Биогазовые энергетические установки для фермерских хозяйств. Анализ процессов, влияющих на эффективность их использования

В настоящее время в Узбекистане большое внимание уделяется развитию сельскохозяйственного производства, которое является основой, обеспечивающей продовольственную безопасность государства. Приоритетными направлениями программы развития сельского хозяйства являются:

• повышение конкурентоспособности узбекской сельскохозяйственной продукции на основе финансовой устойчивости и модернизации сельского хозяйства, а также на основе ускоренного развития приоритетных подотраслей сельского хозяйства; земельных и других природных ресурсов;

• повышение уровня газификации домов природным газом за счет восстановления и наращивания потенциала социальной и инженерной инфраструктуры села, улучшения кадрового и информационного обеспечения отрасли;

• улучшение общих условий функционирования сельского хозяйства путем сохранения и поддержания почвенного плодородия.

Особая роль министерством сельского хозяйства уделяется развитию фермерских хозяйств (ФХ). Применение биогазовых энергетических установок (БЭУ) в ФХ позволит придать структуре хозяйства новые качества: сделать его энергетически независимым, увеличить объёмы производства, решить проблему утилизации отходов. БЭУ нашли широкое распространение в Германии, Дании, Индии. Анализ зарубежного опыта использования БЭУ показывает, что широкое применение эти установки получили в тех странах, где осуществляются программы развития и стимулирования, такие как Биогазовая программа КНР. В нашей стране в настоящее время активно формируется рынок БЭУ и, в частности сегмент, ориентированный на ФХ. Свою продукцию предлагают отечественные и зарубежные производители. Но здесь между производителями есть серьёзные различия. Ведущие зарубежные производители, имеющие большой опыт разработки и строительства биогазовых установок, как правило, предлагают «строительство под ключ» достаточно крупных установок, рассчитанных на переработку десятков тонн биоразлагаемых субстратов в сутки, естественно, что и стоимость этих установок измеряется миллионами евро. БЭУ относительно простое по конструкции устройство, в котором происходят сложнейшие биохимические процессы, связанные с жизнедеятельностью различных групп микроорганизмов. В результате переработки микроорганизмами исходных субстратов выделяется биогаз. Биогаз представляет собой смесь газов, основными в которой являются двуокись углерода и метан. Собственно метан, процентное содержание которого в биогазе составляет 50…80 %, и является ресурсом для выработки электрической и тепловой энергии. По конструкции БЭУ бывают одноступенчатыми и многоступенчатыми, по принципу действия — периодического и непрерывного действия, по типу смешивания — полное смешивание или пробочное проталкивание. Относительно небольшие установки для ФХ обычно имеют одноступенчатую схему непрерывного действия с полным смешиванием. Такая схема БЭУ позволяет максимально упростить конструкцию, уменьшить размеры, минимизировать затраты на производство. Но, с точки зрения условий для образования биогаза такие БЭУ имеют ряд существенных недостатков. Рассмотрим некоторые из них. Процесс образования биогаза состоит из четырех основных стадий:

Гидролизная стадия. Во время протекания гидролизной фазы, в результате жизнедеятельности бактерий, устойчивые субстанции (протеины, жиры и углеводы) разлагаются на простые составляющие (например, аминокислоты, глюкозу, жирные кислоты).

Кислотообразующая стадия. Образованные во время гидролизной фазы простые составляющие разлагаются на органические кислоты (уксусная, пропионовая, масляная), спирт, альдегиды, водород, диоксид углерода, а также такие газы как аммиак и сероводород. Этот процесс протекает до тех пор, пока развитие бактерий не замедлится под воздействием образованных кислот.

Ацетогенная стадия. Под воздействием ацетогенных бактерий, из образованных во время кислотообразующей фазы кислот, вырабатывается уксусная кислота.

Метаногенез. Уксусная кислота разлагается на метан, углекислый газ и воду (СН₃СООН→CH₄ + CO₂ + H₂O). Водород и углекислый газ в свою очередь преобразуются в свою очередь в метан и воду (CO₂ + 4H₂→ CH₄ + 2H₂O).

В одноступенчатых БЭУ все четыре стадии протекают в одном реакторе-ферментере, и эти процессы не разделены во времени и пространстве. А для каждой из групп микроорганизмов, реализующих эти биохимические стадии, требуется создание специфических довольно строгих условий. При протекании всех стадий в одном объеме, возможно, происходят, в зависимости от состава субстрата, точности выдерживания температурных условий, удельного объема загрузки реактора (кг/м.куб. по сухому веществу) отклонения с последующим ингибированием процесса. Например, для легкоразлагающихся веществ происходит быстрое окисление, в результате чего равновесие смещается в сторону образования сероводорода, аммиака, углекислоты при снижении выработке метана, или даже полном прекращении метаногенеза. Еще одним фактором, приводящим к резкому снижению эффективности процесса, является колебание температуры. Бактерии-метаногены очень чувствительны к изменению температур. Для микроорганизмов смещение температуры на 1⁰С градус в течение суток может привести к гибели штаммов метаногенов и развитию неметаногенных микроорганизмов. Формирование нового штамма — процесс длительный, а за это же время штаммы микроорганизмов-неметаногенов могут израсходовать питательные вещества субстрата. Колебания температуры субстрата внутри ферментера одноступенчатых БЭУ могут происходить при загрузке свежей порции субстрата. Относительно холодный субстрат поступает в ферментер (метантенк), где, смешиваясь с находящимся в нем субстратом, приводит к снижению температуры в общей массе субстрата. Снижение температуры в общей массе субстрата после загрузки свежей порции приближенно можно определить по формуле:

∆Т Х/1+Х(Т_р-Т_с)

где x — относительный объём загрузки ферментера, Тр — температура субстрата в ферментере, Тс — температура свежей порции субстрата. При термофильном режиме оптимальная температура субстрата в ферментере составляет 54 ⁰С, если относительный объём загрузки ферментера составляет 0,05…0,1, то снижение температуры составит 1,5…3⁰С, что, как отмечалось ранее, может привести к гибели микроорганизмов-метаногенов. На эффективность процесса метаногенеза оказывает влияние состав и качество используемых субстратов. Субстраты необходимо предварительно довести до определенной кондиции, то есть твердые субстраты должны быть измельчены, гомогенизированы и иметь оптимальную влажность. Поэтому для подготовки суточной загрузки ферментера необходимо произвести сбор, сортировку и измельчение субстрата. Причем, если субстрат в течение года формируется неравномерно, что является характерным для сельскохозяйственного производства, то для равномерной загрузки установки требуется иметь хранилище субстрата, что требует дополнительных площадей и средств для его строительства. Измельчение субстрата происходит обычно на стадии предподготовки вне БЭУ, для измельчения твердых субстратов используются специальные измельчители, стоимость которых, в зависимости от производительности, может составлять сотен тысяч сумов. Преобразование тепловой энергии биогаза в электрическую происходит в газопоршневых электростанциях. Стоимость таких электростанций составляет, в зависимости от вырабатываемой мощности от нескольких десятков до сотен тысяч сумов. Кроме самой электростанции необходимо приобретение вспомогательного оборудования: аккумуляторных батарей, датчика заряда и т. д., что значительно повысит стоимость комплекта оборудования для БЭУ. Загрузка субстрата в кг/м. куб. по сухому веществу не должна превышать определенной величины в зависимости от типа биогазовой установки. Отходы животноводтва, например навоз, в качестве субстрата желательно использовать в свежем виде. При длительном хранении на открытом воздухе исходные для биогаза вещества быстро окисляются, теряют влажность и становятся малопригодными для использования в БЭУ. Фактором, обеспечивающим нормальное протекание процесса, является постоянное перемешивание субстрата в ферментере при определенных параметрах. С одной стороны, для наилучшего протекания процесса перемешивание должно быть равномерным (для равномерного распределения микроорганизмов-метаногенов по объему реактора), с другой стороны перемешивание должно быть достаточно деликатным, чтобы не привести к гибели микроорганизмов. Наиболее продуктивно выделение метана происходит в центральной части реактора, при этом на дно выпадает осадок, происходит расслоение субстрата, а на поверхности может образовываться корка, препятствующая выходу биогаза. Перемешивание должно обеспечить циркуляцию субтрата по объему реактора и не допускать образование корки. Из опыта эксплуатации БЭУ в Германии известно, что наиболее частой причиной снижения выхода биогаза является поломка или неэффективная работа перемешивающих устройств. Существуют две основных системы перемешивания субстрата в реакторах — механическими мешалками и струйное (гидропневматическое) перемешивание. В конструкциях малых БЭУ, например БГУ-2 (производство ВИЭСХ г. Москва), в качестве перемешивающего устройства применяется насосная установка. Недостатком такого способа перемешивания является частое засорение элементов насосных установок, что приводит к нарушению оптимальных условий протекания процесса метаногенеза. Для таких систем перемешивания должны использоваться специальные насосы, а субстрат должен быть предварительно измельчен до частиц определенных размеров. Важным для эффективного использования БЭУ является срок пребывания субстрата в ферментере. Для различных субстратов оптимальные значения сроков ферментации различны. Процесс выхода биогаза зависит от длительности протекания стадий процесса. Для легкоразлагающихся субстратов (навоз, пищевые отходы) выход биогаз начинается через несколько суток после загрузки в ферментер, а для трудноразлагающихся может потребоваться несколько месяцев. Наибольший выход биогаза из субстрата обычно наблюдается в период после начала выделения, затем процесс постепенно замедляется, но небольшое количество биогаза может выделяться очень долго. С точки зрения экономики пытаться достичь полного разложения субстрата и максимального выхода биогаза нецелесообразно, так как это потребует больших сроков пребывания субстрата в ферментере, а, следовательно, больших объёмов установки. Поэтому обычно применяемая в БЭУ непрерывная схема работает следующим образом: ежесуточно в ферментёр догружается определенная порция свежего субстрата и такая же порция перебродившего выгружается, но перебраживание в этом случае неполное. Объём ферментера при непрерывной схеме работы БЭУ определяется для каждого субстрата экспериментально с учетом получения оптимальных технико-экономических показателей. Для ФХ характерно разнообразие субстратов: навоз КРС и свиней, помёт птицы, отходы растительного происхождения, пищевые отходы. Естественно, что в небольших хозяйствах использование субстратов в БЭУ должно происходить совместно в режиме коферментации. Процессы коферментации различных субстратов из-за большого числа возможных комбинаций изучены, к настоящему времени, недостаточно. Особенностями сельскохозяйственных технологий в ФХ в нашей стране является их удаленность от централизованных систем энергообеспечения, невысокая культура производства, низкий уровень механизации и автоматизации, поэтому ежедневное обслуживание БЭУ, связанное со сбором и подготовкой субстрата, его загрузкой и выгрузкой могут оказаться более затратными, чем полученная выгода от производства биогаза и биошлама, который можно использовать в качестве удобрения. Для того, чтобы БЭУ работала эффективно, необходимо на стадии разработки технико- экономического обоснования по-возможности учесть все аспекты её использования, в том числе и перспективы развития производства сельхозпродукции с учетом дополнительных энергетических ресурсов.

Литература:

1. Одабашян Г. В., Швец В. Ф., Лабораторный практикум по химии и технологии основного органического и нефтехимического синтеза. — М.; Химия,1992,-240 с.

2. Сорокин Я. Г. Особенности переработки сернистых нефтей и охрана окружающей среды. — М.: Химия, 1975. — 296 с.

3. http://www.narodnoeslovo.uz. Газета «Народное слово». № 241(5661), 2012 год 12 декабря.