Разработка технологической схемы переработки отходов птицеферм с получением биогаза

В первом варианте транспортирование  биогаза до сборника осуществляется за счет избыточного давления в газовой полости метантенка. Во втором варианте необходимо  использовать оборудование для отсоса биогаза и транспортирования его до сборника.

Данные по очистке биогаза вступают в некоторые противоречия с данными  других авторов. Так большое количество малых установок, работающих в Китае и Индии, не комплектуются устройствами для очистки от H₂S при использовании биогаза для бытовых нужд (газовые осветительные фонари, газовые плиты). Известны работы по использованию биогаза без очистки в двигателях внутреннего сгорания.

Для удаления влаги, как правило, используются влагоотделители и конденсатосборные  устройства.

Очистка биогаза от H₂S и СО₂  может осуществляться адсорбционным (сухим), абсорбционным (мокрым) или механическим способом с использованием мембранной технологии.

Неочищенный биогаз из газгольдера  под давлением 85 Мбар используется для отопления, а излишки биогаза  после очистки передаются в магистральный  газопровод природного газа. Разработчики данной схемы считают, что относительно высокие энергетические затраты для предварительного сжатия неочищенного биогаза компенсируются повышением содержания метана в биогазе.

Способ мембранного разделения основан на различной проницаемости  компонентов биогаза через мембрану.

Однако широкого распространения этот способ пока не получил и по мнению некоторых исследователей метод разделения CH₄ и СО₂  на основе мембранной технологии целесообразно использовать в комбинированных схемах крупных установок с производительностью не < 3500м³/час биогаза.

 

3.3.2 Основное технологическое оборудование

Оборудование системы сбора  и использование биогаза в  составе технологической схемы  установки должно обеспечивать выполнение следующих основных операций:

- сбор биогаза;

- регулирование (поддерживание) давления в метантенке и системе в целом;

- транспортирование биогаза до  оборудования, потребляющего его;

- подготовка биогаза для потребления.

В зависимости от выбранного направления  использования биогаза используются сборники низкого (до 500 мм вод. ст.), среднего (2-20 атм) и высокого (свыше 200 ат) давления.

Наибольшее распространение имеют  мокрые газгольдеры которые представляют собой металлический (есть исполнения из пластика) колокол, погруженный открытым концом в бассейн с водой. Под колокол подводятся газопроводы для приема биогаза, под давлением веса колокола биогаз транспортируется потребителю. Высота колокола определяет высоту водяного резервуара. Для того чтобы не увеличивать высоту водяного резервуара, колокол изготовляют из нескольких звеньев – телескопических колец кольца соединены верхней частью между собой герметически при помощи гидрозатворов: высота столба жидкости в затворах должна быть больше высоты, соответствующей внутреннему избыточному давлению в газгольдере.

Верхний край каждого звена изогнут желобообразно во внутрь, а нижний наружу.

Таким образом колокол со звеньями создает полость для сбора  газа и поддержания давления.

Для неизменного положения подвижных  звеньев относительно оси резервуара, колокол и звенья снабжены роликами скользящими по направляющим. Число подвижных звеньев обычно принимается не более пяти.

Газгольдеры мокрого типа устанавливаются  в специальных зданиях или  на открытом воздухе.

Основными недостатками мокрых газгольдеров с водяным резервуаром и гидравлическим затвором является высокая стоимость, большой расход металла и необходимость постройки специальных зданий или устройства обогрева затвора в зимний период.

 

3.3.3. Сжигание биогаза и производство электроэнергии

Биогаз, содержащий 60-70% метана, используется непосредственно в газосжигающих устройствах для отопления и освещения, в качестве топлива двигателей внутреннего сгорания транспортных средств, а также для производства электроэнергии.

Наиболее простым способом использования  биогаза является сжигание его в газовых горелках водогрейных котлов. Для этой цели используются серийно-изготовляемые котлы для жидкого или газообразного топлива. При выборе котла важным является эффективность использования энергии биогаза; что определяется к.п.д. газосжигаещего устройства.

Биогаз используется в качестве топлива для автомобильных двигателей, причем эффективность его в этом случае зависит от содержания метана и наличия примесей. На метане работают как карбюраторные, так и дизельные  двигатели, но поскольку метан является высокооктановым топливом, более эффективно использовать его в дизельных двигателях. Абсолютный объем биогаза, необходимый для выработки энергии, эквивалентной той, которую получают при сжигании 1л бензина, составляет 1,33-1,87 м³, 1л дизельного топлива - 1,5- 2,07м³.

Известно, что сжигание 1 м³ биогаза позволяет получить 20-25 МДж энергии, в то время как 1 кВтчас электроэнергии дает 3,6 МДж энергии.

 

3.4. Разделение сброженной (отферментированной) массы

При разработке узла технологической  схемы разделения сброженной массы определяющими факторами являются:

• производительности установки по исходному сырью;
• доза разовой загрузки;
• содержание сухого вещества;
• степень разложения органического вещества;
• температура отферментированной массы;
• содержание удобрительных элементов;
• значения ХПК, БПК;
• направления использования обезвоженного шлама и жидких стоков.

Эффективность работы узла разделения в значительной степени влияет на эффективность работы установки  в целом и будет зависеть от того как четко и рационально  будут решаться задачи, которые необходимо решать на данном этапе.

Узел разделения отферментированной массы должен отвечать следующим  требованиям:

1. Производительность установки по исходному сырью и доза разовой загрузки определяет конструкцию и производительность устройства для разделения. При этом необходимо стремиться использовать в схеме устройство с наименьшим энергопотреблением, производительность его должна вписываться в рациональный график обслуживания установки с максимально возможным коэффициентом использования оборудования.
2. Содержание сухого вещества отферментированной массе должно определить степень разделения устройства с учетом принятой идеологии использования обезвоженного шлама и стоков, учитывая при этом желаемое распределение питательных элементов.
3. В том случае если предполагается рекуперация тепла жидких стоков, время разделения отферментированной массы в объеме дозы разовой загрузки должно быть минимально возможным. Трубопроводы должны иметь минимальную протяженность с соответствующей теплоизоляцией исключающей потери тепла.
4. Разделительное устройство и технология разделения должны обеспечивать снижение ХПК и БПК₅.

 

3.4.1. Отферментированная масса и  ее краткая характеристика

Особенностью метанового сбраживания  является то, что количество исходного  сырья перерабатываемое в установках и количество полученной отферментированной массы практически не изменяется, гак как химические реакции на различных стадиях сбраживания как сопровождаются поглощением воды (разложение органических кислот), так и выделением воды (реакция восстановления С0₂ до СН₄). Поэтому изменение влажности отферментированной массы по сравнению с влажностью сырья, несмотря на частичное разложение органического вещества в разработке узла разделения можно не учитывать.

Изменение химического состава исходного сырья и его санитарно-гигиенические показатели в процессе метанового сбраживания различными авторами трактуются по-разному и это объясняется различием в свойствах исходного сырья, совершенством технологии процесса и конструкции установки .

В отферментированной массе обнаружены яйца гельментов, т.е. при температуре 55°С оболочка яиц гельментов не разрушена. Дополнительная проверка на жизнеспособность яиц гельментов показала, что при  выдерживании в течение месяца личинки  не появились, т.е. обеззараживавшее действие технологии подтвердилось.

Около 30- 40% органического вещества, переходит в газообразное состояние, по данным в самых благоприятных  условиях разлагается до 70% органического  вещества. По данным наших исследований степень разложения органического вещества, в среднем, составляет 30-40%. При этом мало деградируют лигнин, целлюлоза, гемоцеллюлоза.

Влажность, содержание взвешенных частиц и удобрительных элементов приведены  ниже раздельно по шламу и жидкой фракции после разделения

В процессе сбраживания образуются гуминовые кислоты, повышающие водоудерживающую способность почв и способность накапливать питательные вещества. Вследствие этого уменьшается опасность вымывания питательных веществ из почвы в грунтовые воды.

Кроме того минеральные компоненты ила переходят в более доступную для усваивания растениями форму.

Фосфор и калий практически  полностью сохраняются в отферментированной массе в количествах близких  к исходному сырью.

Что касается азотных соединений, то в ходе сложных биохимических процессов метанового сбраживания они претерпевают изменение и их количество несколько уменьшается по сравнению с исходным илом. Кроме того, после метанового сбраживания происходит увеличение содержания аммонийной формы азота.

Таким образом, отферментированная масса благодаря наличию удобрительных элементов является высокоэффективным, обеззараженным, органическим удобрением, лишенным неприятных запахов.

   Для установок малой производительности, при наличии благоприятных и  эффективных условий использования отферментированной массы, в качестве удобрений, возможно использовать отферментированную массу без разделения.

 

 

 

3.4.2. Использование отферментированной  массы без разделения

Органическая или аммонийная форма  азота в отферментированной  массе  дает возможность использовать отферментированную массу как удобрение.

Многие исследователи указывают  на преимущества использования отферментированной массы в качестве удобрений по сравнению с илом штабельного хранения.

 

3.4.3. Оборудование для узла разделения  отферментированной массы

Основным оборудованием, которое  используется на этапе разделения отферментированной массы является устройство для разделения и сборник -накопитель отферментированной массы с дозирующим устройством.

Основная задача, которая решается на данном этапе это разделение отферментированной массы на обезвоженный шлам и жидкие стоки. Использование аэрации в сборнике-накопителе позволяет улучшить санитарно-гигиенические показатели отферментированной массы. Присутствие кислорода обеспечит проведение окислительно-восстановительных реакций, что приведет к дальнейшему снижению ХПБ и БПК.

 

3.5. Сбор и использование продуктов  разделения отферментированной  массы

 

В процессе разделения отферментированной массы получается два продукта: обезвоженный шлам (твердая фракция) и жидкие стоки: жидкая фракция. В зависимости от исходного сырья, принятой технологии сбраживания и технологии разделения свойства продуктов: разделения могут отличаться и влияют на эффективность их последующего использования, а следовательно, и на технологическую схему.

 

3.5.1. Состав и свойства обезвоженного  шлама и жидких стоков.

Обезвоженный шлам представляет собой  сыпучую торфоподобную по консистенции и внешнему виду массу. По химическому  составу это сложный многокомпонентный продукт, содержащий простые и сложные органические соединения, различные минеральные соли. Влажность обезвоженного шлама колеблется от 65 до 75%. Шлам практически не имеет запаха исходного сырья, не содержит патогенную и условно патогенную микрофлору, всхожесть семян сорных растений в шламе практически сведена к нулю. Обезвоженный шлам - это высококонцентрированное обеззараженное органическое удобрение, пригодное для непосредственного внесения в почву.

Срок хранения обезвоженного шлама с влажностью около 70% составляет 3 месяца, просушенный шлам до влажности 20% имеет срок хранения в бумажных или полиэтиленовых мешках до одного года.

 

3.6. Внутренние коммуникации, насосное  оборудование и арматура

Элементы технологической схемы, отдельное оборудование  взаимосвязаны и могут обеспечить целостность всего процесса при правильном решении вопроса связей их между собой.

Основными составляющими внутренних коммуникаций установки  делаются трубопроводы, насосное оборудование и арматура

При разработке схемы внутренних коммуникаций между отдельным оборудованием необходимо

• правильно определить условной диаметр, прохода трубопроводов и оптимальную их протяженность.
• обеспечить правильную ориентацию оборудования в пространстве и соблюдение необходимых уклонов трубопроводов.
• исключить застойные зоны в обвязке - очаги скопления 
  осадка;
• надлежащим образом теплоизолировать и исключить зоны склонные к замерзанию в холодное время года.
• выполнить требования инструкций по монтажу оборудования

Проектирование трубной обвязки должно выполняться в соответствии с требованиями техники безопасности удобства обслуживания, с соблюдением строительных и монтажных норм

Выбор арматуры является ответственным  этапом проектирования трубопроводной системы, поскольку безотказность и долговечность арматуры определяет собой безотказность и долговечность всей системы. При выборе необходимой арматуры необходимо учитывать как эксплуатационные так и конструкционные характеристики арматуры исходя из характеристики и свойств транспортируемых по трубопроводам сред и общем виде порядок выбора арматуры может быть: