Барбара Эдер, Хайнц Шульц. Биогазовые установки. Практическое пособие

Подождите немного. Документ загружается.

Барбара Эдер

Хайнц Шульц

Биогазовые установки

Практическое пособие

Основы планирования

Строительные работы

Типы установок

Экономическая обоснованность

Издано в 1996 г.

Перевод с немецкого выпонен компанией Zorg Biogas в 2008 г.

http://www.zorg-biogas.com

Содержание

Стр.

Вступительное слово…………………………………………………………………………. 4

1 Основы биогазовой технологии…………………………………………………. 6

1.1 Биогаз вчера и сегодня

1.2 Кому выгодно строить биогазовую установку?

2 Процесс образования биогаза…………………………………………………….. 19

2.1 Возникновение биогаза

2.2 Благоприятная среда обитания бактерий

2.3 Субстраты и их влияние на процесс разложения

2.4 Характеризующие процесс параметры

2.5 Контроль процесса и управление им

2.6 Состав и качество биогаза

3 Субстраты…………………………………………………………………………….. 46

3.1 Выбор субстратов на пригодность

3.2 Вид и состав субстратов

3.3 Потенциал опасности разных видов субстратов

3.4 Составление смесей субстратов согласно содержанию сухого вещества

3.5 Оборот питательных веществ в системе образования биогаза

3.6 Загруженность ферментатора и потребности в складском пространстве

3.7 Пригодность субстратов с экономической точки зрения

3.8 Коферментация – концепция переработки отходов

3.9 Выбор субстрата и правовые предписания

4 Процессуальная техника…………………………………………………………… 83

4.1 Характеристики процесса

4.1.1 Метод работы на твердых субстратах

4.1.2 Метод работы на жидких субстратах

4.2 Типы строения ферментаторов

4.3 Строительные материалы и строительная техника для ферментаторов

4.3.1 Корпус резервуара

4.3.2 Теплоизоляция

4.3.3 Внешняя обшивка и защита от неблагоприятных погодных условий

4.3.4 Пленочные колпаки и пленочные перекрытия

4.3.5 Окраска, нанесение покрытия, уплотняющие материалы

4.4 Подача субстрата в ферментатор и лагуну

4.4.1 Котлован предварительного хранения, резервуар предварительного

смешивания

4.4.2 Непрямая подача в ферментатор

4.4.3 Прямая подача

4.4.4 Лагуны

4.5 Трубопроводы, насосы, арматура

4.5.1 Трубопроводы

4.5.2 Насосы

4.5.3 Арматура

4.6 Смесительная техника

4.6.1 Механические мешалки

4.6.2 Гидравлические мешалки

4.7 Отопительные устройства и получение тепла для обогрева процесса

4.7.1 Внешние теплообменники

4.7.2 Внутренние теплообменники

4.7.3 Расчет отопительной мощности и площади теплообмена

4.8 Контрольные, измерительные и управляющие приборы

4.8.1 Контроль процесса

4.8.2 Контроль установки

4.8.3 Оборудование для управления и контроля

4.9 Опорожнение тяжелой массы

5 Накопление газа, его очистка и использование………………………………. 140

5.1 Накопление газа

5.1.1 Накопители под низким давлением

5.1.2 Накопители со средним и высоким давлением

5.2 Очистка и обработка газа

5.3 Использование газа

5.3.1 Свойства биогаза

5.3.2 Использование биогаза

5.4 Производство электроэнергии и тепловой энергии при помощи одного

генератора

5.4.1 Двигатели, работающие на биогазе

5.4.2 Генераторы для установок с объединенной выработкой тепловой и

электрической энергии

5.4.3 Мероприятия по подключению к сети

5.4.4 Использование избытка тепла

5.4.5 Видение будущего – двигатель Стирлинга

5.4.6 Непосредственное производство электроэнергии в топливном элементе

5.4.7 Микрогазовая турбина

6 Техника безопасности и запуск в работу……………………………………….. 168

6.1 Техника безопасности

Вступительное слово

В последние годы значительно возросла заинтересованность к процессам

производства биогаза – это проявляется не только в возрастающем количестве

планирующихся и строящихся биогазовых установок, но и в заинтересованности все

большего числа фермеров, коммунальных хозяйств, предприятий, политиков и

частных хозяйств, которые внимательно наблюдают за развитием этого сектора.

Энергетическая отрасль уже также не относится с такой осторожностью к

децентрализации производства благодаря строительству биогазовых установок. Для

пищевой промышленности, гастрономии, больших ресторанов, учреждений

общественного питания и предприятий по переработке пищевых отходов технология

производства биогаза предоставляет шанс дешевой утилизации органических

отходов и остатков продуктов питания в биогазовых установках с пользой для

сельского хозяйства. Эта технология завоевывает также все больше сторонников

среди людей, лично убедившихся в ее пользе для окружающей среды.

Для фермеров биогазовые технологии приобретают все большего значения с

многих причин, о которых подробней будет сказано далее на страницах этой книги.

Мы бы хотели сейчас напомнить лишь две главные причины: используя биогаз на

своем предприятии можно не только сэкономить деньги, но и во многих случаях

можно также получить дополнительную прибыль на „сельскохозяйственной

электроэнергии”. В то же время все весомее становятся „побочные продукты”

биогазовой технологии; в первую очередь здесь имеется в виду уменьшение

эмиссии неприятных запахов от жидкого и твердого навоза, избежание потерь

питательных веществ, экономя тем самым на минеральных

удобрениях,

уменьшение агрессивного влияния на растения при использовании навоза после

биогазовой установки на полях, улучшение гомогенных свойств и возможность

более легкого смешивания, перекачивания и распределения навоза.

Таким образом возрастает спрос на информацию об этой старой и в то же

время такой актуальной технологии биологического расщепления без воздуха.

Тематические конференции, семинары,

учебные поездки пользуются повышенным

спросом, как и литература на эту тематику, и соответствующие специалисты.

Вызвана эта ситуация следующими факторами:

 После вступления в силу от 14.12.1990 г. „Закона о потреблении и

поощрении производства электроэнергии из возобновляемых источников”

возникла заинтересованность получать электроэнергию из биогаза, что

создает дополнительные преимущества для работы установки в летний

период. В данное время поощрение со стороны государства составляет

15,4 пфеннига/кВт (состояние на 1995 г.) и является справедливым для

обеих сторон – фермеров и электросетей. На сегодняшний день уже

существуют мощные, производящие большое количество электроэнергии

установки, в которых используется также избыток тепловой энергии.

 На биогазе могут работать двигатели мощностью от нескольких десятков

кВт до сотен кВт. По сравнению с ними производство тока из древесины,

соломы и других видов сухой биомассы имеет смысл лишь на мегаватных

(свыше 1000 кВт) установках с паровыми турбинами.

 Сегодня возможно строительство биогазовых установок дешевле и

надежнее и таким образом рентабельнее, чем это было раньше. Здесь в

первую очередь стоит назвать накопительные биогазовые установки с

пленочным покрытием, но также улучшенные проточные и

комбинированные установки. Значительного развития пережили также

комплектующие к установкам (мешалки, системы отопления, насосы,

шнеки).

 Наличие значительных наработок в отношении эксплуатации биогазовых

установок, а соответственно и большое количество специалистов,

занимающихся планированием и строительством установок.

 С 1992 г. Все чаще практикуется коферментация, тоесть переработка

органических веществ несельскохозяйственного происхождения с

добавлением жидкого или твердого навоза. Такая технология интересна как

для фермеров, так и для пищевой промышленности и народного хозяйства.

Это придает новые импульсы использованию технологии и улучшает

рентабельность установок.

 Улучшение свойств удобрения как одного из побочных эффектов при

производстве биогаза, к чему мы еще будем возвращаться на страницах

книги в дальнейшем, на сегодняшний день можно лучше оценить, даже

приумножить и эффективнее использовать.

 Анаэробная переработка навоза в биогазовых установках является

практически возможной и предотвращает выбросы метана и аммиака при

переработке и хранении жидкого и твердого навоза. Фермеры,

эксплуатирующие биогазовые установки, одновременно занимаются

активной защитой окружающей среды и улучшают несколько

подпортившийся в последнее время имидж сельского хозяйства.

 Мышление в стиле естественного кругооборота питательных веществ на

сегодняшний день имеет еще большее значение, нежели еще несколько лет

назад, особенно это касается такого вещества как азот (N2). Биогазовые

установки практически полностью препятствуют потерям азота из жидкого и

твердого навоза во время переработки.

До последнего времени практикам не хватало единого обобщающего

информационного пособия, которое бы в доступной форме излагало научные

открытия и практический опыт с учетом последних технических достижений в

биогазовой технике Германии. Пособие, лежащее перед вами, являет собой

попытку исправить этот недостаток.

Издатель благодарит соавторам и издательство, а также всех тех, кто работал

над изданием этой книги.

Фрайзинг-Вайхенштефан,

Хайнц Шульц

1 Основы биогазовой технологии

1.1 Биогаз вчера и сегодня

Биогаз возникает в следствии разлагания органической субстанции (в

дальнейшем сокращенно - органика) бактериями. Разные группы бактерий

разлагают органические субстраты, состоящие преимущественно из воды,

белка, жира, углеводов и минеральных веществ на их первичные

составляющие – углекислый газ, минералы и воду. Как продукт обмена

веществ при этом образовывается смесь газов, получившая название биогаз.

Горючий метан (СН4) составляет от 5 до 85% и является основным

компонентом биогаза, а значит и основным энергосодержащим компонентом.

Такой естественный процесс разложения возможен лишь в анаэробных

условиях, тоесть только при отсутствии проникновения кислорода. Этот

процесс разложения называют также гниением - его можно наблюдать в

болтах, озерах, трясинах и т.д. Если в такой среде присутствует кислород, то

органику разлагают другие бактерии; в таком случае процесс будет называться

компостированием. Другими естественными процессами разложения являются

напр. горение, переваривание либо брожение.

Энергия, освобождающаяся вследствие анаэробного процесса не теряется как

тепло при компостировании, вследствие жизнедеятельности метановых

бактерий она превращается в молекулы метана.

Процессы гниения известны очень давно, они уже происходили

даже тогда,

когда наша атмосфера имела совсем иной состав. Метановые бактерии

принадлежат к древнейшим и наиболее приспособленным живым существам

на планете Земля. Процессы гниения имеют широкое распространение: в

лессе морей, рек и озер („блуждающий огонек”) они происходят так само, как и

в трясине, болотах, шарах грунта, куда не проникает кислород,

на свалках

мусора, в навалах навоза, лагунах, отстойниках навоза, на участках

выращивания риса и в кале жвачных парнокопытных животных (они

вырабатывают ок. 200 л метана в день). В воде вырабатывание метана

заметно по пузырькам газа, поднимающимся на поверхность. В зависимости от

места происхождения, речь может идти о болотном газе, гнилостном газе, газе

сточных вод, рудном газе, свалочном газе или, как его принято называть в

сельском хозяйстве, о биогазе.

По большому счету из любой органики в условиях отсутствия кислорода можно

добыть биогаз. Бактерии должны лишь иметь достаточное количество

времени, чтобы справиться с материалом, который сложно разлагается,

каковым могут являться, например одеревеневшие растения. Этот процесс

целенаправленно используют при очистке сточных вод, чтобы разложить

органические соединения вредных веществ. Однако некоторые субстраты

оказались наиболее подходящими для такого процесса. Текучие,

кашеобразные и вообще субстраты, задерживающие значительное количество

воды, наилучшим образом подходят для процесса брожения, поскольку в них

можно легко выдержать анаэробные условия, в то время как материал из

больших цельных кусков как древесина лучше разлагать компостированием

либо иным путем.

Газ метан, содержащийся в биогазовой смеси, имеет энергетическую ценность

от 10 кВт на м³ (применительно к чистому метану) и является таким же газом,

как и природный газ. Если смесь газов переводить в электрический ток с

помощью генератора, то при его эффективности напр. 35% с 10 кВт брутто

образуется 3,5 кВт электрического тока, который можно непосредственно

подавать в сеть электрического питания.

Энергия, полученная из биогаза, принадлежит к возобновляемой, поскольку

происходит из органического возобновляемого субстрата. Фактом является то,

что ископаемые энергоносители на Земле заканчиваются и существует

насущная потребность в альтернативных источниках, что придает еще

большего значения производству биогаза на биогазовых установках. Кроме

того, энергетическое использование биогаза по сравнению со сжиганием

природного газа, сжиженного газа, нефти и угля является нейтральным по

отношению к СО2, поскольку выделяемый СО2 пребывает в пределах

естественного круговорота углерода и потребляется растениями на

протяжении вегетационного периода. Таким образом, концентрация СО2 в

атмосфере по сравнению с использованием твердого топлива не

увеличивается (Изобр.1.1).

Однако метан тоже имеет свои недостатки: при попадании в воздух он очень

медленно окисляется на двуокись углевода и воду под воздействием

солнечных лучей, озона и так званых радикалов (молекулы НО-, быстро

вступающие в реакцию). Метан после двуокиси углевода (на 50% вызывает

парниковый эффект) является наиболее распространенным загрязнителем

воздуха и на 20% вызывает явление парникового эффекта. Кроме того, при

окислении он потребляет озон и этим самым делает свой вклад в увеличение

озоновой дыры в стратосфере. Газовый факел, при помощи которого в

аварийных случаях сжигают газ до неопасной двуокиси углевода, имеет

большое значение также по этой причине.

До периода индустриализации производство метана и его расщепление

пребывали в равновесии. Сегодня этот баланс в значительной мере нарушен:

при добыче угля, нефти и природного газа выделяется огромное количество

несожженного метана в атмосферу. К этому добавляется еще большое

количество газа, которое возникает во всем мире от выращивания риса и

животноводства. За последние десятилетия это

Изображение 1.1: Круговорот двуокиси углерода органики

привело к постоянному возрастанию метана в атмосфере Земли. По этой же

причине также потребление биогаза в технических целях имеет особое

значение, поскольку, таким образом, уменьшается эмиссия метана.

Исторические корни биогазовых технологий

Первые систематические исследования биогаза начал итальянский

естествоиспытатель Аллесандро Вольта, который среди прочего занимался также

исследованиями электрического тока и в честь фамилии которого названо единицу