Барбара Эдер, Хайнц Шульц. Биогазовые установки. Практическое пособие

Подождите немного. Документ загружается.

ферментатора получила очень широкое распостранение. Благодаря деятельности

серных бактерий (sylfobakter oxydans) при подаче воздуха, сероводород

превращается в элементарную серу, а также серные кислоты и воду. При этом сера

выпадает в виде желтоватого осадка на поверхности субстрата и при вносе в грунт

используется в качестве питательного вещества для растений. Этот эффект был

впервые открыт Райнхардом Хеннингом на биогазовой установке с пленочным

колпаком и уплотнением из резинового кольца в Феркесседугу (Берег Слоновой

Кости), которая была построена в 1982 г. в рамках проэкта Общества технической

помощи Германии (GTZ). В этом случае количество поступаемого воздуха

ограничивалось уплотнительным кольцом, которое прижимало пленочный колпак к

ферментатору. Путем проведения серии замеров и экспериментов удалось более

подробно изучить этот многообещающий метод очистки от серы в 1986 г. [16].

В 1990 г. в Германии начали этот метод внедрят на практике. Результаты

замеров на многих биогазовых установках были сведены в отчете

Херманнсдорфского общества развития технологий под названием «Очистка

биогаза от серы – практический опыт с биокаталитическими методами очистки от

серы» [23].

Нагнетание воздуха происходит при помощи небольшого компрессора, напр.

при помощи диафрагменного насоса или компрессора (Изобр. 5.5). Если установка

большая и одного насоса будет не достаточно, то подключают два или более

параллельно. При правильном дозировании степень очистки от серы может

достигать до 95%. Количество нагнетаемого воздуха настолько мало, что не может

образоваться горючая

или взрывоопасная смесь, даже если производство биогаза

временами будет падать.

Необходимо выполнить следующие условия для функционирования этого

метода:

 Бактерии должны содержаться в самом субстрате, а не внедряться в него

извне.; они нуждаются в воздухе для преобразовать сероводород в

элементарную серу, а также площадь для заселения, которая должна быть

влажной

и пребывать в теплой среде с поступлением питательных веществ. В

качестве площади заселения выступают внешние стенки фенрментатора и

поверхность субстрата, причем 1 м² поверхности защитывается как 20 м³

биогаза.

 Согласно существующим результатам исследований, количество

нагнетаемого воздуха должно составлять 3-5% от количества выработанного

биогаза. Меньшее и большее количество ухудшает эффект, если количество

меньше, то очистка будет на низком уровне, а если большее, то ухудщится

качество газа из-зи высокого содержания воздуха и усилится образование

серосодержащих кислот.

 Метод зависит от температуры

. При низких температурах возникает

потребность в болшьих площадях заселения, такие, как имеют биогазовые

установки накопительного типа.

 Процесс очистки от серы очень быстро реагирует на изменения в

концентрации кислорода. Включение и выключение компрессора уже через

пол дня имеет эффект на содержание H2S в биогазе. По этой причине насос

должен работать непрерывно, а не с интервалами.

 Слизь из серы, бактерий, воды и частиц субстрата легко смыть, если она

откладывается не непосредственно на субстрате, а в трубах. В отдельных

случаях она может иметь очень кислую реакцию.

 Для хорошей очистки недопустимой является беспрерывная выработка газа,

поскольку дозирование подачи воздуха должно соответствовать средней

выработке газа.

Описанный выше метод применяется приблизительно на 90% биогазовых

установок. Причиной для этого в первую очередь является простое устройство,

которое при праильном применении дает достаточную очистку до 100 ppm H2S

биогаза, а также небольшие затраты на приобретение и обслуживание.

Очистку от серы можно также проводить отдельно в биофильтре или

газопромывателе. Такие отдельные аппараты, как правило, устанавливают между

бродильным резервуаром и газонакопителем. Через насадку, на которой

поселяются бактерии, пропускают биогаз. Подача промывной жидкости происходит

по принципу встречного потока. Промывная жидкость, смесь из субстрата и

натронового щелока (для стабилизации уровня рН), дает влагу и питптельные

вещества, а также смывает элементарную серу, которую можно использовать в

качестве удобрения. Преимуществом этого варианта является то, что в

ферментатор не попадает кислород и при равномерной концентрации газа и H

2S в

свежем газе, можно получить хорошие результаты (Изобр. 5.6).

Комбинированный метод

Комбинация из химико-физического и биологического метода очистки

применяются в первую очередь там, где требуется почти чистый газ с примесями не

более 5 ppm, как например это требуется в случае подачи в газоцентрали или при

использовании биогаза в топливных элементах или в качестве топлива. По причине

высоких затрат и дорогостоящей технологии, этот метод не получил большого

признания в производстве биогаза на сельскохозяйственных установках.

Очистка газа

Молекулярные сита из керамики позволяют производить из биогаза чистый

метан, для этого из смеси фильтрами улавливаются углекислый газ, водяная пара и

также сероводород. Если молекулярные сита перегружены этими веществами, то их

можно очистить при помощи продувания воздухом. На практике такой способ едва

ли применяется, но в будущем он может пригобрести существенно большее

значение, если возникнет потребность в производстве чистого метана для

применения как топливного элемента.

5.3 Использование газа

5.3.1 Свойства биогаза

Биогаз является ценным энергоносителем, а значит что его можно применять

с различными целями и с высокой эффективностью, в первую очередь для

выработки электроэнергии, приготовления пищи, отопления и обогрева подачи

горячей воды, для сушки, охлаждения и работы инфракрасных лучей. Теплота

сгорания в зависимости от содержания метана пребывает в пределах 5-7 кВт*ч/м³

биогаза, в среднем около 6,0 кВт*ч/м³. В Таблице 5.2 приведены важнейшие

характеристики биогаза при сжигании по сравнению с другими газовидными

энергоносителями. Из нее видно: биогаз имеет существенно более низкую,

обусловленную объемом теплоту сгорания по сравнению с природным газом,

пропаном и метаном, но в два раза выше чем водород.

При плотности 1,2 кг/м³ он несколько легче воздуха. Это очень важно,

поскольку поэтому вытекающий биогаз собирается не возле дна или в углублениях

как тяжелый пропан. При вылетании вверх он быстро смешивается с воздухом, от

чего уменьшается вероятность возгорания и взрыва. Но этот факт не должен быть

причиной легкомысленного обращения с биогазом! Температура возгорания в 700 ˚С

достаточно высока – это также является преимуществом с точки зрения

безопасности эксплуатации.

Максимальная скорость воспламенения в воздухе 0,25 м/с, тем самым биогаз

демонстрирует очень хорошее поведение при пожаре. В силу присутствия

балластного CO2, биогаз имеет очень узкие пределы зажигания, а это значит, что он

горит лишь когда частица газа в смеси газ-воздух составляет 6-12%. По сравнению с

этим пропан и водород имеют существенно более широкие пределы

воспламенения, из чего вытекает гораздо более высокий риск опасности.

Теоретическая потребность в воздухе для полного сгорания (стехиометрическое

соотношение) пребывает в пределах 5,7 м³ воздуха на м³ биогаза. На практике

однако требуется избыток воздуха в 20-30%, поскольку идеального смешивания

газа и воздуха в горелке или двигателе достичь едва ли удастся.

Горючесть и взрывоопасность

Вопреки ожиданиям, биогаз не является легковоспламеняемым или

взрывным. Биогаз сам по себе, как и другие горючие газы, не загорается, лишь в тех

случаях, когда есть смесь из газа и воздуха в пределах воспламенения, иными

словами, когда есть соответствующее соотношение из газа и воздуха. Когда

пытались непосредственно в газгольдере с биогазом зажечь спичку, то она всегда

сразу же гасла из-за отсутствия воздуха или даже вообще не загоралась, это

исключает пожар или взрыв.

Однако следует проявлять большую осторожность, когда биогаз вытекает

через отверстие и может образоваться горючая смесь газ-воздух. Эта опасность с

одной стороны состоит существует в закрытых помещениях, а с другой стороны в

непоследственной близости от места вытекания, до тех пор, пока газ имеет

достаточно времени чтобы смешаться с воздухом. Поэтому для проведения так

называемой пробы на поджог биогаз можно выпускать из крана или шланга и

поджигать его сразу же после вытекания. Опасности что пламя через шланг или

кран попадет в газгольдер не существует, пока газ будет вытекать. Если посмотреть

внимательнее, то можно увидеть, что светло голубое пламя начинается лишь за

несколько сантиметров за отверстием вытекания, где может образовываться

необходимая смесь газа с воздухом.

5.3.2 Использование биогаза

В первую очередь необходимо стремиться использовать содержащуюся в

биогазе энергию настолько эффективно, насколько это возможно, а особенно его

способность производить высокие температуры и энергию. Для превращения в

тепло с низкой температурой, применять биогаз неэффективно, поскольку его можно

получать и от коллектора солнечных батарей или от тепла работы двигателя.

Сжигание

Использование исключительно с целью термоэффекта при помощи горелки

Бунзена или паяльной ворелки, тоесть наприрмер приготовление пищи на биогазе

или применение для инфракрасного излучателя в отделении для выращивания

молодняка сельскохозяйственных животных в нашей стране едва практикуется –

несмотря на полное сгорание с небольшим выбросом вредных веществ.

Приготовление пищи на биогазе получило распространение преимущественно в

развивающихся странах (Китай, Индия, Непал и т.д), в первую очередь из-за

возрастающего сокращения горючей древесины. При использовании для

инфракрасных излучателей колебания в качестве газа приводили к постоянным

угасаниям пламени и к техническим проблемам по причине коррозии вызванной

сероводородом.

Отопление биогазом

При отоплении биогазом различают отопительные котлы с атмосферными

горелками небольшой мощности от 10 до 30 кВт, а также паяльные горелки для

большей мощности (Изобр. 5.7). Отопительные котлы рассчитаны

на работу одного

буфферного накопителя, дающего тепло для дома, ферментатора, промышленного

водоснабжения и по возможности для сушки соломы и зерна. Дешевой

альтернативой котлу является перколятор (газовая колонка), работающий на одной

атмосферной горелке и применяемый в первую очередь для обогрева

промышленного водоснабжения.

Основные характеристики горючести биогаза и других газов

Газ Биогаз Природны

й газ

Пропан Метан Водород

Теплота

сгорания

кВт*ч/м³ 6 10 26 10 3

Плотность кг/м³ 1,2 0,7 2,01 0,72 0,09

Соотношение

плотности с

воздухом

0,9 0,54 1,51 0,55 0,07

Температура

воспламенения

˚С 700 650 470 650 585

Максимальная

скорость

распостранения

пламени в

воздухе

м/с 0,25 0,39 0,42 0,47 0,43

Предел

воспламенения,

газа в воздухе

% 6-12 5-15 2-10 5-15 4-80

Теоретическая

потребность в

воздухе

м³/м³ 5,7 9,5 23,9 9,5 2,4

Таблица 5.2:

Основные характеристики биогаза (состав: 60% метан, 38% углекислый газ, 2%

газовые примеси) по сравнению с другими горючими газами (согласно Кьоберле

[24]).

Производительность пребывает в пределах 5-30 кВт. Для всех

обогревательных устройств обязательно устанавливать предохранители

(предохранитель от возгорания, рэле контроля пламени), которые бы

предотвращали вытекание несожженного биогаза.

Для применяемых сегодня преимущественно пленочных газгольдеров

небольшого давления хоть и достаточно для работы самовсасывающих газовых и

дизельных двигателей, но его недостаточно для котлов и перколяторов. В таких

случаях требуется компрессор с регулятором давления. Для этого преимущественно

используют кольцевые компрессоры с боковым каналом, которые работают тихо и с

малым износом (Изобр. 5.8). Будь то насос с боковым каналом, центрифужный,

ротационно-поршневой, винтовой или жидкостно-кольцевой, их применение будет

зависеть от количества газа и его качества, а также от необходимой разницы в

давлении. Согласно техническим нормам для защиты от взрывов, компрессоры для

уплотнения газа должны быть либо газонепроницаемы или находиться в капсуле

под давлением.

Охлаждение при помощи биогаза

Тепло требуется в первую очередь в зимний период. Чтобы использовать

избыток тепла также в летнее время, предлагаем использовать генераторы,

вырабатывающие электроэнергию-тепло-холод. В них тепловая энергия в так

называемых адсорбирующих установках трансформируется в холод и может потом

применяться с целью охлаждения напр. в больших холодильных установках. К

сожалению только их коэффициент полезного действия очень мал. Такая форма

использования почти не распространена.

Подача в сети общего пользования

Подача биогаза в сети общественного пользования открывает для

производства биогаза новые перспективы. Это бы позволило использовать газ там,

где он фактически нужен. Таким образом можно уменьшить большие потери из-за

отсутствия использования избытка тепла двигателя и существенно улучшить общие

показатели эффективности производства энергии (сравн. Раздел 12.7: Биогазовая

установка (Прад, Южный Тироль).

Директива ЕС создала правовые условия для открытости газотранспортных

сетей общественного пользования для поступления в них биогаза и газа из

биомассы (2001 г.). Однако как и в случае с электроэнергией, существуют

препятствия на национальном уровне, касающиеся транспортировки и потребления

биогаза.

В Таблице 5.3 приведены качественные характеристики природного газа и

биогаза. Из этого следует, что биогаз должен содержать высокое количество метана

и низкое количество сероводорода, чтобы приблизиться к характеристикам

природного газа. Для этого необгодимо проводить его очистку и сушку, также

следует довести его до существующего в газосети давления. Первый шаг по очистке

газа включает первичное фильтрование, после этого следует очистка от серы в

одельном устройстве, а третий шаг (если удаление углекислого газа происходит

сухим способом) будет включать обезвоживание и в конце-концов очистку от

углекислого газа. Для очистки от углекислого газа или обогащения метана в биогазе

можно применить следующие методы:

 Промывание под давлением

 Метод PSA (Pressure Swing Adsorption)

 Метод разделения мембраной

 Разжижжение газа

Метод промывания под давлением базируется на разнице в растворимости

углекислого газа и метана в воде. Углекислый газ под давлением всегда больше

растворяется чем метан и тем самым может быть отсепарирован. Это так

называемое мокрое промывание газа является на сегодняшний день наиболее

распространенным методом по очистке биогаза в Европе. Лишь в Швеции около

80% биогаза очищают при помощи этой технологии.

При использовании метода переменного давления речь идет о

„адсорбировании” или так называемом „сухом методе” отделения углекислого газа.

Биогаз при помощи компрессора (около 8-10 бар) прессуют в адсорбирующий

резервуар. В нем углекислый газ остается на активированном угле или сите

(молекулярные сита на основе углерода) и таким образом отделяется.

Еще одним вариантом является сепарация отдельных составляющих газа при

помощи мембраны (метод разделения мембраной). Разная пропускная способность

маткриала мембраны позволяет сепарировать как углекислый газ и диоксид серы

вместе, но также и выборочно отдельно.

Если применять разжижжение газа, этот метод еще называется сепарация

биогаза при низких температурах, то используют разницу в температурах кипения

для разных компонентов газа, чтобы разделить их как при дестилляции.

Преимуществом разжижжения газа является высокая степень очистки обогащенного

газа. Этот метод был впервые испытан на биогазовой установке в Анкламе.

Дополнительно для подачи в общественную систему газопроводов, в зависимости

от каждого отдельного метода очистки, применяют также другие технические

средства [88]:

 Подводящая линия для биогаза к линии газопровода общественного

пользования

 Компрессорная установка

 Выверенный газомер

 Выверенный прибор измерения качества

 По возможности смесители газа, позволяющие напр. подмешивать

высококалорийных газов (пропана, бутана)

Рентабелность очистки газа до качества природного газа оправдывает себя лишь

при большом расходе топлива. Считается, что система очистки оправдывает себя

для установок, производящих газа от 250 м³/час. До настоящего времени собрано

еще мало практического опыта. В Австрии первая установка подает газ с 2005 г.

очищенный газ в общественные газовые сети (сравн. Раздел 12: Взгляд зарубеж).

Нормы для подачи свалочного газа, газа со сточных вод и биогаза

Состав

неочищенных

газов

CH4

CO2

O2/N2

Углеводор

оды**

мг/м³

H2S

мг/м³

Фторхлоруглевод

ород

Точка

росы

Н2О

˚С

Свалка 40…60 20…40 Остаток …300 …400 20…1000

Биогазовые

установки*

60…80 20…40 Остаток - ..8000 -

Очисные

сооружения

60…70 20…40 Остаток …10 ..8000 -

~ 35

Природный газ

Н-область

>96

Природный газ

L-область

>90

Специаль

ные

нормы

отсутству

ют

О2<0,5 Специаль

ные

нормы

отсутству

ют

<5 *** t

темпер

атура

грунта

* на сельскохозяйственных предприятиях; ** углеводороды; *** очистные и биогазы: не требуют норм;

свалочные газы: подача в общественные газопроводы запрещена

Таблица 5.3: Сводная таблица для свалочных газов, гвзов со сточных вод и

биогазов, требования к ним либо технические нормы для подачи в обещственные

газовые сети [88]

Если биогаз подавать в общественную систему газопроводов, то хоть и

отпадает потребность в дорогостоящем генераторе, но в то же время требуется

другое оборудование (либо рассчитанный на

тепловые потребности генератор) для

обеспечения процесса теплом.

Биогаз как топливо

Для использования в качестве топлива биогаз также следует очищать до

уровня качества природного газа, поскольку его будут сжигать в двигателях,

рассчитанных на природный газ. Некоторые транспортные средства, которые

выборочно могут работать на биогазе, но также на бензине. В настоящее время

среди производителей автомобилей лишь компания «Опель» выпускает