Главная страница
Сведения об авторах

Технологические комплексы для получения биогаза и разделения его на компоненты

Нескородов Г. Ф., Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», Харьков, Украина
Эрсмамбетов В. Ш., предприниматель, Харьков, Украина

Для Украины актуальна проблема снижения объемов потребления природного газа, закупаемого за валютные средства. Альтернативным энергоносителем может служить биогаз, получаемый при анаэробной ферментации органических отходов растительного и животного происхождения.

Биомасса — четвертое по значимости топливо в мире, обеспечивающее 14 % общемирового потребления энергоносителей, — в последнее время выходит на первый план.

В Украине анаэробная переработка биомассы проводится крайне редко в силу ряда причин, главные из которых:

—   недостаток средств у предприятий, в первую очередь в аграрном секторе экономики, где образуются большие объемы органических отходов и потребляется значительный объем энергоносителей;

—   отсутствие демонстрационных проектов биогазовых комплексов с полным безотходным циклом переработки органических отходов.

Специалисты Национального технического университета «Харьковский политехнический институт» и Центра инновационных технологий «ТЕХНОДОМЕН» разработали биокомплекс 2-стадийной анаэробной переработки органических отходов в блочном исполнении. Модуль содержит два биоректора (метантенка), каждый объемом 60 м³. Такой выбор продиктован намерением использовать при тиражировании биокомплексов железнодорожные цистерны, серийно выпускаемые в Украине.

Для крупного животноводческого предприятия или птицефабрики, где образуется более 100 т органических отходов в сутки, биоэнерготехнологический комплекс (БЭТЕК) включает:

1)  накопитель навоза, помета;

2)  блок предварительного приготовления сырья (измельчения и обеззараживания, подготовки для эффективной переработки в биореакторах);

3)  финальной подготовки сырья к сбраживанию (обеспечения требуемых значений рН и температуры, а также степени гомогенизации);

4)  биореакторы 1-й ступени (мезофильный режим);

5)  биореакторы 2-й ступени (термофильный режим);

6)  блок очистки и сжатия биогаза;

7)  газгольдер (газосборник);

8)  блок разделения биогаза на метан и углекисльгй газ;

9)   комплексного высоковольтного импульсного воздействия на биомассу (по согласованию);

10)  разделения биомассы на твердую и жидкую фракции;

11)  образования комплексов частиц низкомолекулярных органических веществ с переходными и щелочноземельными металлами (по согласованию);

12)  сушки, гранулирования, расфасовки, упаковки и складирования органических удобрений;

13)  утилизации жидкой фракции (подготовки к использованию в качестве жидкого удобрения, для полива; доочистки и использования в оборотном водоснабжении);

14)  энергоблок (котел-парообразователь и дизель-генератор или электротеплоагрегат типа ЭЛТАГ-100/130);

15)  солнечный коллектор с тепловым аккумулятором (по согласованию);

16)  блок управления (в административно-бытовом или лабораторном корпусе).

Технические характеристики БЭТЕК приведены в табл. 1.

Таблица 1

Технические характеристики БЭТЕК
 

При мезофильном режиме затраты тепла на получение 1 м³ биогаза несколько ниже, чем при термофильном, однако биогазовые установки, работающие в мезофильном режиме, имеют ряд недостатков:

—   недостаточно интенсивное и неполное разложение биомассы;

—   относительно небольшая загрузка биореактора;

—   высокая чувствительность технологического процесса к объему и структуре субстрата;

—   низкая обеззараживающая способность.

Термофильный режим позволяет получить больший объем биогаза, повысить загрузку биореактора и степень обеззараживания конечного продукта.

Недостатки установок, работающих в термофильном режиме:

—   повышенное удельное потребление тепловой энергии;

—   чувствительность к ударным нагрузкам, возникающим при заполнении биореактора.

Отмеченные недостатки в значительной мере удается устранить в установках 2-ступенчатого сбраживания биомассы. Экономическая эффективность процесса повышается: увеличивается выход биогаза; сокращается время цикла сбраживания; возрастает степень обеззараживания субстрата (при рабочей температуре 55 °С патогенные микроорганизмы погибают в течение 24 ч); происходит его дезодорация и улучшение свойств как органического удобрения, поскольку азот переходит в легкоусвояемую растениями форму.

Предложенный нами вариант исполнения биогазового комплекса позволяет значительно увеличить скорость и глубину разложения биомассы и выход метана при оптимизации параметров (рН, температура, давление, дисперсность биомассы, сообщество микроорганизмов, тип перемешивания и др.) отдельных и независящих друг от друга стадий гидролиза и образования метана.

По техническому уровню БЭТЕК не уступает лучшим зарубежным образцам биогазовых установок, а отдельные технические решения, например по получению высококачественного органического удобрения «биогумин», не имеют аналогов.

БЭТЕК комплектуется преимущественно из изделий серийного отечественного производства, как правило, с возможностью замены.

В верхней и нижней частях биоректора имеются люки для доступа внутрь, что обеспечивает возможность проведения ремонтных работ, в частности интенсивную продувку.

Конструкция мешалок защищена патентом. Они оборудованы вертикальными лестницами, расположенными по периферии дисков в просветах между лопатками. Конструкции блоков

БЭТЕК не предусматривают применение дефицитньгх материалов. Корпуса биореакторов изготавливают из углеродистой стали марки Ст3. Для повышения коррозионной стойкости элементов и установок (сборников, теплообменников, подогревателей, а также полостей биореакторов) можно использовать металлизацию алюминием, неметаллические лакокрасочные покрытия.

БЭТЕК размещают на территории птицефабрики или животноводческой фермы. Отходы подают в приемный бункер-накопитель. Размер площадки 40 ? 70 м.

Для создания БЭТЕК требуется 900 тыс. евро, срок окупаемости 12 месяцев. Текущие затраты приведены в табл. 2.

Таблица 2

Эксплуатационные расходы и заработная плата
 

Исходные данные и результаты расчета прибыли показаны в табл. 3.

Таблица 3

Прибыль от переработки биомассы

Разработанные технологические комплексы разделения биогаза позволяют получить топливный газ, сжиженные метан и двуокись углерода как товарные продукты и накапливать их в периоды падения потребления электроэнергии. В основе технологии лежит низкотемпературный метод разделения газов с использованием волнового детандера-компрессора и процесса ректификации. Биогаз сжимают в компрессоре до давления 1,04 МПа и снижают его температуру в аппарате воздушного охлаждения. Затем в блоке адсорбционной осушки из него извлекают влагу. В теплообменнике биогаз предварительно охлаждают обратным потоком газа низкого давления, после чего подают в ректификационную колонну, где разделяют на сжиженные метан (температура —125 °С, давление 1 МПа) и двуокись углерода. Из верхней части колонны отбирают газообразный метан и через теплообменник направляют в волновой детандер-компрессор, где в процессе расширения газа и понижения температуры образуется сжиженный продукт.

Состав и свойства исходного биогаза приведены в табл. 4.

Таблица 4

Состав и свойства биогаза
 

В табл. 5. представлены характеристики установки и конечных продуктов в зависимости от количества перерабатываемого биогаза.

Таблица 5

Для выхода на режим при запуске установки получаемые продукты должны подаваться на вход для обеспечения рециркуляции и постепенного установления требуемого уровня температур.