила; b = 15 мг/л – вынос активного ила из
вторичных отстойников.
И сух =
0,8 ⋅ 200(1 − 0,5) + 0,3 ⋅ 160 − 15
⋅ 360 000 = 40,68 т/сут.
1000 ⋅ 1000
В расчетах количества беззольного вещества осадка и активного ила примем гигроскопическую влажность 5 %, зольность сухого вещества 30 %, а активного ила – 25 %:
63
Qбез =
39,6(100 − 5)(100 − 30)
= 26,334 т/сут.
100 ⋅ 100
И без =
40,68(100 − 5)(100 − 25)
= 28,985 т/сут.
100 ⋅ 100
Влажность сырого осадка 96 %, влажность избыточного активного ила 99,3 %,
плотность соответственно 1,08 и 1,03 кг/л. Вычисляем расход сырого осадка и избыточного активного ила:
100 ⋅ 39,6
Vос =
= 916,7 м 3 / сут.
1,08(100 − 96)
Vил =
100 ⋅ 40,68
= 5642,16 м3 / сут.
1,03(100 − 99,3)
Общий расход осадков на станции:
– по сухому веществу
Mсух = Qсух + Исух = 39,6 + 40,68 = 80,28 т/сут;
– по беззольному веществу
Mбез = Qбез + Ибез = 29,34 + 28,98 = 55,32 т/сут;
– по объему смеси фактической влажности
Mобщ = Qобщ + Иобщ = 916,7 + 45642,16 = 6558,86 т/сут.
Среднее значение влажности смеси:

М сух 
 = 100 1 − 80,28  = 98,78 %.
Всм = 100 1 −

 6558,86 
 М общ 
По табл. 8.1 и 8.2 определим дозу загрузки и коэффициенты Kr : для мезофильного
режима Дmt = 10 %, Kr = 0,4; для термофильного режима Дmt = 19 %, Kr = 0,17.
Максимально возможное сбраживание беззольного вещества загружаемого осадка
примем по среднеарифметическому соотношению смешиваемых компонентов Rlim = 48 %.
Распад беззольного вещества загружаемой смеси:
– в мезофильном режиме
Rr = 48 – 0,4 ∙ 10 = 44 %;
– в термофильном режиме
Rr = 48 – 0,17 ∙ 10 = 44,77 %.
Количество распавшегося беззольного вещества загружаемого осадка:
– для мезофильного режима
Qрас = Qбез Rr / 100 = 55,32 ⋅ 44 / 100 = 24,34 т/сут;
64
– для термофильного режима
Qрас = 55,32 ⋅ 44,77 / 100 = 24,77 т/сут.
Массовый расход газа, получаемого при сбраживании смеси осадка и активного
ила, будет равен тем же значениям. Принимая плотность газа усредненного состава равной 1 кг/м3, получим объемный выход газа при сбраживании:
– в мезофильном режиме
Qг = Qрас / 24 = 24 340 / 24 = 1014 м 3 / ч ;
– в термофильном режиме
Qг = 24 770 / 24 = 1032 м 3 / ч.
8.1.2. Определение выхода биогаза на сельскохозяйственных биогазовых установках
Количество жидкого навоза L, м3, выходящего из животноводческих ферм и комплексов, определяется по формуле
N
L=
Q
Ki
+ G1 + G2 + G3 ,
(8.6)
i =1
где N – число линий удаления навоза; QKi – количество экскрементов, м3, от животных,
обслуживаемых одной линией удаления навоза, принимается по технологическим нормам
проектирования (табл. 8.3–8.5); G1 – количество воды, м3, требуемое для функционирования одной линии удаления навоза; G2 – количество воды или жидкой фракции навоза, требуемое для смыва осадка из каналов и проведения санитарно-ветеринарных мероприятий
по окончании цикла производства, м3/сут; G3 – количество воды или жидкой фракции
навоза, м3, требуемое для смыва осадка из коллекторов.
Таблица 8.3
Нормы выхода и влажность экскрементов свиней при кормлении
высококонцентрированными кормами
Вид животных
Выход экскрементов, кг/сут
Влажность, %
11,1
89,4
8,8
10,0
15,3
2,4
90,8
91,0
90,1
86,0
3,5
5,1
6,6
86,6
87,0
87,5
Хряки
Свиноматки:
холостые
супоросные
с поросятами
Поросята-отъемыши массой до 30 кг
Свиньи на откорме, кг:
< 40
40–80
> 80
65
Таблица 8.4
Нормы выхода экскрементов крупного рогатого скота, кг/сут, при влажности 86 %
Вид животных
Кал
Моча
Быки-производители
Коровы
Телята до 6 месяцев и на откорме до 4 месяцев
Телята возраста 6–12 месяцев и на откорме возраста 4–6 месяцев
Телята на откорме возраста 6–12 месяцев
Телята возраста 12–18 месяцев и нетели
Телята на откорме старше 12 месяцев
30
35
5
10
14
20
23
10
20
2,5
4
12
7
12
Влажность, %, жидкого навоза, выходящего из комплекса:
n
Wн =
[Q
KiWKi
+ 100(G1 + G2 + G3 )] Q ,
(8.7)
i =1
где WKi – влажность навоза, получаемого на линии удаления, %.
Масса абсолютно сухого вещества, т:
n
S=
Q


Ki 1 −
i =1
Wн 
.
100 
(8.8)
Таблица 8.5
Расход чистой воды, л/сут на одно животное, необходимой для удаления экскрементов из системы
Тип системы удаления навоза
Свиньи при групповом содержании
Самотечная непрерывного действия
(расход воды при пуске)
Самотечная периодического действия
Смывная (баки, насадки, бесканальные
гидросмывные установки)
Крупный рогатый скот
Откормочный и нетели Молочный
1,5
8–9
15–16
5–8
15–17
30–32
20
30–50
40–60
Суточный выход биогаза Vбиог, м3/сут:
Vбиог = Lg ,
(8.9)
где g – удельный выход биогаза, м3 на 1 т перерабатываемого субстрата или сухого вещества; L – суточное количество перерабатываемого субстрата (или сухого вещества), т/сут.
Рассмотрим пример расчетов выхода биогаза на сельскохозяйственных биогазовых
установках. Определить количество биогаза, образующегося при совместном сбраживании отходов коровника на 22 головы крупного рогатого скота, телятника на 18 телят, свинарника на 10 свиней и курятника на 40 кур. По технологическим нормам определяется
количество экскрементов: количество твердых выделений (навоза) на одну условную голову крупного рогатого скота принимается равным 30 кг/сут и мочи 12 кг/сут, на одну
условную голову теленка соответственно 3 кг/сут и 2 кг/сут. Количество измельченной
подстилки для крупного рогатого скота принимается равным 3 кг/сут, для телят 2 кг/сут.
Общая масса выделений и соломы на одну голову крупного рогатого скота:
30 + 3 + 12 = 45 кг.
66
На одну голову теленка она составляет:
5 + 2 + 2 = 9 кг.
Теперь определим усредненную влажность всей биомассы.
Количество сухого вещества в твердых выделениях:
– крупного рогатого скота
300(100 – 84)/100 = 4,8 кг;
– телят
5 (100 – 84)/100 = 0,8 кг.
Количество сухого вещества в соломе:
– крупного рогатого скота
3(100 – 14)/100 = 2,58 кг;
– телят
2(100 – 14)/100 = 1,72 кг.
Количество сухого вещества в моче:
– крупного рогатого скота
12(100 – 94)/100 = 0,72 кг;
– телят
2(100 – 94)/100 = 0,12 кг.
Общее количество сухого вещества в смеси экскрементов и подстилки:
– крупного рогатого скота
4,8 + 2,58 + 0,72 = 8,1 кг;
– телят
0,8 + 1,72 + 0,12 = 2,62 кг.
Усредненный процент сухого вещества в смеси:
– крупного рогатого скота
– телят
8,1 ⋅ 100/45 = 18 %;
2,62 ⋅ 100/9 = 29,3 %.
Отсюда влажность всей массы:
– для крупного рогатого скота
100 – 18 = 82 %;
– для телят
100 – 29,3 = 70,7 %.
Влажность субстрата, загружаемого в реактор, принимается равной 88–90 %.
Количество смеси на одну голову крупного рогатого скота при влажности 90 %:
45(100 – 82)/(100 – 90) = 81 кг;
67
на одну голову теленка:
9(100 – 70,7)/(100 – 90) = 26,37 кг.
Суммарное количество субстрата влажностью 90 % составит
81 ⋅ 22 + 26,37 ⋅ 18 = 2256,66 кг = 2507,4 л.
Количество твердых выделений на одну свиную условную голову принимается
равным 5 кг/сут, мочи – 2 кг/сут, измельченной подстилки – 2 кг/сут, что эквивалентно
соответствующим показателям для телят, поэтому расчет производится аналогично.
Общее количество навоза влажностью 90 % для свиней:
26,37 ⋅ 10 = 263,7 кг = 293 л.
Количество выделений от всех кур примем равным количеству навоза от одной головы крупного рогатого скота, т. е. 81 кг или 90 л.
Общее количество субстрата от всех животных:
2507,4 + 293 + 90 = 2890,4 л = 2,89 м3.
Vбиог = 2,89 ⋅ 25 = 72,76 м3/сут.
8.2. Определение размеров биореакторов
Исходными данными для определения объема биореактора являются суточная загрузка субстрата, длительность сбраживания, периодичность загрузки и выгрузки субстрата из биореактора.
С точки зрения надежности эксплуатации рекомендуется установка не менее двух
биореакторов. В случае остановки одного реактора работает другой. Каждый из них рассчитывается на сбраживание половины общего суточного количества субстрата. Требуемая вместимость Vтр, м3, каждого реактора:
Vтр = Gнτ/n ,
(8.10)
где Gн – суточная загрузка субстрата м3/сут; τ – длительность сбраживания, сут; n – количество биореакторов.
Для снижения теплопотерь через стенки биореактора его форму нужно выбрать
так, чтобы поверхность теплообмена была минимальной. Цилиндрическая емкость имеет
наименьшую поверхность при соотношении высоты h и радиуса R реактора, равном
H = 4R.
(8.11)
Исходя из условия (8.11), требуемые размеры биореактора:
– объем V, м3,
2
V = πR2h;
(8.12)
S = 2πR2 + πRh.
(8.13)
– площадь поверхности S, м ,
68
Подставив (8.11) в (8.12), получим формулу для расчета радиуса биореактора R, м:
R = 3 0,5V / π .
(8.14)
Рассмотрим пример расчетов размеров биореакторов в сельскохозяйственной биогазовой установке с суммарным суточным выходом навоза 2,89 м3/сут. Длительность
сбраживания субстрата 10 сут.
Примем к установке два биореактора, вместимость каждого из которых составит:
Vтр = 2,89 ∙ 10/2 = 14,45 м3.
Оптимальный радиус биореактора будет равен:
R = 3 14,45 /(2 ⋅ 3,14) = 1,32 м.
Примем к установке биореактор радиусом R = 1,2 м и высотой h = 4 м. Объем каждого биореактора
V = 3,14 ⋅ 1,2 2 ⋅ 4 = 18,09 м 3 .
Площадь поверхности каждого биореактора:
S = 2 ⋅ 3,14 ⋅1,2 2 + 2 ⋅ 3,14 ⋅1,2 ⋅ 4 = 39,21 м 2 .
Несколько большие размеры реактора по сравнению с требуемыми для размещения
субстрата обеспечивают свободное пространство над поверхностью сбраживаемой массы
для накопления биогаза. В случае совмещенных биореакторов-газгольдеров общий объем
реактора должен превышать требуемое значение на величину двух-, четырехчасового выхода биогаза.
8.3. Тепловой расчет биореакторов
8.3.1. Определение теплозатрат на собственные нужды биореакторов
Статьи расхода теплоты на нужды биогазовой установки:
– на подогрев свежего субстрата до температуры брожения;
– на компенсацию теплопотерь биореактора через ограждающие конструкции;
– на компенсацию теплопотерь биореактора с биогазом и с водяными парами.
Тепловой поток, кВт, для подогрева свежего субстрата:
Qc =
mс c p (t бp − t c )
3600Δτ
,
(8.15)
где mc – загрузка субстрата, кг/сут; cp – теплоемкость субстрата, кДж/(кг⋅°С); tбр – температура брожения, °С; tс – минимальная температура свежего субстрата, °С; Δτ – время
нагрева, ч.
Минимальная температура свежего субстрата принимается равной 5 °С в холодный
период года и 15 °С в теплый.
Суточная загрузка, кг, субстрата определяется как
mc = ρGн ,
69
(8.16)
где ρ – плотность субстрата, кг/м3, для технических расчетов можно принять ρ = 900 кг/м3.
Тепловой поток, кВт, через ограждающие конструкции рассчитывается по формуле
Qк = Fk (tбр − tн ),
(8.17)
где F – поверхность теплообмена реактора, м2; k – коэффициент теплопередачи ограждающих конструкций, Вт/(м2⋅К); tн – расчетная температура наружного воздуха для холодного периода года.
Теплопотери Qбиог, кВт, связанные с выходом биогаза из реактора, определяются как
Qбиог =
Qг Vбиог
24 ⋅ 3600
,
(8.18)
где Qг – объемное теплосодержание биогаза, кДж/м3:
Qг = ρcбиог t р ,
(8.19)
где ρ – плотность газа, кг/м3; сбиог – удельная теплоемкость биогаза, кДж/(кг⋅К); tp – температура газа, °С.
Считая, что биогаз подобен смеси идеальных газов, плотность i-го компонента биогаза ρi определяют по формуле
Pμ i ki
ρi =
,
(8.20)
RT
где P – абсолютное давление биогаза (избыточное давление газа в биореакторе принимается равным 2–3 кПа); μi – молекулярная масса i-го компонента; ki – объемная доля i-го
компонента; R = 8,31 кДж/(кмоль ⋅ К) – универсальная газовая постоянная; Т – абсолютная
температура газа, равная температуре режима сбраживания, К.
Теплоемкость газовой смеси при постоянном давлении:
n
сбиог =  vi ci ,
(8.21)
i =1
где vi – объемная доля i-го компонента в газе; ci – теплоемкость i-го компонента при постоянном давлении.
Биогаз насыщен водяными парами, поэтому необходимо учесть и тепловую энергию, уносимую с ними. Теплопотери Qв.п, связанные с уносом водяного пара, определяются так же, как и для теплового потока, уносимого биогазом.
Суммарный тепловой поток, кВт, расходуемый на собственные нужды биогазовой
установки, определяется как
(8.22)
 Q = Qс + Qк + Qбиог + Qв.п .
Этот тепловой поток необходимо компенсировать с помощью системы обогрева
биореактора.
8.3.2. Расчет поверхностей нагрева биореакторов
Методика расчета приводится для биореактора, в котором в качестве нагревательных приборов используются гладкие трубы, расположенные вдоль стенок реактора по его
70
периметру. Теплоносителем является горячая вода. Для предотвращения налипания субстрата на поверхность приборов температура воды на входе в спиральный теплообменник
при мезофильном режиме сбраживания принимается не выше 60 °С.
Поверхность теплообмена F, м2, определяется как
F=
Q
,
kΔt
(8.23)
где Q – тепловой поток, который необходимо возместить нагревательными приборами,
Вт; k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м ⋅ °С); Δt – средний перепад температур, °С.
Для расчета коэффициента k нужно найти среднюю температуру теплоносителя.
Для этого сначала вычисляется площадь живого сечения трубы f, м2, по которой он циркулирует:
f = πd 2 / 4 ,
(8.24)
где d – внутренний диаметр трубы, м.
Объемный расход теплоносителя, м3/с, определяется как
V = fv,
(8.25)
где v = 1,0…1,2 м/с – скорость движения теплоносителя.
Массовый расход теплоносителя, кг/с:
G = Vρ,
(8.26)
где ρ – плотность теплоносителя, кг/м3.
Перепад температур на входе и выходе нагревательных приборов Δt, °С:
Δt =
Q
,
Gс
(8.27)
где с = 4,18 кДж/(кг ⋅ °С) – удельная теплоемкость воды при начальной температуре теплоносителя tв.н = 60 °С.
Конечная температура воды tв.к, °С, на выходе из приборов:
tв.к = tв.н − Δt.
(8.28)
Средняя температура теплоносителя, °С:
tср = (tв.н + tв.к ) / 2.
(8.29)
Коэффициент теплопередачи k, Вт/(м2 ⋅ °С), находится по формуле для цилиндрической стенки:
1
1
1
1
=
+
+
+ Rн + Rв ,
(8.30)
k α в d в 2λ ln[d н / d в ] λd н
где dв и dн – соответственно внутренний и наружный диаметр трубы, м; αв и αн – коэффициенты теплоотдачи с внутренней и внешней поверхности трубы соответственно, Вт/(м2 ⋅ °С);
λ – коэффициент теплопроводности материала, из которого сделана стенка, для стали
71
λ = 60 Вт/(м ⋅ °С); Rн и Rв – соответственно факторы загрязнения со стороны субстрата
и со стороны теплоносителя, (м2⋅°С)/Вт.
Расчет коэффициентов теплоотдачи выполняется с использованием критериев подобия. Режим течения теплоносителя определяется по величине числа Рейнольдса (Re):
Re = Vd / ν,
(8.31)
где ν = 0,485 ⋅ 10–6 м2/с – кинематическая вязкость жидкости (воды); d – характерный размер (диаметр трубы), м.
Коэффициент теплоотдачи α, Вт/(м2⋅°С), вычисляется как
α = l Nu / λж ,
(8.32)
где l – характерный линейный размер системы, м; λж – коэффициент теплопроводности,
Вт/(м⋅°С); Nu – число Нуссельта:
0,68
Nu = 0,021Re 0,8
/ Prс0, 25 ,
ж Prж
(8.33)
где Prж и Prс – значения критерия Прандтля, относящиеся к средней температуре жидкости
и стенки соответственно.
При расчете коэффициента тепловосприятия со стороны сбраживаемого субстрата
используются формулы для свободного конвективного теплообмена. Уравнение средней
теплоотдачи для горизонтальных труб диаметром d при 103 < Grж Prж < 108 имеет вид:
Nu = 0,5(Grж Prж2 ) 0, 25 / Prс0, 25 ,
(8.34)
где Grж – критерий Грасгофа, определяемый по формуле
Grж = gβΔtd 3 / χ 2 ,
(8.35)
где g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения; β = 3,54 ⋅ 10–4 К–1 – коэффициент объемного расширения среды; d – наружный диаметр трубы, d = 0,057 м; Δt – характерная разность температур, Δt = 15 °С; χ = 0,732 ⋅ 10–6 м2/с – кинематическая вязкость субстрата.
Средний температурный напор, °С:
Δt = (Δtб − Δtм ) / ln[Δtб /Δtм ] ,
(8.36)
где Δtб = Δtв.н – tбр, °С; Δtм = Δtв.к – tбр; tбр – температура в бродильной камере, °С.
Общая требуемая длина труб для обогрева, м:
l=
F
.
πd н
(8.37)
При расчете для горизонтальных труб вычисляется внутренний периметр П, м,
биореактора:
П = πDв.
(8.38)
72
8.3.3. Тепловой баланс биогазовой установки
Тепловой поток Qг* , кВт, эквивалентный потенциальному количеству теплоты, образующемуся при сжигании выделившегося биогаза, составит:
Qг* = QнVбиог / 86 400 ,
(8.39)
где Qн – низшая теплота сгорания биогаза, кВт/м3; Vбиог – выход биогаза, м3/сут.
Коэффициент расхода биогаза на собственные нужды биогазовых установок:
ηбиог =
ΣQ
,
Qг η
(8.40)
где ΣQ – суммарный тепловой поток биогазовой установки на собственные нужды, кВт;
Qг – удельное теплосодержание биогаза, кДж/м3; η – КПД нагревательного устройства.
т
, м3/сут, составит:
Количество товарного биогаза Vбиог
т
Vбиог
= Vбиог (1 − ηбиог ).
(8.41)
Приведем пример теплового расчета биореактора. Определить тепловую потребность сельскохозяйственной биогазовой установки, расположенной в районе с расчетной
температурой наружного воздуха в холодный период года tн = –6 °С. Установка оборудована двумя биореакторами радиусом 1,2 м и высотой 4 м. Общее количество жидкого субстрата Gн = 2,89 м3, влажность субстрата W = 90 %. Длительность сбраживания τ = 10 сут.
Режим сбраживания – мезофильный (tр = 35 °С). Жидкий навоз в количестве 2,89 м3
из животноводческих помещений подается в бродильную камеру биогазового реактора
два раза в сутки при помощи шнека. Для обеспечения надежного перемешивания содержимого бродильной камеры установлена мешалка, закрепленная на раме в верхней ее части, а также внизу реактора, при этом лопасти мешалки выполнены в виде дуг, выпуклые
части которых направлены в сторону их вращения и закреплены на оси в шахматном порядке. Реактор имеет изоляцию, которая стабильно поддерживает режим сбраживания
и поддается быстрой замене при выходе из строя. Выход биогаза составляет 72,26 м3/сут.
Потенциальный тепловой поток от сжигания выделившегося биогаза составит:
Qг* = 25 000 ⋅ 72,26 / 86 400 = 20,9 кВт.
Суточная загрузка, кг, субстрата составит:
mc = 900 ⋅ 2,89 = 2601,36 кг.
Тепловой поток, необходимый для подогрева свежего субстрата при продолжительности нагрева Δτ = 24 часа, составит:
– для холодного периода года
Qc =
2301⋅ 4,2(35 − 5)
= 3,79 кВт;
3600 ⋅ 24
– для теплого периода года
73
Qc =
2301⋅ 4,2(35 − 15)
= 2,53 кВт.
3600 ⋅ 24
Тепловой поток через ограждающие конструкции для каждого биореактора:
Qк = 37,7 ⋅ 0,2(35 − (−6)) = 0,309 кВт.
Для определения теплопотерь с биогазом вычислим его плотность. Состав биогаза
в % по объему: СН4 – 60 %, СО2 – 20 %, N2 – 19 %, Н2S – 1 %. Молекулярные массы компонентов: μ СН 4 = 16 , μ СО 2 = 44 , μ N 2 = 28, μ Н 2S = 34.
Плотность компонентов биогаза при избыточном давлении в биореакторе 2 кПа:
ρ СН 4 =
ρN2 =
0,6(101,325 + 2) ⋅16
0,2(101,325 + 2) ⋅ 44
= 0,388 кг/м3 ; ρ СО 2 =
= 0,356 кг/м3 ;
8,31(30 + 273,15)
8,31(30 + 273,15)
0,19(101,325 + 2) ⋅ 28
0,01(101,325 + 2) ⋅ 34
= 0,215 кг/м3 ; ρ Н 2S =
= 0,014 кг/м3 .
8,31(30 + 273,15)
8,31(30 + 273,15)
Суммарная плотность биогаза составит:
ρ = 0,388 + 0,356 + 0,215 + 0,014 = 0,973 кг/м3.
Изобарная теплоемкость биогаза сбиог составит:
сбиог = 0,6сСН 4 + 0,2сСО 2 + 0,19сN 2 = 1,66 кДж/(кг ⋅°С).
Удельное теплосодержание биогаза Qг:
Qг = 1,66 ∙ 0,973 ∙ 35 = 56,53 кДж/м3.
Теплопотери, связанные с выходом биогаза из реактора:
73,76 ⋅ 56,53
= 0,048 кВт.
24 ⋅ 3600
Давление насыщенных водяных паров при температуре 35 °С составляет 4,754 кПа,
теплоемкость с = 4,174 кДж/(кг⋅°С). Плотность водяного пара ρв.п составит:
Qг =
ρ в.п =
18 (101,3 + 4,754)
= 0,746 кг/м3 .
8,31 ⋅ 308
Объемное теплосодержание водяного пара:
Qп = 0,746 ∙ 4,174 ∙ 35 = 108,6 кДж/м3.
Теплопотери с водяными парами:
Qв.п =
72,26 ⋅108,6
= 0,091 кВт.
24 ⋅ 3600
74
Суммарные теплопотери двух биореакторов:
Qг = 0,309 ⋅ 2 + 0,047 + 0,091 = 0,757 кВт.
Суммарный тепловой поток на нужды биогазовой установки:
Qт = 0,765 + 3,793 = 4,549 кВт.
Для каждого биореактора:
Qт1 = Qт2 = 4,549 / 2 = 2,275 кВт.
Обогрев биореактора выполняется путем размещения по периметру его стенок теплообменников в виде спирали из труб. Теплоноситель – горячая вода, нагреваемая в специальном помещении телятника. Температура воды на входе в спиральный теплообменник равна 60 °С, скорость ее движения V = 1 м/с. Выгрузка сброженного осадка выполняется с помощью выгружного устройства, состоящего из двух емкостей прямоугольного
сечения, расположенных одна в другой. Одна из них неподвижна, на нее устанавливается
биореактор. Другая подвижна, находится внутри первой и оборудована механизмом привода из двух цилиндров. Выгрузка происходит путем поступательного движения внутренней емкости внутри внешней при выдвижении штоков гидроцилиндров. Верхняя поверхность внутренней емкости предотвращает падение массы навоза до момента начала обратного движения емкости. Для лучшего сползания навоза по дну реактора оно расположено под углом 60° к поверхности емкости. Отверстие выгрузки оборудовано самозакрывающейся дверцей.
Расчет поверхностей нагрева проводится для одного биореактора. Тепловой поток
Qт, который необходимо возместить нагревательными приборами, составляет 2,275 кВт.
Предварительные расчеты показывают, что целесообразно выбрать трубы ∅50 с толщиной стенки 3 мм.
Площадь живого сечения трубы ∅50 составит:
f = 3,14 ∙ 0,952/4 = 1,9 ∙ 10–3 м2.
Секундный объемный расход теплоносителя:
V = 1,96 ∙ 10–3 м3/с.
Плотность воды при температуре 60 °С составляет 983,2 кг/м3. Массовый расход
теплоносителя составит:
G = 1,96 ∙ 10–3 ∙ 983,2 = 1,93 кг/с.
Средний температурный напор составит:
Δt =
2,275
= 0,282 °С.
1,93 ⋅ 4,18
Конечная температура воды на выходе из приборов:
tв.к = 60 – 0,282 = 59,718 °С.
75
Средняя температура теплоносителя:
tср = (60 + 59,718)/2 = 59,86 °С.
Число Re будет равно:
Re =
1 ⋅ 0,05
= 1,03 ⋅106 > 10 4 ,
−6
0,485 ⋅10
следовательно, режим движения теплоносителя турбулентный.
Значения критерия Прандтля, относящиеся к температуре жидкости: Prж = 2,59;
стенки: Prс = 2,98. Подставив значения в формулы (8.32) и (8.33), получим: Nu = 372,7;
αв = 4362 Вт/(м ⋅ °С).
Рассчитав коэффициент тепловосприятия со стороны навоза, по формулам
(8.41)–(8.45) получим: Gr = 2,4 ∙ 107; Pr = 4,87; Nu = 53,37; λ = 0,648 Вт/(м⋅°С). Поставив
полученные значения, вычислим αн = 519 Вт/(м2⋅°С). Значения факторов загрязнения примем по справочным данным: Rв = 0,002 м2 ⋅ °С/Вт; Rн = 0,02 м2 ⋅ °С/Вт.
Коэффициент теплопередачи составит: k = 30,05 Вт/(м2 ⋅ °С).
Определим средний температурный напор:
Δtб = 60 – 35 = 25 °С;
Δtм = 59,72 – 35 = 24,72 °С;
Δt = (25 – 24,72) / ln[25/24,72] = 24,72 °С.
Требуемая поверхность нагрева:
2,275 ⋅ 103
F=
= 3,045 м 2 .
30,05 ⋅ 24,86
Общая требуемая длина труб для обогрева:
l=
3,044
= 17 м.
3,14 ⋅ 0,057
Расчет выполнен для горизонтальных труб. Внутренний периметр биореактора:
П = 3,14 ⋅ 0,057 = 8,8 м.
Количество витков обогревательных труб:
n = 17/8,8 = 1,93 ≈ 2.
Принимаем теплообменник с двумя витками. Биореактор, обеспечивающий мезофильный режим, приведен на рис. 8.1.
76
Рис. 8.1. Биореактор для фермерского хозяйства:
1 – газопровод; 2 – цилиндрический корпус с теплоизоляцией; 3 – ось мешалки; 4 – лопасти мешалки;
5 – нагревательный элемент; 6 – крышка; 7 – электродвигатель; 8 – опора электродвигателя; 9, 10 – штуцеры
для входа и выхода теплоносителя; 11 – опора вала мешалки; 12 – опора биореактора; 13–18 – элементы
системы выгрузки субстрата; 19 – наклонное днище
Затраты теплоты на собственные нужды процесса:
– в холодный период года (зимнее время)
зимн
Qс.н
= (502,1 + 71,6) / 0,7 = 604,3 кДж;
77
– в теплый период года (летнее время)
лет
Qс.н
= 2,89 ⋅ 4,06(35 − 15) / 0,7 = 335,3 кДж.
Общее количество биогаза, на собственные нужды:
зимн
Vбиог.н
= 604,3 / 25 = 24,17 м3/сут;
лет
Vбиог.н
= 335,3 / 25 = 13,41 м3/сут.
Выход товарного биогаза:
зим
Vбиог.т
= 72,26 − 24,17 = 48,09 м3/сут;
лет
Vбиог.т
= 72,26 − 13,41 = 58,85 м3/сут.
Коэффициент расхода биогаза на собственные нужды:
зим
ηбиог
= 24,17 / 72,26 = 0,33;
лет
ηбиог
= 13,41 / 72,26 = 0,19.
На основании расчета для мезофильного режима расход биогаза на собственные
нужды в зимний период составляет 33 %, а в летний период 19 %. Таким образом, выход
товарного биогаза в зимний период составляет 67 %, а в летний период 81 % (рис. 8.2).
Рис. 8.2. Тепловой баланс сельскохозяйственной биогазовой установки
при мезофильном сбраживании
8.4. Гидравлический расчет трубопроводов для транспорта биогаза
Газовые приборы и агрегаты, работающие на биогазе, оборудуются, как правило,
газогорелочными устройствами низкого давления и достаточно чувствительны к колеба78
ниям давления, поэтому требуется тщательный гидравлический расчет газопроводов для
транспорта биогаза.
Для расчета газопроводов можно принять, что биогаз не имеет примесей и состоит
из метана на 55–65 % и углекислого газа на 45–35 %.
Движение биогазов в газопроводах низкого давления может быть в ламинарном,
переходном и турбулентном режимах. Потери давления H, Па, вычисляются по формулам
– для ламинарного режима (Re ≤ 2000)
H = 1,132 ⋅106 Qνρl / d 4 ;
(8.42)
– для критического режима (2000 < Re < 4000)
0,516ρlQ 2,333
H = 5,333 0,333 ;
d
ν
(8.43)
– для турбулентного режима (Re ≥ 4000)
Q2  n
νd 
H = 69ρl 5  + 1922 ⋅ 
Q
d d
0, 25
,
(8.44)
где ρ – плотность газа, кг/м3, при температуре в нормальных условиях; l – расчетная длина
газопровода постоянного диаметра, м; n – эквивалентная абсолютная шероховатость
внутренней поверхности стенки трубы, см; Q – расход газа, м3/ч; d – внутренний диаметр
газопровода, см; ν – кинематическая вязкость газа, м2/с.
Если рассматривать трубопровод с известной шероховатостью, по которому транспортируется определенный биогаз, то величины ρ, n, ν можно принять постоянными.
Тогда удельное падение давления на единицу длины трубопровода, Па/м, для любого гидравлического режима будет функцией только аргументов Q и d.
Приведем методику расчетов для трех биогазов, различных по составу и характеристикам. Значения кинематической вязкости ν, м/с2, и плотности ρ, кг/м3, биогазов приведены в табл. 8.6.
Таблица 8.6
Физико-химические свойства биогазов
Объемная доля компонентов, %
СН4
СО2
Кинематическая
вязкость ν, м/с2
Биогаз 1
55
45
10,58 ⋅ 10–6
1,28
Биогаз 2
60
40
11,67 ⋅ 10
–6
1,22
Биогаз 3
65
35
12,05 ⋅ 10
–6
1,16
Тип газа
Плотность ρ,
кг/м3
Расчеты по формулам (8.42)–(8.44) громоздки, поэтому для каждого биогаза с учетом значений кинематической вязкости, плотности и эквивалентной абсолютной шероховатости внутренней поверхности стенок стальных труб (0,01 см) они приобретают вид:
– для ламинарного режима
H = K1 Q / d 4 ;
(8.45)
– для критического режима
H = K 2 Q 2,333 / d 5,333 ;
79
(8.46)
– для турбулентного режима
d
Q 2  0,01
H = K 3 5 
+ K 4 
Q
d  d
0, 25
.
(8.47)
Значения коэффициентов K1, K2, K3 и K4 приведены в табл. 8.7.
Таблица 8.7
Расчетные коэффициенты K1, K2, K3 и K4 для биогазов
Тип газа
K1
K2
K3
K4
Биогаз 1
Биогаз 2
Биогаз 3
15,33
16,12
15,82
29,97
27,65
26,01
88,22
84,17
80,04
0,02
0,022
0,023
Для выбранных биогазов можно вычислить пограничные значения расходов по
приведенным ниже формулам:
– биогаз 1
2000dν 2000d ⋅ 10,58 ⋅ 10−6
Q2000 =
=
= 0,598d ;
(8.48)
0,0354
0,0354
Q4000 =
4000dν 4000d ⋅ 10,58 ⋅ 10−6
=
= 1,196d ;
0,0354
0,0354
(8.49)
– биогаз 2
Q2000 =
2000dν 2000d ⋅ 11,67 ⋅ 10 −6
=
= 0,659d ;
0,0354
0,0354
(8.50)
Q4000 =
4000dν 4000d ⋅ 11,67 ⋅ 10−6
=
= 1,319d ;
0,0354
0,0354
(8.51)
2000dν 2000d ⋅ 12,05 ⋅ 10−6
=
=
= 0,68d ;
0,0354
0,0354
(8.52)
4000dv 4000d ⋅12,05 ⋅10 −6
=
= 1,36d .
0,0354
0,0354
(8.53)
– биогаз 3
Q2000
Q4000 =
С учетом формул (8.48)–(8.53) в логарифмической сетке построены номограммы
для гидравлического расчета биогазопроводов низкого давления (рис. 8.3–8.5). Номограммы охватывают диапазоны по расходу биогаза 0,1–2000 м3/ч и по удельным потерям
давления 0,1–50 Па/м.
80
Рис. 8.3. Номограмма для расчета биогазопроводов низкого давления
(биогаз 1: СН4 – 55 %, СО2 – 45 %, ρ = 1,28, ν = 10,56 ∙ 10–6)
81
Рис. 8.4. Номограмма для расчета биогазопроводов низкого давления
(биогаз 2: СН4 – 60 %, СО2 – 40 %, ρ = 1,22, ν = 11,67 ∙ 10–6)
82
Рис. 8.5. Номограмма для расчета биогазопроводов низкого давления
(биогаз 3: СН4 – 65 %, СО2 – 35 %, ρ = 1,16, ν = 12,05 ∙ 10–6)
83
Приведем пример гидравлического расчета газопроводов системы снабжения биогазом объектов фермерского хозяйства. Средний состав биогаза по объему: метана – 60 %,
углекислого газа – 40 %. Газ из двух метантенков в количестве 3,01 м3/ч через влагоотделитель направляется для отопления телятников. В летнее время года на нужды телятника
требуется 1,757 м3/ч биогаза, в зимнее время – 7,04 м3/ч, т. е. в летнее время года имеется
избыток биогаза, накапливаемый в газгольдере, откуда он отбирается в холодный период.
В результате расчета тепловых нагрузок установлено, что после покрытия собственных
нужд биогазовой установки и всех технологических и отопительных тепловых нагрузок
помещений хозяйства остается избыток биогаза в количестве 0,504 м3/ч, который может
быть реализован другим потребителям. Давление биогаза на выходе из биореакторов составляет 1,6 кПа.
Для удобства расчета составим расчетную схему газопроводов на рис. 8.6, на которой условными обозначениями покажем метантенки, влагоотделитель, регулятор давления, газгольдер.
Рис. 8.6. Расчетная схема биогазовой сети фермерского хозяйства
Разобьем сеть газопроводов на расчетные участки: участок 1–2 – от биореакторов
до точки отбора товарного биогаза; участок 2–3 – до байпасной линии газгольдера, обеспечивающий непосредственный отбор газа в теплый период года; участок 3–4 – байпас
газгольдера; участок 3–5–4 – основной газопровод через газгольдер; участок 4–6 – газопровод в помещение телятника; участок 2–7 – ответвление для отбора товарного биогаза.
На расчетной схеме укажем расходы газа на участках сети, а также определенные в результате расчета диаметры участков и давление в узловых точках.
Для определения удельных потерь давления используем номограмму на рис. 8.4.
Потери давления в местных сопротивлениях учтем, увеличив расчетную длину на 10 % по
сравнению с действительной. На конечном участке газопровода к помещениям телятников
принимаем расчетный расход биогаза для холодного периода года. Результаты расчетов
сведем в табл. 8.8.
Биогазопроводы целесообразно проектировать надземными, с прокладкой на опорах высотой 2,2 м на территории хозяйства, а в местах проезда автотранспорта – высотой
5 м. Расстояние между опорами в зависимости от диаметра газопровода принимается: l = 3 м
для труб ∅32; l = 6,5 м для труб ∅65; l = 10 м для труб ∅100.
84
Таблица 8.8
Гидравлический расчет биогазопроводов фермерского хозяйства
Номер
участка
1–2
Длина, м
действирасчеттельная
ная
29,2
32,12
Расход
газа, м3/ч
Диаметр
dн×δ, мм
Удельные
потери давления, Па/м
Потери давления на
участке, Па
Давление
в узле, Па
3,01
38×3
0,75
24,1
1575,9
2–3
4,0
4,4
2,506
38×3
0,5
2,2
1573,7
3–4
21,6
23,76
1,757
38×3
0,23
5,5
1568,2
4–6
12,8
14,1
7,04
38×3
3,5
49,4
1518,8
3–5
4,5
4,95
2,506
38×3
0,5
2,5
1571,2
5–4
14,8
16,28
7,04
38×3
3,5
57,0
1518,8
2–7
85
93,5
0,501
32×3
0,2
18,7
1582,3
8.5. Пересчет газогорелочных устройств для сжигания биогаза
Для сохранения тепловой мощности газовой горелки при переводе на биогаз требуется изменить площадь огневых отверстий с сохранением соотношения скорости газа
и скорости воздуха на выходе из огневых отверстий. Требуемая площадь отверстий F1, м2,
при сжигании биогаза определяется по формуле
F1 = FQнгаза / Qнбиог ,
(8.54)
где F – площадь огневых отверстий при сжигании природного газа, м2; Qнгаза и Qнбиог –
низшая теплота сгорания природного газа и биогаза соответственно, МДж/м3.
При изменении состава газа и необходимости сохранения конструктивных размеров горелок при неизменной тепловой мощности необходимо изменить давление газа
и воздуха перед горелкой. Для нагнетания требуемого давления используются радиальные
вентиляторы или ротационные компрессоры.
Требуемое давление биогаза p1, Па, определяется как
ρ
p1 = p ⋅ биог
ρ газа
2
 Q газа 
⋅  нбиог  ,
 Qн 
(8.55)
где р – первоначальное давление природного газа, Па; ρгаза – плотность природного газа
первоначального состава, кг/м3; ρбиог – плотность биогаза, кг/м3.
Приведем пример пересчета газовой горелки для сжигания биогаза типа ГМГ-2
с теплотой сгорания 23,354 МДж/м3 и плотностью 1,13 кг/м3. Горелка рассчитана на сжигание газа с теплотой сгорания 36,539 МДж/м3 и плотностью 0,763 кг/м3. Паспортное давление природного газа перед горелкой – 3,6 кПа, давление воздуха – 1,2 кПа. В горелке
имеется 24 сопловых отверстия для выхода газа ∅7.
Решение. Суммарная площадь огневых отверстий горелки, рассчитанной на природный газ, F, м2, составляет:
F = 24 ⋅ 3,14 ⋅ 0,007 2 / 4 = 9,232 ⋅ 10 −4 м 2 .
Новая площадь огневых отверстий для работы на биогазе:
F1 = 9,232 ⋅10−4 ⋅ 36,539 / 23,354 = 1,444 ⋅10−3 м 2 .
85
Если оставить количество огневых отверстий равным 24, то необходимо увеличить
диаметр всех отверстий до нового d1 или диаметр каждого третьего отверстия увеличить
до 11,5 мм, а остальные оставить по 7 мм. Диаметр d1 будет равен:
d1 = 4 ⋅ 6,016 ⋅10 −5 / 3,14 = 0,00875 м = 8,75 мм.
При сохранении первоначальных размеров горелки требуемое давление газа
2
p1 = 3 ⋅
1,13  36,539 
⋅
 = 13 051 Па.
0,763  23,354 
8.6. Расчет биогазовых теплогенераторов и электрогенераторов
Утилизация биогаза с получением тепла предусматривает использование теплогенереаторов, а электроэнергии – электрогенераторов. Для совместного получения тепла
и электроэнергии можно использовать когенераторы.
Расход биогаза для получения тепла, электроэнергии qбиог, м3/ч, определяется как
qбиог =
3600P
,
ηQн
(8.56)
где P – паспортная мощность генератора (тепловая, электрическая), Вт; η – КПД генератора (тепловой, электрический); Qн – низшая теплота сгорания биогаза, кДж/м3.
Приведем пример расчета биогазового когенератора. Требуется определить расход очищенного биогаза с низшей теплотой сгорания 30 000 кДж/м3 для получения электрической и тепловой энергии когенератором Caterpillar CG170-20, имеющим максимальный расход топлива с данной теплотой сгорания 580 м3/ч, электрическую мощность –
2000 кВт, электрический КПД – 43,7 %, тепловую мощность – 1977 кВт, тепловой КПД –
43,2 %.
Расход биогаза для получения электроэнергии qбиог.эл:
qбиог.эл =
3600 ⋅ 2000
= 549,2 м 3 /ч.
0,437 ⋅ 30 000
Расход биогаза для получения тепловой энергии qбиог.теп:
qбиог.теп =
3600 ⋅1977
= 549,17 м 3 /ч.
0,432 ⋅ 30 000
Вопросы для самоконтроля
1. Назовите статьи расхода теплоты на собственные нужды биогазовой установки.
2. При какой геометрической форме биореактора его теплопотери минимальны?
3. Какие мероприятия проводятся для сохранения тепловой мощности газовой горелки при переводе на биогаз?
4. Как найти расход сжигаемого биогаза для получения тепла и электроэнергии?
86
9. ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ
БИОГАЗОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
9.1. Экологические аспекты утилизации биогазов КОС и СХП
Использование биогазовых технологий сопровождается следующими экологоэкономическими эффектами:
– экономией природного газа за счет замены его на биогаз с довольно высокой теплотой сгорания (20–25 МДж/м3);
– обеззараживанием органических отходов, падали от патогенной микрофлоры;
– дезодорацией выделяемых неприятных запахов;
– использованием сброженного осадка как удобрения, что позволяет на 10–15 %
повысить урожайность выращиваемых культур.
В табл. 9.1 приведены данные о положительном эффекте от внедрения технологии
анаэробного сбраживания.
Таблица 9.1
Положительный эффект от анаэробного сбраживания субстрата
Эффект
Оценка эффекта
3
Получение биогаза
Снижение биологической зараженности воды и почвы
Уничтожение семян сорняков
Повышение ценности биологического удобрения
Получение протеина (витамина В12)
Снижение вредных выбросов в атмосферу
Выход газа 0,3–0,4 м на 1 кг сухой органической массы
(0,3 т у.т. на 1 усл. гол. крупного рогатого скота)
Снижение загрязнения сточных вод на 70–90 %
Сокращение потерь зерновых на 4–5 ц/га за счет сокращения потерь
азота на 140 кг/га, калия 120 кг/га, фосфора 30 кг/га на питание
Снижение потерь азота на 20 %, повышение биологической активности азотных удобрений, повышение урожайности на 8–12 %
Получение витаминного концентрата 1 т/год на 1 голову крупного
рогатого скота (0,15 кг чистого витамина В12)
Уменьшение вредных выбросов за счет вытеснения биогазом твердого или жидкого топлива
Таким образом, применение этой технологии способствует решению вопросов, связанных с охраной окружающей среды, экономией энергоресурсов и увеличением производства сельхозпродукции, поэтому и оценка ее должна быть комплексной.
Количество биогаза, образующегося при разложении органических веществ, содержащихся в субстрате, и его состав зависят от вида перерабатываемого субстрата и технологии сбраживания. Сравнительная оценка выхода биогаза приведена в табл. 9.2.
Таблица 9.2
Выход биогаза при сбраживании сельскохозяйственных отходов
Объем биогаза, м3, приведенный к различным удельным показателям
Виды животных
Крупный рогатый скот
Свиньи
Птица
На 1 м3 объема
реактора в сутки
0,5–2
0,5–2
0,5–2
На 1 голову
в сутки
0,6–1,5
0,8–1,8
1,0–2,0
87
На 1 м3 или
1 т субстрата
15–25
25–35
40–50
На 1 кг внесенного органического вещества, м3
0,2–0,45
0,3–0,5
0,5–0,6
Результаты расчетов, приведенные в табл. 9.3 для крупных животноводческих комплексов для мезофильного брожения и самотечной системы удаления навоза, показывают,
что использование биогаза позволяет экономить на комплексе 150–7000 т у.т./год.
Таблица 9.3
Показатели применения технологии анаэробного сбраживания
на крупных животноводческих комплексах
Наименование животноПроизводительводческих комплексов ность, тыс. гол./год
По выращиванию
свиней
Крупного рогатого скота
молочного направления
Выход биогаза
Количество жидких
отходов, т/сут
т/сут
79200
158,4
356,4
712,8
28
56
84
112
140
215
430
2,78
5,57
12,53
25,07
0,52
1,04
1,6
2,09
2,62
4,17
8,33
12
24
54
108
0,4
0,8
1,2
1,6
2
5
10
Экономия энертыс. м3/год гии, т у.т./год
1015
2033
4573
9151
190
380
584
793
956
1522
3040
797
1597
2593
7190
149
299
459
587
751
1196
2389
В приведенных в табл. 9.3 результатах расчетов выход биогаза принят в зависимости от содержания абсолютно сухого вещества в навозе, теплота сгорания биогаза принята
22 МДж/м3.
Однако использование для получения биогаза энергетических культур подвергается критике со стороны общественных экологических организаций. К отрицательным сторонам они относят:
– высвобождение парниковых газов, связанное с использованием азотных удобрений;
– загрязнение фосфатными удобрениями земель и грунтовых вод;
– орошение;
– вытеснение производства продовольственных культур;
– рост цен на продукты питания.
Следует также иметь в виду, что получение биогаза сопровождается неизбежными
его утечками в окружающую среду, что создает опасность токсического воздействия, вызывает асфиксию (удушье) у людей и животных, инфекционные заболевания, а наличие
неприятных запахов, обусловленных наличием примесей сероводорода, аммиака, – утомляемость и раздражительность.
При недостаточной газонепроницаемости биореакторов, коррозионных повреждениях элементов газопроводов, уплотнений, нагнетательных устройств или арматуры биогаз способен загрязнять почвы, грунтовые воды и атмосферу. Для обнаружения утечек
обогащенного биогаза рекомендуется его одоризация этилмеркаптаном или метилмеркаптаном по аналогии с природным газом.
9.2. Экологические аспекты утилизации биогаза с полигонов и свалок ТБО
На полигоны и свалки нередко вывозятся токсичные отходы. Поэтому образующийся на них свалочный биогаз представляет бóльшую опасность, чем другие виды биогазов. Если газ не утилизируется, то сначала он накапливается и мигрирует в толще слоя
отходов, а затем постепенно выходит в атмосферу, в грунт и подземные воды на прилегающей территории.
88
Накапливаясь и распространяясь в грунте, биогаз может вызывать асфиксию корневой системы растений, проникать и скапливаться в подвалах, цокольных этажах зданий,
коллекторах и шахтах, что может стать причиной взрывов и пожаров, коррозионных повреждений. У находящихся в зданиях людей биогаз может вызвать «синдром больного
здания» и отравления, в том числе со смертельными исходами.
Содержащиеся в биогазе вещества, например бенз(а)пирен, фенол, ксилол, диоксины, при попадании в организмы людей и животных увеличивают опасность развития онкологических заболеваний. Влияние примеси фтор- и хлорсодержащих углеводородов на
климат в 715 раз сильнее, чем метана, и в 15 000 раз сильнее, чем углекислого газа. Наличие в свалочном биогазе аммиака, сероводорода, меркаптанов, различных эфиров, алкилбензолов даже в малых количествах приводит к появлению в воздухе неприятных запахов, что влияет на самочувствие жителей.
За счет утилизации биогаза концентрации большинства загрязняющих веществ,
в нем содержащихся, снижаются до фонового уровня. В табл. 9.4 в качестве примера приведены значения среднегодовых приземных концентраций ряда веществ, которые содержались бы в наружном воздухе вблизи полигона «Центральный» (Волгоград) начиная
с теплого периода 2006 г. в случае внедрения и невнедрения системы утилизации биогаза.
Таблица 9.4
Приземные концентрации в воздухе компонентов биогаза вблизи полигона «Центральный»
Концентрация, мг/м3
Вещество, контрольная точка, год
Метан, 10 м от полигона, 2007
Метан, 450 м от полигона, 2007
Метан, 500 м от полигона, 2007
Сероводород, 10 м от полигона, 2006
Сероводород, 450 м от полигона, 2006
Сероводород, 500 м от полигона, 2006
Аммиак, 10 м от полигона, 2006
Аммиак, 450 м от полигона, 2006
Аммиак, 500 м от полигона, 2006
Без системы утилизации биогаза
72,2
21,2
22,5
0,004
0,004
0,0065
0,15
0,15
0,18
При наличии системы
утилизации биогаза
0,15
0,15
0,15
0,000016
0,000016
0,000016
0,0001
0,0001
0,0001
Снижение загрязненности воздуха веществами, содержащимися в биогазе, до фонового уровня позволяет также уменьшить размеры санитарно-защитных зон до минимальных размеров, которые в настоящее время в соответствии с действующими нормативными документами в РФ составляют 500 м для полигонов и свалок ТБО и 3 км для полигонов промышленных отходов.
Накопление биогаза в высоких концентрациях в теле полигонов и свалок ТБО при
недостаточной его откачке приводит к образованию пустот, которые создают опасность
просадки грунта, взрывов и очагов скрытых пожаров, подобных торфяным. Просадки
приводят к деформациям в толще отходов, которые могут вызвать повреждения гидроизоляции и других инженерных сооружений, таких как шахты и колодцы, газопроводы.
Среднегодовая осадка более 10 мм на 1 м высоты массива отходов считается плохой, 5 мм –
удовлетворительной, а менее 1 мм – оптимальной.
Процессы, происходящие на полигоне, необходимо исследовать и оценивать в ходе
экологического мониторинга не только в фазе эксплуатации полигона, но и еще долгое
время после его закрытия. Наблюдения на полигоне можно прекратить только тогда, когда
можно ожидать, что и без технического обслуживания и ремонта поверхностной гидроизоляции не произойдет недопустимый выброс вредных веществ.
89
После заполнения участка полигона устраивается окончательное покрытие и рекультивация поверхности. Покрытие должно быть водо- и газонепроницаемым для
предотвращения попадания осадков в тело захоронения. Отвод биогаза выполняется с помощью газодренажных скважин и сборных коллекторов в газосборный пункт для очистки
от вредных составляющих, подачи в компрессор и далее потребителю. Таким образом,
выполняется защита окружающей среды от вредных веществ и появляется возможность
сэкономить природное топливо.
9.3. Экономические аспекты применения биогазовых технологий
Производство биогаза оправдано экономически при соблюдении следующих условий:
– обеспеченность сырьем с минимальными расходами на транспорт и хранение;
– система использования биогаза без накопления и хранения;
– дешевый источник низкопотенциального тепла для обогрева и термостартирования метантенков.
Использование биогаза в котельных городских очистных сооружений уменьшает
загрязнение атмосферы и обеспечивает значительное сокращение привозного топлива.
Экономический эффект от использования газа метантенков (табл. 9.5) выражается в экономии значительной части невосполнимых природных ресурсов (природного газа, мазута), которые расходуются для технологических нужд, отопления и горячего водоснабжения очистных сооружений канализации.
Таблица 9.5
Технико-экономические показатели установок по использованию газа метантенков
в котельных очистных сооружений
Производительность
очистных сооружений,
тыс. м3/сут
100
175
350
500
700
900
1000
Приведенное количество жителей,
тыс. чел.
333,3
583,3
1166,7
1666,7
2333,3
3000,0
3333,3
Количество
биогаза,
тыс. м3/год
2707
4737
9475
13 534
18 947
24 360
27 068
Количество замещаемого природного газа,
тыс. м3/год
1592
2786
5573
7960
11 144
14 329
15 922
Срок окупаемости, лет
6,9
5,3
2,4
2,1
1,4
1,1
1,05
Использование 1 м3 биогаза позволяет сэкономить 1,5 кг каменного угля, 12 кг
навозных брикетов, 0,6 кг керосина, 2 кВт∙ч электроэнергии или 3,5 кг дров.
Также экономия достигается за счет снижения платы за загрязнение атмосферы
веществами, содержащимися в биогазе. Величина платы за выброс i-го вещества Пi, руб.,
определяется как
(9.1)
П i = mi pi k ,
где mi – фактическая масса выброса i-го вещества, т; pi – норматив платы за единицу массы
выброса i-го загрязняющего вещества, руб./т; k – коэффициент повышения для территорий
и объектов, находящихся под особой охраной в соответствии с федеральными законами.
Приведем пример расчета по формуле (9.1). Требуется определить размер платы за
загрязнение атмосферы только метаном (без учета других вредных веществ, выделяемых
свалочной массой), выделяемым в количестве 8000 т/год в 2017 г. полигоном ТБО, расположенным на территории Московской обл. Для этого определим норматив платы за выброс
метана. В соответствии с [8] в 2017 г. для метана норматив платы составит pi = 108 руб./т.
90
Поскольку полигоны ТБО не располагаются на территории, находящейся под особой
охраной, то в данном случае ki = 1. Тогда величина платы составит:
Пi = 8000 ∙ 108 ∙ 1 = 864 000 руб./год.
Помимо экономии за счет снижения или полного прекращения выброса биогаза
в атмосферу, экономия может быть достигнута за счет налоговых льгот и прочих преференций за использование экологически безопасных, энергосберегающих технологий, величина которых зависит от экологической, экономической, политической обстановки
в стране и регионах.
При оценке экономической эффективности работы сельскохозяйственных биогазовых установок нужно учесть ряд факторов:
а) исходный субстрат – вид животных, содержание сухого вещества, количество
отходов, состав осадка;
б) местные условия – транспортирование исходных и конечных продуктов, имеющееся оборудование, потребление энергии, характер местности;
в) технология – предварительная обработка субстрата, конструктивные особенности биореактора;
г) производство биогаза – выход газа (м3 газа на 1 кг загружаемого субстрата), продуктивность (м3 газа на 1 м3 объема реактора в сутки), содержание метана в газе, потребность газа на поддержание технологических параметров процесса;
д) стоимость технологии – амортизация, стоимость метана, стоимость энергии, заработная плата обслуживающего персонала, прочие затраты;
е) степень использования биогаза – размеры аккумуляторов энергии, потребление
энергии в течение года, возможности преобразования энергии;
ж) побочные факторы, влияющие на производство биогаза, – на пригодность субстрата после сбраживания (в качестве удобрения), на окружающую среду, на продуктивность растений (урожайность после внесения удобрений).
В настоящее время на многие виды строительно-монтажных работ и оборудование
не существует нормативных расценок в соответствии с действующими ФЕРами, ТЕРами,
ЕНиРами. Для оценки стоимости строительства биогазовых систем приходится пользоваться методом приведенных затрат. Цена на оборудование определяется на основании
анализа рынка, данных прайс-листов поставщиков. Расходы, связанные с научноисследовательскими, проектно-конструкторскими работами и монтажом биогазового оборудования можно приблизительно оценивать как 50 % и 20 % от стоимости биогазового
оборудования соответственно, капитальный и текущий ремонт, поддержание работоспособного оборудования – 30 % от его стоимости.
Вопросы для самоконтроля
1. Назовите экологические эффекты, которые достигаются при использовании биогазовых технологий.
2. Назовите отрицательные стороны использования для получения биогаза энергетических культур.
3. Какие потенциальные опасности сопряжены с использованием биогазовых технологий?
4. Назовите экологические эффекты, которые достигаются при использовании биогазовых технологий.
5. Как рассчитывается размер взимаемой платы за загрязнение воздуха веществами,
содержащимися в биогазе?
6. Какие факторы нужно учесть при оценке экономической эффективности работы
сельскохозяйственных биогазовых установок?
91
Рекомендуемая литература
1. Баадер В. Биогаз. Теория и практика / В. Баадер, Е. Доне, М. Бренндерфер. – М. : Колос, 1982. –
184 с.
2. Брюханов О. Н. Газоснабжение / О. Н. Брюханов, В. А. Жила, А. И. Плужников. – М. : Издат.
центр «Академия», 2008. – 448 с.
3. Зомарев А. М. Санитарно-гигиенический мониторинг полигонов захоронения твердых бытовых
отходов / А. М. Зомарев. – Пермь : ПермГТУ, 2007. – 218 с.
4. ГОСТ 5542–2014. Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового
назначения. – Введ. 2015–07–01.
5. Мариненко Е. Е. Тенденции развития систем сбора и обработки дренажных вод и метансодержащего газа на полигонах твердых бытовых отходов: отечественный и зарубежный опыт / Е. Е. Мариненко,
Ю. Л. Беляева, Г. П. Комина. – СПб. : Недра, 2001. – 160 с.
6. Мариненко Е. Е. Основы получения и использования биотоплива для решения вопросов энергосбережения и охраны окружающей среды в жилищно-коммунальном и сельском хозяйстве : учеб. пособие /
Е. Е. Мариненко. – Волгоград : ВолгГАСА, 2003. – 100 с.
7. Методика расчета количественных характеристик выбросов загрязняющих веществ в атмосферу
от полигонов твердых бытовых и промышленных отходов. – М. : АКХ, 2004. – 20 c.
8. Постановление Правительства РФ от 13.09.2016 г. № 913 «О ставках платы за негативное воздействие на окружающую среду и дополнительных коэффициентах».
9. СП 42–101–2003. Общие положения по проектированию и строительству газораспределительных систем из металлических и полиэтиленовых труб. – Введ. 2003–07–08. – М. : Госстрой РФ, 2003. – 128 с.
10. Технологический регламент получения биогаза с полигонов твердых бытовых отходов: утв.
АКХ им. Памфилова 02.11.1995. – М. : Изд-во АКХ, 1989. – 19 c.
11. Фюкс Р. Зеленая революция: Экономический рост без ущерба для экологии / Р. Фюкс. – М. :
Альпина нон-фикшн, 2016. – 336 с.
12. Эдер Б. Биогазовые установки: практическое пособие / Б. Эдер, Х. Шульц. – Киев : Зорг Биогаз
Украина, 2008. – 268 с.
92
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение……………………………………………………………………………………………………….
1. История развития биогазовых технологий.……………………………………………………….………
Вопросы для самоконтроля…………………………………………………………………………………..
2. Использование биогаза в РФ и за рубежом…………………………………………………….…………
2.1. Использование биогаза в РФ………………………………………………………………………….
2.2. Использование биогаза за рубежом.………………………………………………….………………
Вопросы для самоконтроля…………………………………………………………………………………
3. Образование, классификация, состав и свойства биогазов………………………………………………
3.1. Условия и процесс образования биогаза……………………………………………………………..
3.1.1. Сырье для получения биогаза…………………………………………………………….………
3.1.2. Способы переработки биомассы для получения биогаза……………………………………….
3.2. Классификация и состав биогазов……………………………………………………….……………
3.3. Свойства биогазов………………………………………………………………………………………
3.3.1. Физико-химические и горючие свойства биогаза……………………………………………….
3.3.2. Расчеты горения биогаза…………………………………………………………………………..
3.3.3. Взаимозаменяемость биогаза и природного газа………………………………………………..
Вопросы для самоконтроля…………………………………………………………………………..…….
4. Конструктивное исполнение основного биогазового оборудования……………………………………
4.1. Биореакторы…………………………………………………………………………………….………
4.1.1. Общие требования, предъявляемые к биореакторам…………………………………………….
4.1.2. Схемы простейших биореакторов…………………………………………………………………
4.1.3. Схемы биореакторов с подогревом биомассы………………………………………….………..
4.2. Газогенераторы, работающие на отходах……………………………………………….…………….
4.3. Системы хранения биогаза…………………………………………………………….………………
4.4. Транспортировка биогаза………………………………………………………….…………………..
Вопросы для самоконтроля………………………………………………………….……………………..
5. Оборудование полигонов и свалок ТБО для сбора биогаза……………………………………………..
5.1. Газодренажные скважины на полигонах и свалках ТБО……………………………………………
5.2. Газоизоляция грунтов от биогаза на полигонах и свалках ТБО……………………………………
5.3. Расчет выхода биогаза на полигонах и свалках ТБО………………………………………………..
5.3.1. Расчет выхода биогаза с использованием методики АКХ им. К. Д. Памфилова………………
5.3.2. Расчет выхода биогаза с использованием методики «LandGEM»………………………………
Вопросы для самоконтроля………………………………………………………….……………………..
6. Подготовка биогаза к использованию………………………………………………………….………….
6.1. Основные требования к обработке биогаза…………………………………………………………..
6.2. Осушка биогаза………………………………………………………….……………………………..
6.3. Очистка от сероводорода и галогенсодержащих углеводородов……………………………………
6.3.1. Адсорбция активированным углем………………………………………….…………………….
6.3.2. Адсорбция оксидом железа (III)…………………………………………….…………………….
6.3.3. Абсорбция в промывочном растворе……………………………………………………………..
6.3.4. Каталитическое окисление…………………………………………………………………………
6.4. Обогащение биогаза…………………………………………………………….………………………
6.5. Сжатие биогаза………………………………………………………….………………………………
Вопросы для самоконтроля…………………………………………………………………………………
7. Рекомендации по составу биогазовых установок и утилизации энергии биогаза……………………..
7.1. Основные направления использования биогаза………………………………………………………
7.2. Использование биогаза метантенков в котельных очистных канализационных
сооружений…………………………………………………………………………………………………..
7.3. Применение биогаза метантенков в установках термической обработки осадков…………………
7.4. Утилизация энергии биогаза в установках переработки отходов сельскохозяйственного
производства……………………………………………………………………………………………
7.5. Утилизация биогаза на полигонах и свалках ТБО…………………………………………….……..
Вопросы для самоконтроля…………………………………………………………………………………
8. Расчеты биогазовых установок сельскохозяйственных предприятий и городских
канализационных очистных сооружений…………………………………………………………………….
8.1. Определение количества субстрата и выхода биогаза……………………………………………….
8.1.1. Расчет метантенков канализационных очистных сооружений………………………………….
8.1.2. Определение выхода биогаза на сельскохозяйственных биогазовых установках…………….
8.2. Определение размеров биореакторов…………………………………………………………………
8.3. Тепловой расчет биореакторов…………………………………………………………….………….
93
3
4
7
8
8
9
11
12
12
12
12
13
15
15
17
19
21
22
22
22
22
24
26
28
29
30
31
31
36
36
36
40
42
43
43
44
45
45
47
48
49
49
51
51
52
52
52
55
55
58
61
62
62
62
65
68
69
8.3.1. Определение теплозатрат на собственные нужды биореакторов………………………………
8.3.2. Расчет поверхностей нагрева биореакторов……………………………………………………..
8.3.3. Тепловой баланс биогазовой установки………………………………………………………….
8.4. Гидравлический расчет трубопроводов для транспорта биогаза……………………………………
8.5. Пересчет газогорелочных устройств для сжигания биогаза………………………….……………..
8.6. Расчет биогазовых теплогенераторов и электрогенераторов……………………………………….
Вопросы для самоконтроля…………………………………………………………….…………………..
9. Эколого-экономические аспекты применения биогазовых технологий……………………….……….
9.1. Экологические аспекты утилизации биогазов КОС и СХП……………………….…………………
9.2. Экологические аспекты утилизации биогаза с полигонов и свалок ТБО…………………………..
9.3. Экономические аспекты применения биогазовых технологий……………………………………..
Вопросы для самоконтроля…………………………………………………………….…………………..
Рекомендуемая литература……………………………………………………………………………………
94
69
70
73
78
85
86
86
87
87
88
90
91
92
Учебное издание
Комина Галина Павловна,
Сауц Артур Валерьевич
ПОЛУЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОГАЗА В РЕШЕНИИ ЗАДАЧ
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
Учебное пособие
Редактор О. Д. Камнева
Корректор К. И. Бойкова
Компьютерная верстка И. А. Яблоковой
Подписано к печати 28.12.17. Формат 60×84 1/8. Бум. офсетная.
Усл. печ. л. 5,58. Тираж 100 экз. Заказ 155. «С» 114.
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.
190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4.
Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, ул. Егорова, д. 5/8.
95
ДЛЯ ЗАПИСЕЙ
96
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
10
Размер файла
3 178 Кб
Теги
isp, komina, biog, poluch
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа