Получение биогаза (стр. 3 из 4)

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 отходов, где биологическое разложение слоев мусора происходит с течением времени (пригодный к использованию биогаз образуется примерно через 10-15 лет), причем процесс газообразования неуправляем. Для сбора газа бурятся скважины или газовые колодцы. Конструкция и способ эксплуатации скважины, содержание влаги в толще отходов оказывают дополнительное влияние на состав газа. Содержание метана в газе может изменяться в широких пределах (35-80 %). Помимо метана и балластных азота и углекислого газа могут присутствовать сернистые соединения, меркаптаны, галогенсо-держащие соединения, ароматические углеводороды (всего более 100 компанентов).

Из 1 тонны сухого органического вещества в результате анаэробной переработки сельскохозяйственных отходов можно получить:

- из свиного навоза - 500 м³ биогаза (360 т у. т.);

- из навоза молочных коров - 350 м³ биогаза (250 т у. т.);

- из навоза откормочного КРС - 450 м³ биогаза (321 т у. т.);

- из птичьего помета - 660 м³ (428 т у. т.) [3] .

Подготовка биогаза к использованию

Условия получения биогазов и наличие в их составе вредных и балластных примесей диктуют необходимость предварительной обработки биогаза перед использованием в тепловых установках. Для обеспечения функциональной и эксплуатационной безопасности, а также безопасной работы персонала газ должен быть предварительно очищен от вредных компонентов. Основные этапы при подготовке газа к использованию:

o отделение влаги и взвешенных частиц;

o удаление сероводорода;

o удаление галогенсодержащих соединений;

o удаление углекислого газа;

o сжатие или сжижение (при использовании в качестве горючего для транспортных средств).

Биогаз выходит из биореактора (метантенка) при температуре процесса брожения в водонасыщенном состоянии. До момента использования газ значительно охлаждается, вследствие чего выпадает конденсат, и возникает опасность замерзания в холодный период года. По этой причине биогаз должен быть осушен. Обычно газ от биореакторов по газопроводу поступает в газосборный пункт (ГСП), где устанавливается влагоотделитель. Из влагоотделителя конденсат отводится в сливной бак, откуда по мере наполнения откачивается насосами. При снижении температуры биогаза после ГСП 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.

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 газа в газовых двигателях) применяют адсорбционную осушку (в качестве сорбентов применяют оксид алюминия А1₂Оз, хлорид кальция СаС1₂, силикагель) или осушку жидкими поглотителями влаги (этилен- и триэтиленгликоль).

Отделение взвешенных частиц необходимо во всех случаях с целью предотвращения засорения арматуры и трубопроводов. Чаще всего достаточна грубая фильтрация в гравийном фильтре. Иногда применяют тонкие фильтры из стекловолокна, но это связано с повышением затрат.

Содержание сероводорода в биогазе может достигать 3 %. Сероводород
совместно с водяными парами и особенно в комбинации с углекислым газом
оказывает корродирующее воздействие на металлические поверхности газооборудования, причем скорость коррозии может достигать 0,5-1 мм в год.
При сжигании биогаза сероводород переходит в оксиды серы. Они, взаимодействуя с водяным паром, образуют серную и сернистую кислоты, которые также являются коррозийно-активными. Кроме того, H₂S, SO₂ и SO₃ -высокотоксичные газы.

Хлор- и фторсодержащие углеводороды приводят к коррозионной опасности вследствие образования соляной и плавиковой кислоты при конденсации продуктов сгорания в агрегате..

Очистка от сероводорода и галогенсодержащих углеводородов производится на действующих установках различными способами: адсорбция на активированном угле или абсорбция в промывочном растворе.

При адсорбции биогаз сначала проходит через специально обработанный активированный угололь, где H₂S окисляется до серы, которая сорбируется порами угля (0,3 кг серы на 1 кг активированного угля). Водяной пар, содержащийся биогазе, адсорбируется на активированном угле, вследствие чего уменьшается активность угля по отношению к галогенсодержащим углеводородам. Поэтому перед следующим этапом очистки биогаза проводят осушку. Далее газ пропускают через очередную насадку с активированным углем, на которой адсорбируются галогенсодержащие углеводороды.

Другой способ отделения тяжелых и галогенсодержащих углеводородов -абсорбционная очистка, основанная на разной растворимости компонентов газа в воде или водных растворах различных химических соединений. При этой технологии галогенсодержащие соединения абсорбируются промывочным раствором, состоящим из смеси органических растворителей (вымываются). Достигаемая при этом эффективность очистки от соединений хлора составляет более 95 %.

Наиболее простым и дешевым способом отделения СО₂является промывка водой. В абсорбере при избыточном давлении порядка 1 МПа углекислый газ поглощается водой.

Способ мембранного разделения СН₄ и СО₂ основан на различной проницаемости компонентов газа через мембрану. Ученые из Института нефтехимического синтеза (ИНХС) РАН предложили сочетать этот способ с абсорбционным методом разделения (рис. 4) Такие установки обеспечивают производительность 50 м³/ ч.

Рис.4. Разделение СН₄ и СО₂ адсорбционным и мембранным методами [1]

В транспортных средствах в качестве горючего можно использовать сжатый или сжиженный газ. Один кубометр биогаза, сжатый до 2 МПа притемпературе 0°С, занимает объем 2,95 дм³ . В пятидесятилитровых баллонах высокого давления при таких условиях можно хранить 17 м³ газа, тогда как при таком же давлении и температуре 40 °С или 50 °С - только 15,5 м³ или 14,5 м³ соответственно [3]. Перед сжатием или сжижением газ практически полностью освобождается от углекислого газа, сероводорода и других примесей.

Основные направления и мировые лидеры использования биогаза

Достаточно высокое содержание метана в биогазе, а следовательно, и высокая теплота сгорания, предоставляют широкие возможности применения биогаза. При разработке систем по производству ииспользованию биогаза выбираются оптимальные варианты комплектации установок из множества возможных с учетом многочисленных местных и внешних условий. С точки зрения утилизации энергии биогаза можно выделить следующие основные направления его использования:

o для покрытия собственных энергетических нужд БГУ (в наиболее холодный период года практически весь потенциал биогаза используется для энергообеспечения установки);

o в качестве топлива для получения горячей воды или пара на покрытие технологических нужд очистных сооружений или сельскохозяйственных производств;

o для сушки сброженного осадка;

o в качестве топлива для получения теплого воздуха или горячих газов на сушку сельхозпродукции или обогрев сельскохозяйственных зданий;

o в теплицах для отопления и подкормки растений углекислым газом;

o для замены мазута при термической переработки отходов (25 т мазута в сутки заменяется 45000 м³биогаза);

o в качестве горючего для двигателей транспортных средств;

o для получения электроэнергии;

o для подпитки сетей природного газа.

На метане могут работать как карбюраторные, так и дизельные двигатели, но поскольку метан является высокооктановым топливом, более эффективно его использование в дизельных двигателях. Абсолютный объем биогазов, необходимый для выработки энергии, эквивалентной полученной при сжигании 1 л бензина, составляет 1,33-1,87 м³ при сжигании 1 л дизельного топлива - 1,50-2,07 м³ [3].

После получения биогаза на сельскохозяйственных установках обработанный навоз используют в качестве удобрений. Метановое сбраживание навоза обеспечивает его дезодорацию, дегельминтизацию, уничтожение способности семян сорных растений к всхожести, перевод удобрительных веществ в легкоусвояемую растениями минеральную форму. При этом питательные (для растений) вещества — азот, фосфор и калий — практически не теряются.

На основании результатов, полученых на экспериментальных установках, руководство Центра энергосбережения (ЦЭТ) приняло решение о строительстве полномасштабной биогазовой установки для обработки помета на ПТФ «Юдинская». Стоимость строительства составит 6,2 млн руб , окупаемость — 2,7 года [4] .

Биогаз все чаще используют в качестве замены традиционных источников энергии. В Китае с середины 70-х годов XX века действует национальная программа по получению биогаза из отходов животноводства. К 2004 году в этой стране работало 10 млн. фермерских биореакторов, кроме того, 64 тысячи биогазовых станций, обеспечивающих работу 190 электростанций и более 60% автобусного парка [1]. Китай — безусловный мировой лидер биогазовой промышленности.