shkolakz.ru 1 2 3

Биогазовые установки: 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 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.




Изображение 1.1: Круговорот двуокиси углерода органики

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 измерения электрического напряжения „Вольт". Вольта удалось уловить в 1770 г. болотный газ в отложениях озер на севере Италии, после чего он занялся проведением опытов по сжиганию этого газа. Английский физик Фарадей экспериментировал также с болотным газом и идентифицировал его как углеводород. Только в 1821 г. исследователю Авогадро удалось установить химическую формулу метана (СН4). Известный французский бактериолог Пастер в 1884 г. проводил испытания с биогазом, который он выделял из твердого навоза. Он впервые предложил использовать навоз с парижских конюшен для производства газа на освещение улиц.




Рис.1.2: Принцип работы „Эмшерского колодца"

Очень мощный импульс развитию технологии задал процесс открытия анаэробного гниения, после того как в конце 19 века было сделано открытие, что таким образом можно очищать сточные воды. В 1897 г. в больнице для больных проказой г. Бомбей/Индия построили первую установку, газ которой использовали для освещения, а в 1907 г. для питания двигателя на производство электроэнергии.


В Германии инженер с очистных сооружений Имхофф с 1906 г. на территории региона Рур начал систематическое строительство анаэробных, двухъярусных установок по очистке сточных вод, получивших название „эмшерский колодец" (Рис. 1.2). (Название Эмшер вначале имела река, образованная вследствие мелиоративных работ на эмшерских копальнях, но потом во время интенсивного индустриального развития превратилась в сточный канал, обслуживающий большую часть региона.) На сегодняшний день каждое очистное сооружение имеет анаэробные этапы (Рис. 1.3), выработанный канализационный газ от которых используется для отопления ферментаторов или на выработку тепла и электричества.

До начала Второй мировой войны использование канализационных газов получило быстрое распространение. Были разработаны плавающие колоколоподобные газгольдеры, мощные мешалки и системы отопления для ускорения процесса гнитья. Продажа очистного газа для предприятий имела большой спрос. В этот период существенного распространения приобрели эксперименты по очистке газа от воды, двуокиси углевода и сероводорода с целью его расфасовки в железные баллоны и использования как топлива для транспортных средств.

Перед Второй мировой войной и на протяжении войны в Германии в связи с возросшим спросом на „газовое топливо" пытались увеличить производство канализационного газа путем добавления твердых органических отходов, то есть применяли метод, называемый сегодня коферментацией. В 1940 г. в г. Штутгарт впервые успешно удалось подмешать отсепарированный жир.




1.3: Коммунальная биогазовая установка (анаэробный этап очистного сооружения)

По инициативе Имхоффа в г. Халле проводились эксперименты с отходами лакричного корня, каныгой, лигнином, отходами растений и зерна. Было установлено, что лигнин производит 19 л газа с килограмма сухой массы, канига давала 158 л/кг, а лакричный корень даже 365 л/кг, для последнего, однако период брожения составлял 45 дней. Очень подробные опыты с коферментации проводил д-р. Франц Попель во время войны в Амельсфоорт/Нидерланды. Уже тогда добавляли органические остатки домашнего хозяйства для экспериментов.


Очень хороший исторический обзор развития технологий по производству биогаза приводит Шнелль в своем труде „Биогаз, шанс, который долго упускали".


Зарождение биогазовой отрасли в сельском хозяйстве


Только в послевоенное время сельское хозяйство стало рассматриваться как потенциальный поставщик биогазового сырья, Имхофф в 1947 г. указывал на то, что из навоза от одной коровы можно произвести в сто раз больше газа, чем из очистного шлама одного городского жителя.

Технический университет г. Дармштадт в 1947 г. разработал биогазовую установку для небольших сельскохозяйственных предприятий с горизонтальным ферментатором (тип „бродильный канал") получивший название „система Дармштадт". По этому принципу Ройш построил в Хоенштайне/федеральная земля Вюртемберг в 1959 г. - тоесть более 40 лет назад - за 6000 немецких марок (соответственно сейчас 3000 евро) установку, получившую широкую известность (Рис. 1.4). Другие известные типы установок были разработаны в Берлине и Мюнхене (работающие на твердом навозе).

Кураторий по вопросам сельскохозяйственной техники с самого начала взял под свою опеку работу над новой технологией производства биогаза и образовал рабочую группу по биологическому производству гумуса и метана.


В 1950 г. заработала первая большая сельскохозяйственная биогазовая установка в Аллерхопе недалеко от Целле/федеральная земля Нижняя Саксония по системе Шмидта-Еггерглюса. Компания Шмідта-Еггерглюса построила около 20 установок по принципу последовательных резервуаров (Рис. 1.5).

Д-р. Вальтер Еггерглюс, зять Фердинанда Шмидта был одним из известнейших экспертов по биогазу той эпохи. Он придумал название „бигугаз" чтобы еще раз подчеркнуть действие переброженного удобрения. В то время как удобрение использовали исключительно твердый навоз, который смешивали в резервуаре предварительного хранения с водой и гниющим шламом, поскольку еще не существовало приспособлений для подачи жидкого навоза (пол с отверстиями, решетки). Общее количество изготовленных в 50-х гг. биогазовых установок в ФРГ составляло ок. 50, многие из них правда были закрыты из-за низкой эффективности после непродолжительной эксплуатации.


В 1955 г. началась „нефтяная лихорадка". Дизель стоил в то время 0,20 немецких марок/л (0,10 евро/л) и цены рухнули до 1972 г. до 0,08-0,10 немецких марок/л (0,04-0,05 евро/л). В то же время возросло массовое потребление минеральных удобрений. Все биогазовые установки за исключением двух были остановлены, действующими оставались только самостоятельно построенные установки Ройш/Хоенштайн и Шмидта-Еггерглюса на территории монастыря Бенедиктинцев, построенная в 1955 г. (Фото. 1.6). Последняя вошла в историю биогазовой техники как никакая другая.




Изобр. 1.4: Биогазовая установка Ройш: вид в разрезе, г. Бернлох (по чертежам Маурер [29]).


Биогазовая установка монастыря Бенедиктинцев


Установка состоит из 2 ферментаторных башен, одной башни для хранения, газометра и машинного отделения, была рассчитана на 112 голов КРС в расчете на производство газа 86.400 м³/год. На момент строительства стоила 72.500 евро, а на ее обслуживание затрачено 12.500 евро.

Биогаз использовали на кухне монастыря для приготовления пищи, его избыток перерабатывали с помощью дизельного двигателя MAN на электрический ток. Благодаря использованию технологии теплообменника, сырья в виде соломы и небольшом объеме резервуара для брожения в 1977-79 гг. удалось достичь добычи газа в размере 2,9 м³ на единицу КРС/день, что считалось очень значительным. В 1980 г. эксплуатация установки прекратилась, поскольку монастырь больше не содержал скота. Эта установка проработала в общей сложности 25 лет.


Последствия нефтяного кризиса

Второй подъем в развитии биогазовых технологий начался после нефтяного кризиса 1972/3 гг. Кураторий по вопросам сельскохозяйственной техники в марте 1974 г. под влиянием мировой тенденции поиска альтернативных источников энергии организовал профессиональную дискуссию „Насколько актуален сегодня биогаз?", которая уже включала в себя аспекты охраны окружающей среды. Многочисленные фермеры, изобретатели, компании и исследовательские институты начали после этого интенсивное развитие биогазовых технологий.




1.5: Схема завода по производству биогумуса и -газа. Система Шмидта-Еггерглюса.


К этому процессу свои усилия приложил также д-р Еггерглус. Очень активным был также еще один пионер биогазовой сферы, который уже в 1953 г. построил биогазовую установку в Унтерзонтхайме: Фриц Вебер, фермер и депутат. В 1962 г. он построил улучшенную установку в Георгенау, частично работающую в анаэробных условиях и в ней сознательно создавались условия для образования плавающей соломенной корки, которую в случае необходимости можно было выловить грейфером.

В 1980 г. в Баварии действующими были 15 установок (для сравнения на сегодняшний день ок. 1000), а в Баден-Вюртемберге 10 установок. В изданном В. Пальцом труде в 1985 г. „Биогазовые установки в Европе" упоминались 75 объектов в Германии, некоторые из перечисленных правда никогда не были достроены. В распространении биогазовой техники на то время был значительный перевес юга над севером Германии. Большинство установок со значительным отрывом (ок. 80%) находились в Баварии и Баден-Вюртемберге, остальные распределялись между другими федеральными землями. Причина такого большого распространения на юге страны было в первую очередь связано с развитием животноводства на больших предприятиях и активном консультировании биогазовыми экспертами.


Вместе со многими полезными разработками место имели и негативные, как это уже известно сегодня: барабанный реактор, плавающий в теплой воде, биогазовые установки, расположенные под хлевами со скотом, компактная семиконтурная установка были теми ошибочными путями развития. Определяющим для этого периода было подстраивание уже существующей техники и оборудования к потребностям технологии производства биогаза, как-то напр. использование доступных резервуаров для навоза, использование моторных погружных мешалок или оснащение серийными двигателями блочных генераторов.


Большинство установок было построено в период с 1980 до 1985 гг. Одну из наилучших и наиболее дешевых установок из расчета 165 евро/единица КРС собственными силами построил Иоганн Зедльмаер в Рудельцхофене (Изобр. 1.7) из использованных компонентов. Самая дорогая и наименее использованная установка была установлена на предприятии Шрауфштеттер, г. Изманинг в рамках исследовательского проекта. В отличие от первой волны развития биогазовых технологий в 50-х гг., в качестве сырья для установок подавали больше не твердый навоз, а жидкий. К тому времени уже стали распространенными технологии с щелевым полом или отверстиями. Это с одной стороны облегчило смешивание, подачу и перемешивание, а с другой стороны привело к меньшей добыче газа (разбавленный субстрат). За период с 1985 по 1990 гг. строительство новых установок значительно сократилось, но не полностью. В том, что отрасль полностью не исчезла, есть значительная заслуга объединения „Bundschuh Biogasgruppe", которое проводило ежегодные выездные симпозиумы посвященные биогазовым технологиям.




1.8: Рост числа сельскохозяйственных биогазовых установок в Германии с 1960 по 2005 гг.



следующая страница >>