Обгрунтування конструктивно-функціональної схеми біореактора установки для переробки органічних відходів (гною)

В Українї обсяги виробництва біогазу з агропромислової сировини можна оцінити на рівні 1,6 млн. тон умовного палива. Враховуючи сучасні технологічні можливості використання зеленої маси в якості вихідної сировини для одержання біогазу, потенціал біогазового палива можна вважати істотно більшим. Встановлено, що вихід метану з біомаси з одного гектара в середньому дорівнює виходу метану з органічних добрив від 8-18 голів ВРХ. За попередніми оцінками з сировинної бази України, при частковому використанні ріллі і пасовищ для вирощування біомаси та органічних відходів тваринницьких комплексів, можна одержувати енергії у кількості до 2·1010 МДж/рік.

Таблиця 1.1 - Фізичні властивості біогазу та його компонентів [22]

Широке використання біогазу розпочалось на початку двадцятих років минулого століття, після розробки Імгоффом технології безперервного виробництва біогазу з очисних комунальних стоків. Перша установка для отримання газу зі стоків була побудована неподалік від Гааги. Проте, вона не забезпечувала переробки органічних відходів сільськогосподарської продукції, що містять більше целюлози. У 1942 році в Алжирі професори Дуцеллер та Ісманн запатентували установку для виробництва біогазу із гною з періодичною системою роботи, без засобів підігрівання сировини. Енергетичні труднощі повоєнного періоду сприяли поширенню нової технології автономного енергозабезпечення. За короткий проміжок часу в Північній Африці, Італії та Франції було побудовано майже 1000 установок типу Дуцеллер - Ісманн для ферментації твердого гною. Пізніше, в останній чверті ХХ століття, в багатьох країнах Європи відновились інтенсивні експериментальні пошуки ефективної технології метанової ферментації, що дає можливість виробництва біогазу з різної сировини сільськогосподарського походження. В результаті широкомасштабних досліджень було створено технологію безкисневої переробки сільськогосподарських відходів, що відома сьогодні в усьому світі. Її реалізація у різних регіонах має свою специфіку. В Європі, внаслідок низьких температур, застосовують додаткове підігрівання для забезпечення необхідної температури метанової ферментації. У більшості випадків використовують комплексні системи, що виробляють з біогазу одночасно теплоту та електроенергію, проте їх недоліком є високі одиничні інвестиційні витрати.

У порівнянні з іншими носіями енергії, біогаз вирізняється своєю перспективністю, особливо, для сільської місцевості (табл.1.2).

Таблиця 1.2 - Енергомісткість біогазу у порівнянні з іншими носіями енергії [1]

Іншим, після біогазу, продуктом метанової ферментації є погазовий шлам, який ще називають біошламом або обробленою гноївкою, який є цінним органічним добривом. Завдяки виробництву біогазу, власники господарств мають можливість отримання додаткових доходів від використання або продажу як біогазу, так і обробленої гноївки у вигляді високоякісних органічних добрив. Поживні речовини з переробленої гноївки набагато краще засвоюються сільськогосподарськими рослинами. Оброблена гноївка краще зневоджується (займає менший об'єм, завдяки чому її легше утилізувати) і майже не має запаху в порівнянні з необробленою. При застосуванні її в якості добрив зменшується забруднення грунтових вод і розповсюдження хвороб та бур'янів, що у свою чергу дозволяє зменшити витрати на хімічні засоби підживлення та захисту рослин.

1.4 Характеристика сировини

Вміст органічних речовин у біомасі, що піддається ферментації, становить:

у стоках - 0,040,06%;

у харчових відходах - 15%;

у гної та гноївці - 15-20%.

Виробництво біогазу суттєво залежить від складу вихідного матеріалу, тобто речовини, що завантажується до ферментаційної камери. Сировиною, яку можна піддати метановій ферментації можуть бути практично всі відходи, що містять органічні компоненти, а особливо відходи рослинництва та виділення тварин (рис. 1.2).

Компоненти, що знаходяться в органічній масі, сильно відрізняються як за швидкостю їх розпаду, так і за продуктивностю виробництва метану.

Рис. 1.2 - Гістограма виходу біогазу з різних видів біомаси [1]

Швидкість розпаду та вихід газу залежать від наступних чинників, а саме вмістів у сировині:

сухої органічної маси (с.о.м.), що піддається біодеградації,

вуглеводів, жирів (ліпідів) та білків,

сухої маси (с.м.) - всієї сухої маси, яку завантажують у ферментаційну камеру.

Перший чинник, тобто вміст сухої органічної маси, показує кількість органічних речовин, які в процесі ферментації підлягають розкладу (табл.1.3).

Таблиця 1.3 - Вміст сухої маси (с.м.) та сухої органічної маси (с.о.м.) у виділеннях тварин [1]

Таблиця 1.4 - Етапи розпаду різних органічних компонентів [1]

Вміст вуглеводів, жирів та білків впливає на виробництво біогазу. З 1 кг сухої органічної маси в результаті анаеробної ферментації вуглеводів (С6Н10О5)n утворюється 0,8 - 0,9 м3 біогазу, з жирів - від 1,2 до 1,5 м3 і з білків - від 0,6 до 0,7 м3 біогазу (табл. 1.4).

В якості сировини при виробництві біогазу використовують, перш за все, виділення тварин (гній, гноївка), відходи виробництва рослинництва (стебла томатів, картопляне бадилля, листя, дрібно порізана солома), стоки переробки сировини у харчовій промисловості (сиворотка), а також комунальні стоки. Як згадувалось раніше, до найбільш розповсюдженої сировини відносяться відходи тваринництва. Отримують з них найбільшу кількість біогазу (табл. 1.5). Рослинні речовини, переважно целюлоза, також піддаються ферментації. Середній вміст целюлози складає у соломах: вівсяній - 36,7%, пшеничній - 37,2% і житній - 38,3 %; у стеблах кукурудзи - 33,7% та 24,0% - у сухому листі.

Значні можливості закладено у різно компонентних сумішах, які застосовують у якості сировини для анаеробної ферментації. Дослідженнями також встановлено, що істотне підвищення вихіду метану досягається при додаванні у суміш свинської гноївки та біомаси енергетичних культур 3 - 6% гліцерину. Це істотно підвищує прибутковість виробництва біогазової продукції.

Taблиця 1.5 - Питоме виробництво біогазу з виділень сільськогосподарських тварин [1]

Прогноз кількості виробленого біогазу з відходів тварин розраховується на основі інформації про їх кількість та вид. У зв'язку з тим, що у літні місяці худоба часто перебуває на пасовищі, - слід врахувати, що кількість отриманих виділень буде меншою. У табл. 1.5 представлено середнє добове виробництво біогазу, який можна отримати в процесі ферментації. Кількість виробленого біогазу залежить від фізико-хімічних властивостей сировини, що завантажують у ферментер. Звичайно рівень виробництва біогазу розраховують на один кілограм сухої маси, що міститься в сировині.

На кількість біогазу з тваринних відходів істотний вплив справляє раціон годівлі тварин, їх вік та інші чинники, що виявляються при експериментальному дослідженні процесів ферментації.

У Віденському університеті BOKU визначено вплив раціону годівлі молочних корів на вихід біогазу з їх виділень. В дослідженнях враховані методичні підходи [1]. Найбільше метанового потенціалу має сировина від молодших за віком корів. Результати цих досліджень представлено в таблицях 1.6 та 1.7. Виявлено також, що ці корови виробляють середню кількість молока при збалансованому раціоні годівлі.

Таблиця 1.6 - Вплив раціону годівлі корів на їх молочну продуктивність

Таблиця 1.7 - Вплив раціону годівлі корів на вихід біогазу та метану

Динаміка зміни у часі продуктивності виробництва метану при різних раціонах годівлі молочних корів свідчить, що саме переробка відходів тваринницьких ферм у метантенках дозволяє істотно зменшити викиди шкідливих газів у навколишнє середовище. А раціони годівлі тварин потребують подальшого удосконалення з точки зору одержання найбільшого економічного при дозволеному рівні впливу на екологію.

Іншим джерелом біогазу є звалища сміття. Запаси твердих побутових відходів (ТПВ) в Україні орієнтовно становлять 460-490 млн. м3. З урахування ряду обставин вважають, що приблизно на 50% звалищ можна продукувати біогаз. Для розрахунків середню густину ТПВ у тілі звалища прийнято на рівні 0.8 т/м3, вміст органіки - 60%, термін розкладання органіки в анеаробних умовах - 40% протягом 20 років, нижчу теплоту згоряння біогазу - 20,95 МДж/м3. За таких обмежень, потенційні можливості добування біогазу зі звалищ можуть становити 2300 млн. м3/рік, що еквівалентне 1,6 млн. тон умовного палива [22].

Як згадувалось, виробництво біогазу є найбільшим при ферментації відходів тварин, таких як гноївка чи гній. Ці виділення можна перемішувати з іншими господарськими відходами або відходами переробки сировини харчової промисловості. В залежності від складу сировини, що переробляється, можна очікувати різного рівня та енергетичної цінності вихід біогазу. Кількість утворених відходів залежить від віку та виду тварин, яких розводять, а також від пори року. Середня кількість біогазу, яку можна отримати з 1 м3 виділень тварин, оцінюється у 20 - 25 м3, хоча рентабельною кількістю в техніко-економічному відношенні вважається 30 - 35 м3. Таку кількість газу можна отримати шляхом сполучення виділень тварин та господарських відходів з іншою сировиною, яка відрізняється високим вмістом сухої органічної маси, а саме відходами з підприємств харчової промисловості або рослинної маси (особливо трав з площ під паром). За даними [1], добавка 10% за масою силосу з кукурудзи при вологомісткості 30% до гноївки (W=85%) збільшує виробництво біогазу на 50 - 60%, а добавка 5% за об'ємом відходів гліцерину (від виробництва ефіру при W=71%), збільшує кількість біогазу, що виробляється, на 60 - 70%. Значно збільшує вихід біогазу на одиницю об'єму сировини додавання жирів і комунальних стоків з господарств, розміщених неподалік.

Сировину, що завантажується, можна поділити на три основних категорії:

сільськогосподарську: гноївка, гній, (враховуючи більшу гідратацію лише як додатковий матеріал), енергетичні культури, залишки біомаси і інше;

промислову: крохмаль, відходи скотобоєнь, молочних, цукрових заводів; фармацевтичної, косметичної та паперової промисловості тощо;

господарську: органічні відходи, комунальні стоки, обрізки саду тощо.

Ферментаційний матеріал можна також розділити на основний (ферментація якого може протікати самостійно, без додавання інших речовин) та допоміжний. Основним ферментаційним матеріалом вважають гній, гноївку, гнійну жижу, молоду траву, а допоміжним - рослинні відходи від фруктів, органічні відходи, залишки їжі, жири, мелясу, органічні продукти, що розпадаються природно - біологічним шляхом, господарські стоки тощо.

Завдяки додаванню допоміжного матеріалу з високим вмістом с.о.м., виробництво газу може значно зрости, особливо при використанні жирів, додавання яких призводить до збільшення продукції біогазу у декілька разів. Змішана ферментація, тобто одночасне бродіння різних матеріалів, затягує процес ретекції (накопичення) і потребує спорудження резервуарів великого об'єму, проте цей захід окупається завдяки збільшенню виробництва біогазу. Надто велике завантаження органічних речовин може однак порушити співвідношення і в результаті призвести до раптового зниження виробництва біогазу, і навіть до загибелі колоній бактерій, що відповідають за процес ферментації.

В процесі змішаної ферментації при значному вмісті органічних речовин, може виникнути проблема значного зниження величини pH, що веде до гальмування процесу. У порівнянні з ферментацією однорідного матеріалу, обслуговування установки для змішаної ферментації потребує великого досвіду, оскільки можуть відбуватися незвичні явища, такі як, наприклад, піноутворення у реакторі. Це явище можна попередити, якщо збільшити інтенсивність перемішування біомаси у камері або зменшити завантаження додаткових матеріалів.

Дозований ферментаційний матеріал повинен бути однорідним, а додавання додаткових компонентів потребує фахового підходу. Попередня механічна підготовка відходів полягає у відокремленні шкідливих матеріалів і підтримці необхідного рівня гомогенності сировини, що завантажується. Високий ступінь ризику, пов'язаний з обслуговуванням систем для змішаної ферментації, викликаний тим, що кожний компонент суміші має відмінні фізико - хімічними властивості і звичайно потребує індивідуального технологічного підходу. Перед початком спорудження виробничої установки процес ферментації досліджують експериментальній для визначення відповідних параметрів і режимів роботи системи (спосіб перемішування, контроль формування піни та осаду) та управління процесом (обсягів завантаження додаткових матеріалів, часу експозиції тощо).

РОЗДІЛ 2. ОГЛЯД І АНАЛІЗ ІСНУЮЧОГО ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ МЕТАНОГЕНЕЗА ОРГАНІЧНИХ ВІДХОДІВ

Технічних варіантів реалізації метаногенеза біомаси достатньо багато, починаючи з конструктивно простих, непрофесійно виготовлених установок і закінчуючи технологічно досконалими установками довгочасної безперервної дії з використанням прогресивних і автоматизованих систем [1].

На рис.2.1 наведено схеми чотирьох основних типів біогазових реакторів:

Господарський метантенк (рис. 2.1 а) - найбільш проста установка, яка складається із двох металевих місткостей, верхня з яких служить газгольдером, а у нижню періодично завантажують гній для зброджування з добавкою культури анаеробних бактерій з діючого біогазового генератора. Біогаз з газгольдера трубопроводом подається в будівлю і використовується за необхідністю.

Індійський метантенк (рис. 2.1 б). Гній розміщується в нагромаджувачі, де він відокремлюється від соломи, яка не зброджується, та інших включень. Далі потік маси помалу проходить крізь заглиблену в ґрунт ємність з цегли, цикл бродіння в якій складає від 14 до 30 діб, у прийомний бак для відпрацьованої маси, яка використовується як добриво. Тиск газу біля 10 см водяного стовпа створюється за допомогою тяжкого металевого газгольдера, який є самою дорогою частиною установки. Газгольдер періодично (приблизно раз у 6 місяців) піднімають, щоб вичистити ємність від нагромаджених у верхній частині шлаків. Щоденна перевірка стану трубопроводів і регулярна профілактика установки обов'язкові. Недостатньо якісне обслуговування - основна причина можливого виходу метантенка з ладу. В Індії роботи із впровадження в сільський побут метантенків почалися в 1939 році, і сьогодні там діє біля 100 000 подібних установок.

Китайський метантенк (рис. 2.1 в). Представлена схема системи рекомендована для масового використання в КНР як для окремих господарств, так і для сільських общин. Головна особливість проекту - стаціонарний корпус з бетону, який значно дешевший за систему з тяжким плавучим металевим газгольдером. У міру виділення газу його об'єм збільшується, за рахунок відповідного росту тиску потік маси, призначеної для бродіння, припиняється. Цим досягається регулювання робочої системи.

Промислова установка для переробки відходів тваринницьких ферм (рис. 2.1 г). Показано спрощену схему автоматизованої установки, в якій процес зброджування проходить при підігріванні до температури 35°С.

Схема типової промислової установки для виробництва та використання біогазу, незалежно від способу проведення ферментації, включає наступне технічне обладнання:

резервуари та обладнання для збирання і підготовки сировини,

камери ферментації з обігрівальними пристроями,

резервуари для біогазу та газові установки разом з обладнанням для очистки та обліку кількості виробленого газу,

резервуари для утилізації та зберігання маси, що перебродила.

Підготовка сировини (матеріалу, що завантажується) вимагає виконання певних вимог. Умовою застосування органічного матеріалу в процесі ферментації є відсутність в ньому токсичних з'єднань, а також відповідне подрібнення матеріалу, що може дозволити збільшити продуктивність виробництва біогазу, навіть до 20%. Використання гомогенного біоматеріалу істотно сприяє ефективному протіканню процесу ферментації. Небажаними компонентами процесу є інгібітори, які важко розпадаються біологічним шляхом, такі як: дезинфікуючі засоби, детергенти, антибіотики та пестициди, що використовуються у сільському господарстві.

Рис. 2.1 - Різновиди біогазових генераторів: а - господарський, б - індійський, в - китайський, г - промислова установка; де: 1 - введення біомаси; 2 - газовий відвід; 3 - кришка, що знімається; 4 - виведення переробленого матеріалу; 5 - роздільна стінка; 6 - ферментатор; 7 - газ; 8 - приймач; 9 - клапан; 10 - мішалка; 11 - скло; 12 - ємність для продуктів переробки; 13 - газогенератор; 14 - подача газу; 15 - пальник; 16 - теплообмінник; 17 - водяний газгольдер

Рекомендується уникати завантажувати матеріал, що потребує сортування (наприклад, шматки деревини, включення соломи, кісток, скла, пластику, металу, піску). У господарствах, які завантажують неоднорідний матеріал, обов'язково використовується ручне або ж механічне сортування, наприклад за допомогою решіток, сит, подрібнювачів матеріалу. У випадку ферментації пташиного посліду виникає необхідність видалення піску. Матеріал для завантаження, такий як гній, можна видаляти з ферми вручну, або механізованим методом (за допомогою механічного чи гідравлічного транспортерів). У випадку безпідстилкового утримання корів у корівнику, гноївка може сплавлятись безпосередньо у резервуар для сировини за допомогою відповідних каналів.

При збільшенні поголів'я тварин у господарстві зростає й ступінь складності системи очищення їх виділень. На фермах промислового свинарства переважає безпідстилкова система утримання тварин, у цьому випадку видалення гноївки проводиться гідравлічним або механічним шляхом. Резервуар для сировини служить для змішування та зберігання різних відходів (таких як гноївка та господарські відходи), звідки складові компоненти циклічно подаються до камери ферментації. У випадку застосування великих установок для змішаної ферментації, де використовується два види матеріалу, встановлюються два резервуари: один для сільськогосподарських відходів, інший - для відходів переробної промисловості, а далі ці два види відходів змішуються. Конструкція резервуару для сировини повинна не допускати її проникнення у грунт. З цієї причини необхідно запобігати його затопленню, а також інфільтрації та ексфільтрації.

Рис. 2.2 - Камери для метанової ферментації біомаси: а) стандартна; б) потужна вертикальна

Біогазовий реактор, в якому відбувається метанова ферментація, являє собою основний елемент біогазової установки будь-якого технологічного рівня. Із резервуару для сировини перемішаний матеріал спрямовують до камери ферментації, де починається процес виробництва біогазу. Ферментаційна камера (біореактор) - це герметичний теплоізольований резервуар, що оснащений обладнанням для подачі нових порцій сировини, відведення біогазу і біошламу та механізмами для підтримки однорідності матеріалу камери (пристосування для перемішування маси та розбивання плівки), а також системами підтримання необхідної температури процесу ферментації (рис. 2.2).

Форма ферментаційної камери за можливістю повинна сприяти незначним втратам тепла, належному протіканню ферментаційних процесів, простоті обслуговування, невеликим інвестиційним витратам. Теоретично ця форма повинна наближатись до кулі, проте на практиці частіше за все ферментаційні камери являють собою закриті резервуари, заглиблені в грунт або розміщені поверхнево, квадратні або круглі у перерізі (рис. 2.3).

Рис. 2.3 - Форми камер метанової ферментації, де: а - з постійним не заглибленим перекриттям, b - з постійним заглибленим перекриттям, c - з плаваючим перекриттям, d - горизонтальна, e - нахилена

Циліндрична форма є найбільш поширеною у промисловому варіанті будівництва метантенків.

Стандартна місткість біореакторів, що виготовлені як готові пересувні резервуари коливається від 50 до 150 м3. Натомість, ємність резервуарів, розрахованих на обсяг щорічної переробки близько 10 тис. м3, складає 0,5 - 1,5 тис. м 3. Найбільші резервуари мають місткість до 5 тис. м3 і призначені для щорічної переробки до 100 тис. м3 відходів. Встановлено, що з 1 м3 місткості ферментаційної камери, отримують в середньому 0,8 м3 біогазу.

Свіжий матеріал поступає у верхню частину камери, а відводиться з нижньої частини (над дном камери). У закритих камерах при відведенні перебродженого біошламу, може статися зниження тиску, внаслідок чого всередину резервуару потрапляє повітря, утворюючи вибухонебезпечну суміш (з повітря та метану). Тому камери обладнують відповідними запобіжниками. Камери із постійним перекриттям (рис. 2.2 a, b) не потребують такого захисту, оскільки щілини у перекритті дають рідині можливість витікати вище перекриття, що врівноважує тиск в середині камери. Камери із плаваючим перекриттям (рухомим) мають конусне дно та циліндричну частину, у якій розміщене плаваюче перекриття, здебільшого стальне. Плаваюче перекриття (рис. 2.3 с) виконує роль резервуара для біогазу (газгольдеру) або часткого його замінює. Циліндричні камери (рис. 2.3 d,e) можна встановлювати вертикально або майже горизонтально. В другому випадку резервуар дещо нахиляють, що поліпшує переміщення осаду.

Наземні або підземні камери метанової ферментації (вертикальні, горизонтальні) виготовляються зі сталі, виливного бетону або монтуються з бетонних блоків невеликого розміру. На вибір матеріалу впливає розрахункова величина внутрішнього тиску, а також його вартість. Використовують також камери зі штучного матеріалу, однак вони дорожчі і не знаходять широкого використання. Зі штучного матеріалу або з нержавіючої сталі виготовляється вся арматура та всі трубопроводи установки.

Процес ферментації протікає завдяки колоніям бактерій, які потребують безкисневого середовища, певної та постійної температури (35 або 550С), а також певного часу знаходження сировини в резервуарі. Для забезпечення протікання процесу ферментації у відповідності до технології необхідно постійно перемішувати сировину враховуючи те, що:

в усій місткості реактору повинна бути постійна та вирівняна температура і доступ бактерій до поживних речовин,

бульбашки газу повинні мати можливість вільно підніматися на поверхню, завдяки чому процес накопичення біогазу стає більш ефективним,

перемішування попереджає виникнення плівки на поверхні біомаси.

Перемішування виконується механічними мішалками або ж шляхом нагнітання (під тиском) біогазу в резервуар, що викликає виникнення бульбашок, які перемішують матеріал камери.

Оптимальна температура для мезофільної ферментації біомаси складає близько 350С. Цю температуру неможливо отримати навіть влітку, тому всі біогазові установки як правило мають обігрівальні пристрої. Найчастіше застосовуються водяні нагрівачі, а іноді застосовують теплообмінники. З метою підтримання відповідної температури в середині камери сировину перед завантаженням підігрівають шляхом розбавлення гарячою водою або ж в теплообмінниках. Джерелом теплової енергії є частина (25 - 35%) виробленого біогазу, інша частина, що залишилась, використовується для виробництва електроенергії або теплопостачання господарських приміщень. Витрати тепла для підтримання процесу ферментації залежать від ефективності метанової ферментації, а також конструкційного рішення ферментаційного резервуару (теплова ізоляція). Для підігрівання води замість виробленого біогазу, іноді використовують елекртичну енергію, отримуючи її з мережі або від вітрової електростанції. Виділяють декілька видів теплообмінників:

Однотрубні теплообмінники, які складаються з труб, встановлених всередині камери, через які проходить гаряча вода.

Зовнішні протиструменеві обмінники типу труба в трубі, де матеріал, що завантажується, протікаючи по внутрішній трубі приймає тепло від гарячої води, що протікає у зворотньому напрямку по зовнішнім трубам.

Внутрішні обмінники (у формі циліндрів або спіралей, розміщені у центральній частині камери ферментаційного резервуару) причому, незалежно від типу обмінника, температура води, що протікає в них не повинна перевищувати 800С, що зберігає біологічний процес ферментації.

В біогазовій установці газ, призначений для виробництва електричної енергії, необхідно відділити від баластних речовин, таких як вода та сірководень (допустимий вміст H2S 1000 - 2000 мг/м3). Для осушення біогазу використовують конденсуючий або адсорбуючий методи. Необхідність видалення сірководню виникає у зв'язку з його сильними корозійними властивостями, особливо при використанні біогазу для живлення газових двигунів. Сірководень звичайно видаляють шляхом біологічного окислення шляхом додавання 2 - 8% повітря до необробленого біогазу. У деяких випадках виникає необхідність видалення двоокису вуглеводу фізико - хімічним шляхом, проте це необхідне лише тоді, коли до біогазу висуваються вимоги підвищеної якості.

Біогаз, утворений у ферментаційній камері, як більш легкий, накопичується над масою, що ферментується, звідки трубопроводами відводиться у газовий резервуар. Накопичення біогазу у резервуарах забезпечує його рівномірну подачу споживачам в окремі години і навіть дні. Будують резервуари низького або високого тиску. Ємність резервуарів буває дуже різною і залежить від добового виробництва біогазу та його витрат. Проте вона не повинна бути меншою за максимальне добове виробництво газу. Проектний період зберігання біогазу становить декілька тижнів. Звичайно застосовують два види резервуарів:

мокрі, призначені для зберігання біогазу при низькому тиску (до 500 мм водяного стовпа), вони виконані одночасно верхнім пересувним перекриттям (куполом) ферментаційної камери, змінної ємності в залежності від об'єму та тиску виробленого біогазу,

сухі, високого тиску - це окремі резервуари, переважно стальні - кулеподібні або циліндричні.

Резервуари для біогазу повинні бути обладнаними наступними елементами:

манометрами,

механізмом перекривання полум'я, який запобігає проникненню полум'я за межі установки,

пристроєм, що служить для спалювання надлишку біогазу у випадку аварії установок, що його використовують.

Резервуари для біогазу складають суттєву частину витрат, тому на практиці не будують надто великих місткостей, а у випадку необхідності надлишок виробленого біогазу випускають в атмосферу. Тиск газу в резервуарах повинен підтримуватися на такому самому рівні, як і у міській газовій мережі. З метою зменшення об'єму резервуару та створення можливості збереження великої кількості біогазу, іноді будують стальні резервуари високого тиску, в яких тиск газу досягає 20 кПа (при більш високому тиску відбувається зрідження). Проте ці резервуари дорогі і до того ж вони потребують спеціальних компресорів.

Біогаз, утворений у ферментаційній камері містить значну кількість водяної пари і як правило сполук сірки. Для того, щоб відділити небажані компоненти, у нижній частині газопроводу встановлюють дегідруючий резервуар, окрім цього газ пропускається через так звані десульфатори. Біогаз, проходячи у десульфаторах через дернову руду, очищається від сіркових сполук. Дернову руду необхідно періодично замінювати.

Виробництво електроенергії відбувається у комбінованих системах для виробництва електричної енергії та теплоти, або ж у газових генераторах електричного струму. Вода, що використовується для охолодження генератора, може направлятися в теплообмінник і служити джерелом енергії для підігріву матеріалу, що завантажується. Електрична енергія, що виробляється у комбінованих системах або ж в генераторах електричного струму може використовуватись на власні господарські потреби або продаватися в енергетичну мережу.

Один кубічний метр біогазу дозволяє виробляти: 2 кВт·год електричної енергії (при коефіцієнті корисної дії системи 30%), 5 кВт·год теплової енергії (при коефіцієнті корисної дії системи 70%), у комбінованих системах виробництва електричної енергії та теплоти: 2 кВт·год електричної енергії та 6,3 кВт·год теплової.

Зараз у світі відомий ряд технічних рішень та установок, що дають можливість професійно проводити метанову ферментацію (виробництво біогазу) із виділень тварин.

Одним з найвідоміших методів виробництва біогазу є метод Schmidta - Eggerglussa, в якому матеріалом, що піддається ферментації є суміш гною з гноївкою з невеликим додаванням води, яку беруть після миття підлог в господарських приміщеннях (рис. 2.4). До складу даної установки входить насос (4), ферментаційна камера (5), біошламовий силос (6), резервуар для біогазу (7) та резервуар (2), в якому відбувається перемішування виділень. Виділення з корівника відводяться в резервуар (2), обладнаний мішалкою (3). Головною вимогою, що ставиться до цієї технологічної схеми - це застосування підстилки у вигляді січки. У попередній резервуар (2), можна кидати всі органічні відходи після їх подрібнення. Після ретельного перемішування маси, що знаходиться у цьому резервуарі, вона перекачується до ферментаційної камери (5). Завантажена маса у ферментаційній камері підігрівається парою, підведеною з парового котла. Плівка, що виникає в процесі ферментації, розбивається стиснутим біогазом або потоком маси, що завантажується. Шлам, що утворюється в результаті ферментації біомаси накопичується на дні ферментаційної камери (5), звідки перекачується у силосний резервуар, а далі у спеціальні розливні пристосування, якими його вивозять на поле. Утворений біогаз збирається в окремому резервуарі (7). Представлений метод дозволяє отримувати з 1 тони свіжого гною 53 м3 біогазу.

Рис. 2.4 - Схема установки для виробництва біогазу методом Schmidta - Eggerglussa; 1 - підведення виділень, 2 - резервуар, 3 - мішалка, 4 - насос, 5 - ферментаційна камера, 6 - резервуар для біошламу, 7 - резервуар для біогазу

Іншим способом виробництва біогазу з гною є метод Дуцеллера - Ісмана. У цьому методі установка для виробництва біогазу (рис. 2.5) складається з двох резервуарів (5) для збирання біогазу, чотирьох ферментаційних камер (2), теплообмінника (3) та насосу (4). Перед завантаженням у ферментаційні камери (2) гній складується і зберігається у сховищі (1), що знаходяться на відкритому повітрі. Час складування гною складає від 14 до 50 днів. Завантаження гною у ферментаційні камери відбувається періодично. У цій техноллогії використовується безпосереднє підігрівання, яке полягає у безперервному плині рідкої фракції виділень через обмінник тепла (3), в якому вона підігрівається і звідти насосом (4) знову нагнітається у ферментаційні камери (2). Для підігрівання гноївки використовується вироблений біогаз. У цій установці можна виробляти з 1 тони гною великої рогатої худоби 20 м3 біогазу.

Рис. 2.5 - Схема установки біогазу методом Дуцеллера - Ісмана, де: 1 - гній, 2 - ферментаційна камера, 3 - пристрій для підігрівання, 4 - насос, 5 - резервуар для біогазу, 6 - відведення біогазу

З огляду на низьку вартість обладнання та експлуатації вартий уваги метод виробництва біогазу на установці Поетша (рис. 2.6). До складу цієї установки входить ферментаційна камера, що складається із двох частин (1, 2), насос (3) та обмінник тепла (4). Ферментаційна камера (1) виготовлена з дерева. Нижня її частина (1), обкладена каучуком, є ферментаційною камерою. У верхній частині камери (2) знаходиться запас гноївки. Обидві частини камери (1 і 2) з'єднані між собою за допомогою двох гідравлічних затворів (5 і 9), керованих тиском. У нижню камеру (1) подається свіжий гній, підігрітий безпосередньо протікаючою гноївкою. Гноївка насосом (3) нагнітається в обмінник тепла (4), у якому вона підігрівається до температури 300 С. В обміннику циркулює вода температурою 60-650 С., для підігрівання якої використовується біогаз. Підігріта гноївка знову відправляється в нижню частину ферментаційної камери. У цій установці не передбачено жодного окремого резервуару для біогазу. Утворений біогаз накопичується у ферментаційній камері над гноївкою. Якщо тиск біогазу перевищує 80 кПа, тоді гноївка з нижньої частини камери перетікає у верхню. При зниженні тиску гноївка перетікає у зворотному напрямку. Таким способом підтримується постійний тиск біогазу. Підігрівання завантаженого матеріалу в камері (1) відбувається за допомогою пальника (10), що працює на виробленому біогазі (біля половини виробленого біогазу). Ще один недолік технології, що описується - це перерви в роботі установки під час завантаження і розвантаження субстрату з ферментаційної камери. Ефективність установки Поетша, віднесена до 1 м3 місткості ферментаційної камери складає 0,8 - 1,0 м3 біогазу за добу.

Рис. 2.6 - Схема установки для виробництва біогазу методом Поетша, де: 1 - ферментаційна камера, 2 - запас відходів, 3 - помпа, теплообмінник, 4 - гідравлічний затвор, 5 - очисник біогазу, 6 - лічильник біогазу, 7 - використання біогазу, 8 - гідравлічний затвор, 9 - пальник теплообмінника

Іншим методом виробництва біогазу є технологія, що застосовується у Швеції (рис. 2.7). У цьому випадку гноївка (1) за допомогою насоса (2) нагнітається в гвинтовий транспортер (3), який у свою чергу переправляє її у ферментаційну камеру (4). Під час транспортування в каналі (7) гноївка підігрівається від біошламу, що стікає з камери (5). Внаслідок цього використовується тепло матеріалу, що перебродив (біошламу), завдяки чому досягається вищий коефіцієнт корисної дії установки.

Рис. 2.7 - Схема технології виробництва біогазу, що застосовується у Швеції, де: 1 - підведення відходів, 2 - насос, 3 - транспортер, 4 - ферментаційна камера, 5 - шлам, 6 - відведення біогазу, 7 - шламовий канал

Установка для одержання біогазу в Польщі зявилась в 20-х роках ХХ століття - на міській очисній станції стічних вод у Познані [1]. Але тільки світова енергетична криза сімдесятих років викликала серйозний інтерес до цієї форми енергії. Роботи в галузі метанової ферментації виділень тварин і відходів сільського господарства були проведені у вісімдесятих роках і на початку дев'яностих минулого століття. Тоді в рамках міжнародної дослідницької програми було розроблено технологію утилізації гноївки в процесі метанової ферментації, що дозволяла виробляти біогаз, електричну енергію і компост високої якості. Це були біогазові установки зі стальними ферментаційними камерами, призначеними для господарств із поголів'ям худоби 20-60 голів і з залізобетонними ферментаційними камерами ємністю 50 м3 для господарств із поголів'ям 40-60 голів. Зараз жодна з цих установок не функціонує ефективно як в економічному, так і технічному відношенні. У вісімдесятих роках, коли будувалися невеликі біоустановки існував обмежений доступ до конструктивних матеріалів високої якості, у зв'язку з чим якість побудованих об'єктів була незадовільною. Потенційних інвесторів зупиняють високі інвестиційні витрати і відсутність достатньої кількості надійних технологічних рішень.

Наступним етапом розвитку стали комплексні установки для виробництва біогазу та добрив з ферментаційними камерами ємністю 100 м3. Схема даної технології представлена на рис. 2.8.

Рис. 2.8 - Схема біогазової установки IBMER [14] з компостуванням, де: 1 - ферма, 2 - трубопровід для гноївки з корівника, 3 - попередній резервуар, 4 - подаючий трубопровід, 5 - резервуар для переробленої гноївки, 6 - спускний трубопровід, 7 - ферментаційна камера, 8 - вимикач полум'я, 9 - десульфатор, 10 - дегідратор, 11 - лічильник газу, 12 - верхній злив маси, 13 - подаючий трубопровід, 14 - трубопровід газу, 15 - водяний котел, 16 - запобіжник, 17 - вимикач полум'я, 18 - резервуар для газу, 19 - нагрівач, 20 - трубопроводи для перемішування, 21 - камери для гною, 22 - компостна площадка, 23 - вентилятор, 24 - трактор з навантажувачем + розкидач гною

Гноївка з ферми (1) стікає за рахунок гравітації каналом (2) у попередній резервуар (3). У цьому резервуарі гноївка перемішується за допомогою відцентрової помпи (4), а далі транспортується каналом (13) у ферментаційну камеру (7). Помпа (4) за допомогою триходового клапану дає можливість завантажувати гноївку в асенізаційні причепи для її застосування в якості рідких органічних добрив. Ферментаційна камера поповнюється раз у день добовим виробництвом гноївки. Оснащення камери переливним трубопроводом (12) забезпечує відведення у резервуар для збереження (5) такої ж кількості гноївки, що перебродила, скільки завантажили нового матеріалу у ферментаційну камеру. Передбачено також протягом доби триразове перемішування вмісту ферментаційної камери системою гідравлічного перемішування. Щораз перемішування триває близько 10 хвилин. Помпа системи перемішування (7) за допомогою трубопроводу засмоктує гноївку з нижньої частини камери і нагнітає у верхню частину. Для того щоб не допустити скупчення осадів на дні камери, існує можливість перекачати їх у верхню частину камери, викликаючи в такий спосіб інтенсивне перемішування. Спускний трубопровід (6) дає можливість звільняти ферментаційну камеру за допомогою відводу її вмісту в резервуар (5) для збереження перебродженої гноївки. Газ з камери відводиться трубопроводом (14). Для запобігання газової установки від надмірного росту тиску - служить рідинний запобіжник (10), що відправляє надлишок газу в атмосферу. Установка обладнана вимикачами полум'я (8 і 17). Для очищення газу використано два десульфатора (9) які працюють паралельно, а також дегідратор (11). Головним компонентом знесіркувальної маси є дернова руда. Газовий лічильник (13) контролює кількість виробленого газу. Газ збирається в резервуарі (18). Для нормальної роботи приладів, тиск газу повинен складати 1,5-2,0 кПа. Газ з резервуара направляється у водяний котел (15), робота якого автоматизована. Котел пристосований для використання двох джерел енергії: електричної, що використовується при запуску й у випадку аварії біогазової установки, а також біогазу. Тепла вода підводиться з котла сталевими трубами в нагрівачі камери (19). Температура гноївки доводиться приблизно до 350 С і підтримується на цьому рівні в процесі ферментації. Стабілізацію температури гноївки у камері забезпечує температурний термостат-регулятор. Частина газу, що залишилася, витрачається на господарські потреби.

Установка для виробництва біогазу з ферментаційною камерою ємністю 200 м3 (рис. 2.9) працює таким чином.

Рис. 2.9 - Схема біогазової установки IBMER з ферментаційними камерами ємністю 200 м3, де: 1 - резервуар для гноївки, 2 - обмінник тепла, 3 - ферментаційна камера, 4 - резервуар для маси, що перебродила, 5 - проміжний резервуар, 6 - десульфатор, 7 - резервуар для біогазу, 8 - корівник, 9 - газові лічильники

Гноївка з телятника (8) самопливом стікає каналами у резервуар (1), що виконує функцію попереднього резервуара біогазової установки. У цьому резервуарі гноївка перемішується за допомогою насоса, а далі нагнітається визначеними порціями (за один раз по 1 м3) подаючим трубопроводом, через обмінники тепла (2), у ферментаційну камеру (3). Добова порція завантаження складає 10 м3/добу. Перемішування і подача гноївки здійснюється автоматично. Одночасно з подачею нового матеріалу у ферментаційну камеру, така ж кількість гноївки, що перебродила, видаляється з камери самопливом, омиваючи зовнішню оболонку обмінника тепла (2) і проміжний резервуар (5), оснащений насосом для гноївки, у резервуар для перебродженої маси (4). Інший спосіб відводу перебродженої маси, з проміжного резервуара (5) - перевезення асенізаційною місткістю у резервуар (4) чи безпосереднє внесення в грунт на полі. Існує також третій спосіб, що полягає в побудові біля ферментаційної камери (3) нового резервуара для маси, що перебродила, чи в установці на це місце одного з контейнерів. Біогаз, вироблений у ферментаційній камері (3), відводиться газовою сіткою в акумулючий резервуар (7), звідки через десульфатори (6), де він очищається від H2S - підводиться до котла центрального опалення біогазової установки, а також до інших споживачів. Кількість виробленого та використаного для обігрівання камери біогазу вимірюється за допомогою лічильника газу (9). Пристосування для очищення біогазу, забезпечення безпечної роботи, лічильники газу, а також пульт керування знаходяться в спеціальному приміщенні. Акумулюючий біогазовий резервуар (7) має будівлю у вигляді дзвону. Котел центрального опалення живиться електричною енергією під час запуску біогазової установки, а під час її експлуатації - біогазом. Циркулювання води в установці, яка обігріває камеру, забезпечується помпою. Установка призначена для двадцятидобової ферментації гноївки при температурі ?350 С.

Установку для виробництва біогазу з осадів стоків наведено на рис. 2.10. Сировина подається у ферментаційну камеру, обладнану подвійною системою перемішування (гідравлічною і механічною). Вироблений газ після десульфації направляється в резервуар для газу, звідки живляться енергетичні установки: енерго-тепловий агрегат з котлом (підігрів вмісту ферментаційної камери) і двигун приводу електричного генератора. Надлишок газу спалюється у факелі.

У державній програмі виробництва машин і технологічного обладнання для сільського господарства України на 1996-2005 рр. передбачено комплекти обладнання для анаеробної переробки гною та гноївки з реакторами типорозмірного ряду від 3 до 3000 м?. У сільській місцевості України експлуатуються та на стадії будівництва знаходяться близько 20-ти біогазових установок різної продуктивності з реакторами місткістю від 1 до 500 м?. Цього вкрай недостатньо при сучасних можливостях і потребах країни у використанні нетрадиційних джерел енергії. Зокрема, встановлено 4 установки типу К-Р-9-1 з реакторами від 1 до 300 м?, по одній у Запорізькій, Київській, Черкаській та Дніпропетровській областях. У дослідному господарстві «Світанок» Інституту механізації тваринництва УААН функціонує біогазова установка за схемою анаеробного біофільтру. Діють декілька господарських біогазогенераторів. У установках, що працюють у мезофільному режимі, добовий вихід біогазу складає 1,0 м?, у термофільному режимі - 2,0 м? біогазу з 1 м? робочого об'єму метантенка [1].

Рис. 2.10 - Схема виробництва біогазу з комунальних стоків, де: 1 - оглядове вічко, 2 - мішалка, 3 - клапан безпеки, 4 - детектор піни, 5 - піновловлювач, 6 - теплоенергетичний агрегат з обмінником тепла, 7 - фільтр з гравію, 8 - установка для видалення сірки, 9 - факел спалювання газу, 10 - резервуар для газу, 11 - сепаратор конденсату, 12 - насос для осаду сировини, 13 - циркуляційний насос для осаду, 14 - обмінник тепла, 15 - люк, 16 - інжектор

Розроблену у 80-х роках ХХ-го століття біогазову установку К-Р-9-1 розраховано для утилізації відходів ферм великої рогатої худоби при утриманні до 800 голів ВРХ і свинокомплексів з поголів'ям до 3600 голів свиней. Ця установка, з біореакторами на 125 м?, блочно-модульного типу вирізняється високим ступенем заводської готовності, що дозволяє за короткий термін виконати її монтаж на фермі. За рахунок комбінування однотипного обладнання (в першу чергу елементів біореактора) розширено діапазон комплектації К-Р-9-1 для ферм меншого та більшого типорозмірів. З урахуванням можливостей відповідної конструкторсько-технологічної доробки та модернізації установки К-Р-9-1 за результатами випробувань, вона зберігає високу перспективність застосування на ринку України. З іншого боку, розвиток фермерських господарств, криза з енергоносіями та досвід масового використання малих біогазових реакторів у Китаї та Індії обумовлюють необхідність використання малогабаритних, простих і ефективних установок з об'ємом біореакторів в межах 3-50 м?. Водночас, з точки зору екологічної та економічної ефективності найбільш доцільно впроваджувати промислові біогазові установки на великих тваринницьких комплексах і птахофабриках, але їх будівництво стримується необхідністю значних первинних капітальних витрат.

Набувають розповсюдження енергогенеруючі установки інтегрального типу з біогазовим виробництвом. На рис. 2.11 подано схему установки для енергозабезпечення тваринницького комплексу з нетрадиційних джерел енергії, спорудженої в Золотоніському районі Черкаської області.

Інтегральна енергоустановка включає сонячно-вітрову електростанцію і систему пристроїв для використання енергії біомаси, що виділяється у вигляді біогазу в процесі анаеробного зброджування гноївки свинарського комплексу на 24 тисячі голів. Сонячно-вітрова електростанція являє собою систему плоских геліоприймальних пристроїв, двох вітроелектричних агрегатів, потужністю 2 кВт кожний, які працюють паралельно з дизель-генератором АДС-60, переведеним для роботи на біогаз. На спрощеній схемі інтегральної установки (рис. 2.11) не позначені трансформаторна підстанція, резервуари для дренажних і дощових вод та утилізатор технологічних відходів.

Рис. 2.11 - Схема енергоустановки інтегрального типу, де: 1 - резервуар для гноївки; 2 - цех фільтрації; ЗА, ЗБ і 5А, 5Б - первинні та вторинні відстійники; 4, 6 - аеротенки; 7 - резервні відстійники; 8 - ставок; 9А, 9Б - резервуари для осадів; 10 - помпова станція осадів; 11А, 11Б - метантенки; 12А, 12Б - згущувачі зброджених осадів; 13 - котельня; 14 - площадка твердої фракції; 15 - гнієсховище; 16 - газгольдер; 20 - газозбиральний пункт метатенків; 22 - геліоустановки

За рахунок сумісної роботи з дизель-генератором здійснюється синхронізація роботи вітроелектричних агрегатів за частотою і напругою. Компонування обладнання дозволяє нарощувати встановлену потужність електричних генераторів за рахунок додаткових агрегатів. Вода в циркуляційному контурі між баками-акумуляторами місткістю 16 м3 і поверхнею нагрівання в 240 м? нагрівається до температури 60-65°С і в подальшому використовується для підігріву біосировини (гноївки), що направляється на зброджування, до температури 35?С. Циркуляція теплоносія в контурі здійснюється з допомогою двох вітромеханічних агрегатів типу УВМ-2М. На випадок безвітряної погоди встановлені резервні помпи з приводом від електричної мережі.

Енергію біомаси утилізують при застосуванні котлів КВ-300 з газомазутним пальником, у газодизельних генераторах, двигунах внутрішнього згоряння. У автономних комплексних енергоустановках біогаз використовують у дизельних генераторах, що працюють в режимі газодизеля з додаванням дизельного палива у кількості від 5 до 30%. На очищеному від домішок біогазі працюють двигуни внутрішнього зоряння на промислових електрогенеруючих установках.

На рис. 2.12 подано технологічну схему, а в табл. 2.1 - характеристики параметричного за продуктивністю ряду біогазових установок, що реалізовані в Росії [1].

Рис. 2.12 - Технологічна схема типової біогазової установки, де: 1 - ферма; 2 - збірник; 3 -заглиблена помпа; 4 - відокремлювач грубих включень;5 - помпа-дозатор; 6 - метантенк; 7 - гідрозатвор; 8 - концентратор-змішувач; 9 - блок-контейнер; 10 - газгольдер; 11 - рідкі добрива; 12 - сорбент; 13 - тверді добрива

Органічні відходи з ферми (пташника) надходять у збірник 2. З нього вихідний субстрат заглибленою помпою 3 подається на відокремлювач грубих включень 4, а потім помпою-дозатором 5 - у метантенк, обладнаний системою термостатування, перемішування, примусового відведення газу і вивантаження. З метантенка рідкі органічні добрива виводять через гідрозатвор 7. Їх відразу можна використовувати для поверхневого і внутрішньоґрунтового внесення при вирощуванні основних сільськогосподарських культур. Щоб отримати тверді добрива, більш зручні для зберігання і транспортування, зброджену масу подають у концентратор-змішувач 8, де доводять до пастоподібного стану. Компост заданої вологості отримують, змішуючи з сорбентом - торфом, тирсою тощо.

Таблиця 2.1 - Технічні характеристики біогазових установок [5]

Газ нагромаджується в газгольдері 10 низького тиску. Біля 30% газу витрачається на підтримання температурного режиму в метантенку. Установка працює в автоматичному режимі, устаткована системою контролю і управління. Експозиція процесу ферментації триває 6 - 12 діб. Теплота, що виділяється при роботі дизельного генератора, утилізується і використовується на потреби фермського енерготехнологічного вузла. При цьому утилізується теплота не тільки від охолодження робочого об'єму ДВЗ, але і від його викидних газів. Дизельний генератор, електричною потужністю 60 кВт, виділяє й теплову енергію на рівні 120 кВт, що є важливим у сільській місцевості при автономному енергоспоживанні. Енергоустановка при цьому працює не більше 1500 год/рік (в середньому 2-3 години за добу).