Разработка технологической схемы переработки отходов птицеферм с получением биогаза

• уточняется назначение и условия работы среда, температура давление и т.д
• определяется условный диаметр;
• уточняется   метод управлении   -   ручной,  электро,   гидро или пневмо привод:
• исходя  из  коррозионных  свойств  среды,   определяется 
  материальное оформление:
• выбирается класс арматуры  -  запорная, регулирующая, предохранительная и т.д.;
• назначается тип арматуры - вентиль, задвижка, кран. регулирующий или предохранительный клапан;
• уточняется условный диаметр прохода и диаметр отверстия в седле, для чего устанавливается допустимое гидравлическое   сопротивление   коэффициент  пропускной способности, расходная характеристика и т.д.
• с использованием данных о номенклатуре выпускаемой 
  арматуры и данных каталогов выбирается соответствующее изделие.

 

Согласно рассмотренным в Разделе 2 стадиям процесса метанового сбраживания в данном Разделе было охарактеризовано аппаратное обеспечение этого процесса. Определили какое оборудование необходимо для каждой стадии, и что собственно говоря происходит на этих стадиях, и какие условия необходимо создавать для наиболее эффективной работы установки.

На рисунку 3.1 приведена схема  данной биогазовой установки.

 

 

 

 

 

Продукт

 

 

                                                    Продукт

 

Сырье

 

 

                                        Биогаз        +        шлам

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.1 – Технологическая схема биогазовой установки

 

РАЗДЕЛ 4 ЭКОЛОГИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННОЙ СХЕМЫ

 

4.1 Характеристика биогазовой установки

 

Биогазовая установка — это  комплекс по переработке сельскохозяйственных, производственных и бытовых отходов, очищающий предприятие от грязи, вырабатывающий электричество, тепло и высококачественные удобрения. После очищения биогаза получается биометан, который используют для освещения, отопления и заправки автомобилей.

Большинство животноводческих хозяйств сооружают биогазовые установки  для получения электроэнергии и тепла. Из 1 куб. м биогаза при сжигании в когенерационной установке (оборудование для комбинированного производства электроэнергии и тепла), можно добыть 2 кВт/ч электроэнергии. Выход же самого биогаза зависит от вида используемого сырья. Обычно БГУ производит гораздо больше электроэнергии (примерно в 1,5–2 раза), чем нужно предприятию, соответственно, излишки можно продавать. Это будет  особенно выгодно, когда государство начнет принимать электроэнергию по «зеленому» тарифу. Сейчас закон о «зеленом» тарифе проходит доработку, и владельцы биогазовых станций сдают «излишки производства» по нерегулируемой (договорной) ставке. Но это все равно выгодно, поскольку себестоимость производимой на биостанции электроэнергии составляет примерно 0,10 грн. за кВт/ч, а продается она по 0,40–0,60 грн. Соответственно, владелец фермы не только обретает энергонезависимость, но и получает неплохой доход. А когда начнет действовать «зеленый» тариф, будет выгодно продавать максимум электроэнергии по высокой цене, чтобы покупать для своих нужд по низкой, как сейчас поступают в Европе.

Кстати, сама биогазовая система весьма экономна: потребляет всего 10–15% от производимой энергии зимой и 3–7% летом. А вырабатываемого  ею тепла достаточно не только для  обогрева птичника, но и для текущих хозяйственных нужд: получения пара, кипяченой воды, сушки соломы, семян, дров и пр. Возле биогазовых установок выгодно ставить теплицы — излишки тепла могут идти на поддержание нужной температуры. В себестоимости тепличных огурцов, помидоров, цветов 90% затрат — это тепло и удобрения. Получается, что возле биогазовой установки теплица может работать совершенно бесплатно, с максимально высокой рентабельностью.

Схема параллельного и последовательного  соединения реакторов для наращивания  мощности биогазовой установки. Камера дображивания фактически представляет собой еще один реактор. Именно эта мысль и натолкнула нас на один из ключевых моментов нашей технологии производства биогазовых установок.

Можно делать биогазовые установки  с несколькими реакторами. При увеличении количества реакторов остается та же самая система загрузки и система слива сырья (точнее, они увеличиваются незначительно) газовую систему обогрева можно спроектировать с таким запасом, чтобы тот же котел мог потянуть несколько реакторов, система автоматики увеличивается только на необходимое число модулей управления температурой. То есть, при увеличении мощности биогазовой установки путем добавления дополнительных реакторов, стоимость установки растет не пропорционально увеличению суммарного объема реакторов, а меньше.

Реакторы можно соединять параллельно  и последовательно. Если N реакторов  соединяются параллельно, то выгрузка и загрузка в каждый из реакторов  по очереди производится через каждые 20/N дней (с учетом длительности цикла в 20 дней). При этом каждый реактор один раз в 20 дней опорожняется на две трети, и затем заполняется свежим сырьем. Качество биоудобрений при этом будет максимальным, но выработка биогаза недостаточно равномерной, особенно, если реакторов мало.

Если соединить реакторы последовательно, то необходимо каждый день сливать  и заливать 1/20 суммарной рабочей  емкости реакторов (она составляет 80% общей емкости реакторов). Выработка  биогаза при этом будет максимально  равномерной. Качество удобрений будет  зависеть от количества реакторов.

Мезофильный и термофильный режимы работы биогазовой установки.

Есть несколько видов анаэробных бактерий, каждый из которых максимально  эффективно работает при определенной температуре. В связи с этим различают  различные температурные режимы брожения. На практике используются два режима: мезофильный (30-40°C) и термофильный (51-55°C).

В термофильном режиме реакция идет в два раза быстрее, и соответственно в два раза быстрее выделяется биогаз. Также термофильный режим  имеет преимущества с точки зрения экологии, поскольку в этом режиме уничтожаются почти полностью все болезнетворные микроорганизмы. Но термофильный режим требует больших энергозатрат на поддержание необходимой температуры реакции, а также большей точности поддержания температуры. Кроме того, качество биоудобрений в этом режиме получается хуже, чем в мезофильном.

Мезофильный режим предъявляет  менее строгие требования к точности поддержания температуры, но не всегда может подходить с точки зрения экологии.

Если нас интересуют прежде всего биоудобрения, то мезофильный режим – это безальтернативный выбор. Если необходимо существенно сэкономить на стоимости биогазовой установки, то подходит термофильный режим. Ведь установка, работающая в термофильном режиме имеет в два раза большую пропускную способность, и, соответственно, может быть уменьшена в два раза по сравнению с установкой, работающей в мезофильном режиме, при переработке того же количества сырья.

 

 

В предыдущем разделе была рассмотрена  технологическая схема биогазовой установки, в которой все стадии метаногенеза разделены во времени и в пространстве, то есть они происходят в разных установках. Но это усложняет производство и эксплуатацию данной установки, поэтому многими авторами предложена схема, в которой все стадии метаногенеза объединены в одном аппаратном оформлении и происходят в одном биореакторе. Известно, что для каждой стадии процесса присущи свои конкретные микроорганизмы, что используя сырье (птичий помёт), поэтапно превращают его в биогаз. Эти бактерии имеют различные оптимальные условия жизнедеятельности, главными из которых есть температура и реакция среды. Мы используем термофильные бактерии, они эффективно работают при t=52-54 ºC. Что касается pH среды, то следует отметить, что для первого и второго этапов характерна кислая среда pH = 4,0 - 6,5, а для третьего этапа – щелочная среда pH = 7,2 – 7,6. Само производство метана происходит наиболее эффективно при pH = 6-8, что неблагоприятно для кислотообразующих бактерий. При объединении этих стадий в одном реакторе поддерживают pH на уровне 6,8-7,4, которые благоприятные для последних бактерий. Это обеспечивается с помощью буферной емкости для поддержания стабильного процесса сбраживания. Питательная среда в реакторе имеет буферные свойства благодаря следующим реакциям:

1. получения гидроксила аммония с аммиака и воды;
2. реакция образования углекислого и двоуглекислого аммония с аммиака и углекислоты.

При отсутствии аммонийного буфера подщелачивание можно производить  гидроксидами, карбонатами или гидрокарбонатами.

Следует отметить, что кислотообразующие  бактерии более адаптированы к изменениям условий и имеют более высокую продуктивность по сравнению с метановыми бактериями, поэтому необходимо поддерживать условия, оптимальные для последних.

Что касается микроорганизмов, необходимых для этого процесса, то их можно специально и не вводить в реактор, ведь в птичьем помёте имеются данные бактерии.

Ниже на рисунке 4.1 приведена обобщенная схема биогазовой установки, в которой все стадии метаногенеза объединены в одном метантенке 4, после чего образуется биогаз, который отводится в газгольдер 5, и шлам, что направляется хранилище удобрений 8, пройдя обработку до этого. Биогаз поступает в котел 7, где сжигается, а тепловая энергия используется с помощью теплообменника 6 для обогрева данного метантенка, ведь для оптимальной работы микроорганизмов нужно поддерживать постоянную температуру.

 

 

 

 

 

 

1-ферма; 
2-навозоприемник; 
3-насос; 
4-метантенк; 
5-газгольдер; 
6-теплообменник;  
7-котел;  
8-хранилище удобрения  
Рисунок 4.1 - Обобщенная схема биогазовой установки [20]

 

Биогазовая станция — это  модульная установка, мощность которой  при необходимости можно наращивать. Для этого просто добавляют дополнительный реактор (плюс 30% от суммы общих инвестиций). Возможна комплектация биогазовой установки также линией сушки и фасовки удобрений (плюс 25%). Твердые удобрения пакетируются, а жидкие разливаются в бутылочки по 0,3, 0,5 или 1 л.

Для производства биометана установка  оснащается системой очистки (плюс 25–30% от базовой комплектации). Она позволяет производить очистку биогаза до состояния биометана (полного аналога природного газа с концентрацией метана в пределах 90–97%). После очистки газ может использоваться как моторное топливо для заправки автомобилей либо подаваться в общую систему газоснабжения.

Биогазовой установкой управляет  система автоматики, контролирующая работу насосной станции, мешалок, системы  подогрева, газовой автоматики, генератора. Для компьютерного контроля процесса достаточно всего двух-трех человек, работающих посменно.

Основная сложность  использования птичьего помета — необходимость двухстадийной технологии производства: он не перерабатывается в биогаз в обычном реакторе. Для этого требуется установить реактор гидролиза, позволяющий контролировать уровень кислотности (чтобы бактерии не погибли из-за повышения содержания кислот и щелочей). Дополнительный модуль приводит к 30%-ному удорожанию биогазовой станции. Помет можно перерабатывать и по обычной одностадийной технологии, но смешивая его с другими видами сырья, например с навозом или силосом (на 2 т помета 1 т силоса). Кроме удешевления капитальных затрат смешивание дает повышенный выход газа и электроэнергии.

На чем бы биогазовая установка  ни работала, ее стоит дополнить  когенерационной станцией. Если даже хозяйству не нужна электроэнергия, ее можно продавать по высокой цене (особенно это будет выгодно после вступления в силу «зеленого» тарифа).

4.2 Предложения по экологизации  биогазовой установки

 

Экологизация – это процесс  последовательного внедрения идей сохранения природы и устойчивой окружающей среды в разных сферах, в том числе в сфере разработки технологий.

Для оценки экологичности технологии используют индекс технологии или экологическую  характеристику технологии.

Её можно выразить с помощью  следующего уравнения:

              С_пол. Е_пол. τ_пол.

ЭХТ =  +  +

С _затр. Е_затр.                      τ_затр.

 

На основе этого уравнения можно  сделать некоторые предложения  по экологизации установки.

Как видим, сырье полезное – то, что использовалось в данном процессе и перешло в конечный продукт, должно максимально приближаться к затраченному сырью. В противном случае разница между затраченным сырьем и полезным уходит в отходы. С этой целью следует проводить предварительную подготовку исходного сырья, в данном случае птичьего помёта. Для этого его не используют самостоятельно, а смешивают в соотношении 1:1 или 1:2 с навозом. Отходы гомогенизируют и доводят до нужной влажности, желательно отделить вещества, которые не поддаются или слабо поддаются сбраживанию, это касается в первую очередь лигнина.

Энергией для этого процесса есть микроорганизмы, поэтому их следует  подбирать таким образом, чтобы  они были максимально эффективными – полезная энергия приближалась к затраченной энергии. К тому же, используется также энергия для подогрева реактора, ведь при использовании термофильных бактерий нужен подогрев. С этой целью следует использовать тепло, полученное при сжигании биогаза, произведенного этой установкой.

Для приближения полезного времени  к затраченному времени нужно ускорять процесс. Этого можно добиться разными способами: повышение температуры, но это требует дополнительных энергетических затрат; введением в систему ферментов – биологических катализаторов. Их необходимо предварительно подготавливать в специальных установках – ферментаторах.

Таким образом, с помощью перечисленных  выше мероприятий можно повысить экологичность установки биогазовой. Но не надо забывать, что главной  целью использования этой установки, кроме очищения территории с отходами, есть предотвращения биологического загрязнения окружающей среды, поэтому необходимо также обеззараживать полученный шлам, ведь в нём могут быть различный патогенные микроорганизмы, стойки к температурам, используемым в данном процессе метанового брожения. Но в тоже время с помощью этого процесса множество микроорганизмов, содержавшихся в птичьем помёте, погибает.