Получение биогаза из навоза: Как получить биогаз из навоза, биогазовая установка своими руками

Как получить биогаз из навоза, биогазовая установка своими руками

Технология получения газа из навоза зависит от вида и качества используемой навозной массы, выбранным режимом брожения, составом получаемых продуктов. Процесс включает в себя несколько важных технологических этапов. От того насколько четко и своевременно они будут выполнены зависит объем и качество получаемого газа.

Переработка навоза в биогаз

Подготовка сырья. Мероприятия включают в себя загрузку биомассы, ее измельчение, добавление воды, биологических и химических составов, гомогенизация, смешивание и подогрев (при необходимости). Если исходное сырье состоит из нескольких субстанций, то подготовительные мероприятия проводятся отдельно с каждой из них. Предварительная подготовка сырья позволяет ускорить процесс брожения и получения биогаза. В ходе подготовки необходимо добиться высокой однородности смеси и влажности не менее 90%.

Загрузка реактора

1. Существует два способа загрузки биореактора:

• раздельная подача жидкой и твердой фракции;
• предварительное смешивание жидкой и твердой фракции и подача в биореактор единой гомогенизированной массой.

При этом важно соблюдать пропорции подачи сырья, чтобы не нарушить процесс брожения.

Обеспечение нужного температурного режима. Процесс брожения осуществляется под воздействием специальных бактерий. Для их эффективной работы на протяжении всего процесса переработки необходимо поддерживать определенный уровень температуры в биореакторе. Уровень температуры определяется выбранным режимом для протекания реакции. Мезофильный режим предполагает поддержание температуры в диапазоне 30-40 градусов с возможным перепадом не более чем на 1 градус в час. При термофильном режиме необходимая температура должна составлять 50-55 градусов, при этом перепад температуры должен составлять не более 0,5 градусов в час.

Получение биогаза. Основным продуктом разложения биомассы является биогаз. Образующийся газ поднимается в верхнюю часть биореактора, откуда по газоотводным трубкам выводится в специальную емкость – газгольдер.

Получение удобрения

Побочным продуктом технологии получения биогаза является ценное минеральное удобрение (дигестат), которое отводится из биореактора в специальный накопитель.

Очистка биогаза

Биогаз состоит из смеси газов: около 63 % метана, примерно 33% углекислого газа, около 2% сероводорода и 1% аммиака. Очистка биогаза предполагает увеличение содержания в нем метана до 90-98%. Удаление каждой примеси производится индивидуальным способом. Сероводород оседает на специальных изоляционных материалах трубопроводов. Углекислый газ и прочие соединения – посредством смешивания биогаза под высоким давлением с водой. Далее для удаления чрезмерной влаги применяется конденсационный метод – разогретый до высокой температуры газ пропускают по холодному трубопроводу. В результате таких манипуляций получается газ, которым можно заправлять транспортные средства.

Установки для получения биогаза

Получить газ из навоза можно при помощи биогазовой установки. Это может быть установка, собранная своими руками, быстровозводимая сборно-разборная мобильная установка или целый промышленный комплекс, работающий полностью в автоматизированном режиме.

Основными элементами установки являются:

• емкость для приема и предварительной подготовки сырья;
• система транспортеров и трубопроводов;
• биореактор;
• газоотводные трубки;
• газгольдер;
• емкость для дигестата;
• система очистки биогаза;
• система автоматики.

Условия, необходимые для эффективного функционирования установки:

• абсолютно герметичный биореактор;
• постоянное поддержание требуемой температуры биомассы;
• достаточная влажность и высокий уровень гомогенизации биомассы;
• необходимый показатель кислотности сырья;
• добавление ускорителей или замедлителей процесса разложения;
• равномерный прогрев и постоянное перемешивание сырья;
• своевременное удаление отработанной массы и добавление новой.

Специфика функционирования промышленной установки основана на периодической загрузке биомассы в реактор, с применением насосной станции или загрузчика.

Герметичный реактор, изготовленный из железобетона или стали с покрытием, представляет собой утепленный и подогреваемый резервуар, который оснащен миксерами. Работа его осуществляется без доступа воздуха. В реакторе находятся полезные микроорганизмы, жизнедеятельность которых обеспечивает биомасса. Для поддержания жизнедеятельности бактерий подается органическое сырье, которое подогревается до 35-38 °C и периодически перемешивается. Полученный биогаз скапливается в газгольдере. Следующий технологический процесс – очистка биогаза, посредством его прохождения через систему очистки. Конечный этап – подача потребителям в котел или электрогенератор.

Для некоторых видов сырьевой массы, применяемой в чистом виде, используется особая одностадийная технология сбраживания. К примеру, спиртовая барда перерабатывается с помощью добавления химических ингредиентов. Для меласной кислой барды применяется щелочь. Возможна переработка этого вида сырья и без химических добавок. В этом случае производят коферментацию (смешивание) с другими субстратами, например, с силосом либо навозом.

Наиболее популярный промышленный метод получения — анаэробное сбраживание в метановых установках. Биогазовая технология производства представляет собой метановое сбраживание с помощью кислотных и метановых микроорганизмов, полученных при разложении органических элементов. Она основана на свойстве органических отходов выделять биогаз в бескислородных (анаэробных) условиях. Технологический процесс осуществляется в три этапа:

1. Гидролиз. На этом этапе происходит ферментация органических веществ под действием гидролизных бактерий. Такие микроорганизмы разлагают протеины, липиды и длинные звенья сложных углеводородов в более короткие цепочки.
2. Сбраживание. В процессе этого этапа кислотообразующие микроорганизмы вырабатывают органические кислоты, которые окисляют и расщепляют сложные соединения в более простые типы. В сбраживаемой среде образовываются первичные продукты брожения, преобразующие органические кислоты в биогаз.
3. Генерация метана. На третьем этапе метанообразующие микроорганизмы, продуцирующие метан, разлагают соединения с невысоким молекулярным весом. Происходит утилизация водорода, уксусной и углекислой кислоты. Метанообразующие микроорганизмы существуют только в бескислородных (анаэробных) условиях. Поэтому, от созданных для их жизнедеятельности условий зависит интенсивность процесса газового выделения.

В производстве биогаза участвует симбиоз всех трех микроорганизмов.

Оптимизация биогазовой технология производства обеспечивается на этапе сбраживания. Для прохождения этой стадии достаточно обеспечить следующий технологический режим:

• правильно выбрать время для сбраживания;
• подобрать сырье с оптимальным уровнем влажности;
• поддерживать в реакторе бескислородные условия;
• соблюдать температурный режим;
• обеспечивать доступность питательной среды для микроорганизмов;
• своевременно производить загрузку и выгрузку сырья;
• соблюдать кислотно–щелочной баланс;
• выдерживать технологическое соотношение содержания азота и углерода;
• производить регулярное перемешивание;
• исключить из процесса вещества, которые могли бы подавлять либо задерживать течение происходящих процессов.

Биогазовая установка своими руками

Вполне реально получить газ из навоза в домашних условиях, используя самодельную установку.

Самый оптимальный вариант для частного дома – устройство подземного бункера из кирпича или бетона с двухсторонней обработкой гидроизоляцией и газонепроницаемыми составами. Это обеспечит требуемую герметичность. Можно закопать готовую емкость. Возможно размещение такой емкости и на поверхности или в проветриваемом помещении. В любом случае обязательное условие – выполнение наружной теплоизоляции бункера или емкости.

Разрешения органов власти

Устройство любой биогазовой установки связано с определенным риском, поскольку в процессе участвуют токсичные вещества, а на выходе получается горючая смесь. Поэтому для эксплуатации такой установки следует пройти согласование в СЭС, газовой и пожарной инспекции, разработать проектную документацию, оформить все необходимые документы, получить лицензию на использование установки.

Оборудование

В зависимости от размеров и конструкции установки могут потребоваться:

• механизированная техника для устройства котлована;
• бетономешалка;
• кирпич, арматурная сетка;
• гидроизолирующие материалы;
• утеплитель;
• инструменты: дрель, лопата, шпатель мастерок, измерительные приборы;
• крепежные элементы;
• емкость для биогаза;
• пластиковые или металлические трубы;
• емкость для очистки биогаза с водяным затвором.

Яма для биореактора

Габариты подземного резервуара определяют расчетным путем, исходя из ежедневного количества загружаемого навоза (плюс объем добавляемой воды) и периода брожения. Загрузка осуществляется примерно на две трети.

До начала работ следует уточнить уровень грунтовых вод, отсутствие коммуникаций в месте выполнения работ. Готовый котлован изолируют пленкой ПВХ. Далее выполняется подготовка основания (используется керамзитобетон с армированием). Выполняется возведение бункера в соответствии с проектной документацией, подводятся вводные и выводные трубопроводы диаметром не менее 30 мм. (с соблюдением уклона). Все вводные и выводные отверстия тщательно замоноличивают для обеспечения герметичности. Следует помнить об обработке гидроизоляционным составом и выполнении утепления стен бункера.

Устройство газового дренажа

Для этого можно использовать специальную электрическую мешалку внутри установки либо самодельные дренажные трубы, выполненные по принципу барботажа.

Монтаж газгольдера

В домашней установке купол можно разместить непосредственно на крыше биореактора, выполнив его из кирпича (с оштукатуриванием) либо из металлического конуса (окрашенного масляной краской). В качестве газгольдеров удобно использовать мешки из ПВХ – они раздуваются, сохраняя свою прочность. В верхней части купола устанавливается газоотводная трубка с предохранительным клапаном и гидрозатвором.

Подогрев биореактора

Подогревать биореактор можно от домашнего теплоносителя – горячая вода будет походить через нагревательные трубы, расположенные внутри реактора. Также для подогрева можно использовать электрические приборы.

Меры безопасности

Биогазовая установка – взрывоопасный объект, поэтому при ее эксплуатации следует соблюдать меры предосторожности, аналогичные эксплуатации газовых установок. Главное требование – правильная эксплуатация установки, в том числе:

• четкий алгоритм загрузки и выгрузки;
• постоянное перемешивание сырья;
• постоянный подогрев, особенно в холодный период;
• учет рисков токсичности и взрывоопасности биогаза.

Необходимые меры предосторожности:

• обязательная вентиляция помещения, где установлен биореактор;
• заземление реактора, трубопроводов и хранилищ;
• отсутствие источников огня в радиусе 5 метров от газгольдера;
• регулярный инструктаж по технике безопасности;
• наличие противопожарного щита и запаса воды;
• установка приборов контроля;
• исключение использования спецодежды из синтетики и стальных инструментов;
• обнаружение утечек газа только мыльным раствором;
• перед ремонтом реактора проверять наличие в нем газа;
• нижняя граница эксплуатации линии +5 градусов.

Выроботка биогаза

Рынок биогаза неуклонно возрастает. Ожидается, что за период с 2018 до 2026 года, его прирост составит 4,65% и достигнет в 2018 году – 20 852,20 млн. долларов США, а в 2026 году – 29 984,92 млн. долларов США.

Выход биогаза и наличие в нем метана зависит от влажности исходного сырья. Чем этот показатель ниже, тем выход больше.

Из тонны навоза, полученного от крупного рогатого скота, средний выход биогаза – 50–65 м³, с содержанием метана 60%. Из тонны энергетических растений получают 150-500 м³ такого газа, с 70% содержанием метана. Максимальный выход можно получить из животного жира –1300 м³, с 87 % метана.

Сырье (субстрат)	Биогаз (м3 на м3 субстрата)
Куринный помет	53,71
Конский навоз	40,60
Навоз КРС	32,40
Навоз КРС (свежий)	76,69
Овечий навоз	162,00
Свиной навоз	25,52

Next

Как из навоза получить газ

biogas.

su

Наш проект посвящён популяризации и продвижению биогазовой энергетики и экологичной утилизации биологических отходов на территории Российской Федерации, Белоруссии, Казахстана и Кыргызстана.

Related posts

Биогазовая установка станция для получения биогаза

Биогазовые установки — это специальные агрегаты, где происходит переработка отходов в биогаз и органические удобрения. Они особенно популярны в Европе и США, в России лидером по количеству таких объектов является Белгородская область.

Покупка биогазовой установки — рациональное решение для регионов с развитым животноводством. Это выгодно с экономической и экологической точки зрения, так как позволяет добыть тепло- и электроэнергию без лишних затрат и ущерба для окружающей среды. Для переработки разного вида отходов нужна специальная установка для биогаза, купить которую вы можете у компании «Трансутилизация».

Установка для производства биогаза использует навоз, силос или бытовые отходы как альтернативный источник энергии, и преобразует эту биомассу в газ путем сбраживания. Простейшая биогазовая установка состоит из реактора, куда подаются отходы с помощью насоса или загрузчика. Промышленные биореакторы дополняются перемешивающими механизмами, подогревом, газгольдером для сбора биометана, очистными установками, станциями сжижения газа, тепловыми электростанциями.

В реакторе находятся бактерии, которые перерабатывают органические отходы в биогаз. Он получается в результате брожения биологической массы. По сути, биогаз — это аналог природного газа, разница только в его происхождении. Его также можно использовать для получения тепло- или электроэнергии и производства топлива.

Существуют разные биогазовые станции. Есть модели с одноступенчатым сбраживанием нескольких видов сырья. Также есть двухступенчатые биогазовые установки — цена таких агрегатов выше, но эта технология позволяет более эффективно перерабатывать некоторые виды субстратов, например птичьего помета или спиртовой барды. Для обычного реактора такое сырье не подходит. Тут необходима специальная емкость для гидролиза, где можно регулировать кислотность среды. Это важно, так как бактерии плохо реагируют на избыток кислоты или щелочи и могут погибнуть. Без реактора для гидролиза можно перерабатывать эти субстраты только вместе с другими видами сырья. Чаще всего используют навоз или силос.

Обязательные элементы конструкции

Размеры установки и ее комплектация зависит от объемов сырья, которые планируется перерабатывать. Типичная установка для получения биогаза состоит из следующих структурных элементов:

• отсеки для приема отходов
• система для предварительной подготовки
• биореакторы, оборудованные мешалками
• тепловая система для подогрева и поддержания температуры
• очистная система
• емкости для накопления газа и сброженного субстрата
• программа для контроля хода переработки

Оснащение производственного комплекса зависит от вида и объема перерабатываемых субстратов, а также от вида и качества исходного продукта. Общая схема биогазовой установки представлена ниже.

СХЕМА РАБОТЫ БИОГАЗОВОЙ СТАНЦИИ

ПРИНЦИП РАБОТЫ БИОГАЗОВОЙ СТАНЦИИ

Установка для получения биогаза не наносит вреда окружающей среде. Реактор, где происходит брожение, полностью герметичен, его работа безопасна для людей и экологии. Получение биогаза происходит в несколько этапов:

• В перерабатывающий бункер загружают отходы разного вида. Часто смешивают твердые и жидкие, чтобы массы могла легко перекачиваться насосами. Сухое сырье иногда разводят водой для достижения оптимальной влажности 85%. Для большей эффективности к животным отходам добавляют растительные компоненты.
• Биомасса попадает в реактор и разогревается. При температуре 35-38°С бактерии активируются и начинают активно перерабатывать отходы. В результате их жизнедеятельности вырабатывается газ. Поток сырья должен быть постоянным, чтобы обеспечить микроорганизмы необходимым количеством корма. Всю эту массу периодически перемешивают, чтобы равномерно распределить бактерии в емкости. Микроорганизмы выделяют до 80% всего биогаза, производимого установкой. Оставшаяся часть метана вырабатывается в дображивателе.
• Для сбраживания птичьего помета и спиртовой барды эти субстраты смешивают с силосом или навозом или помещают в дополнительный реактор гидролиза и регулируют кислотность среды.
• Биогаз собирается в газгольдере, а затем очищается. Например, от серы газ очищают специальные бактерии, которые заселяют поверхность утеплителя, уложенного на деревянный балочный свод внутри реакторов и дображивателей. Чтобы очистить биогаз до уровня природного газа, нужно установить дополнительное дорогостоящее оборудование.
• После очистки газ отправляют в котел или электрогенератор, где он преобразуется в тепло- или электроэнергию.
• Образовавшиеся в процессе биораспада удобрения делятся на жидкую и твердую фракцию с помощью сепаратора и накапливаются в специальной емкости.

РАСЧЕТ ВЫХОДА БИОГАЗА В ГОД

Исходное качество сырья не влияет на то, как работает установка — биогаз можно получить из любого вида органики:

• навоза и птичьего помета
• отходов животноводства
• фруктового, ягодного и овощного жома
• силоса
• сточных вод
• водорослей и т.д.

При переработке тонны отходов жизнедеятельности животных добывается до 60 м³ биогаза из установки, силоса и ботвы — до 400 м³. При этом 1 м³ эквивалентен 0,8 м³ природного газа. 1 м³ продукта позволяет получить 2 кВт/ч тепловой или электрической энергии.

Объем выхода биогаза зависит от типа сырья и размера загрузки. Подробная информация о количестве метана, который вырабатывается при переработке того или иного вида отходов, представлена в таблице.

Расчет рентабельности биогазовой станции

В компании «Трансутилизация» можно купить биогазовую установку различной мощности для крупных животноводческих предприятий и небольших частных ферм. Агрегат позволяет получить из отходов тепло- и электроэнергию, топливо для автомобиля, а также высокоэффективные удобрения. Причем сырье для переработки бесплатное. Срок окупаемости цены биогазовой установки составляет около 3-5 лет.

Цена биогазовой установки зависит от ее комплектации и производительности. Стоимость рассчитывается индивидуально при обсуждении проекта.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

Биогазовые установки в России не так распространены как в Европе. Они действуют в Московской, Белгородской области, республике Татарстан, однако, показывают хорошие результаты. Использование биогаза как альтернативного источника энергии, позволяет:

• получить новый, более дешевый источник тепло- и электроэнергии
• сократить расходы на покупку удобрений
• сократить выбросы метана в атмосферу, разгрузить свалки, очистить сточные воды

Полученной энергии хватит не только на сам производственный комплекс, но и на прилегающие населенные пункты: медицинские учреждения, детские сады, школы и жилые дома.

Оборудование для биогаза можно установить в любом регионе, однако требуется постоянная бесперебойная поставка сырья. Поэтому биогазовые установки часто размещают вблизи с фермами и в местах, где развито сельское хозяйство и животноводство. Размещать такой объект в городе не имеет смысла. Другой недостаток — это наличие примесей в газе, которые негативно влияют на металлические детали двигателя автомобиля. Из-за этого для производства топлива, требуется глубокая очистка биогаза, а это дополнительные расходы. Также станции не очень выгодно ставить в холодных регионах, так как придется тратить много энергии на подогрев реактора и поддержание оптимальной температуры.

Биогазовое решение: превращение навоза в прибыль | Сообщения в блогах

Сегодня президент Обама опубликовал «Дорожную карту возможностей биогаза» в рамках Плана действий администрации по борьбе с изменением климата – Стратегии по сокращению выбросов метана. Дорожная карта продвигает рыночный потенциал и преимущества биогаза и поощряет внедрение замкнутых биогазовых систем. По сути, это сбор коровьего навоза и его ферментация в герметичном резервуаре. Метан, выделяющийся при брожении, улавливается и используется для получения энергии. В системе с замкнутым циклом «приготовленный» навоз — по существу стерилизованный — разделяется на жидкий и твердый. Жидкость используется в качестве удобрения для сельскохозяйственных культур, а твердые вещества могут использоваться в качестве подстилки для коров или компоста.

Биогазовые системы повышают устойчивость ежедневной работы молочной, свинофермы или птицефабрики, помогая фермерам экономить ресурсы и сокращая выбросы метана — и то, и другое борется с изменением климата.

Биогазовые системы работают за счет использования анаэробного сбраживания, процесса, при котором биоразлагаемый материал разрушается бактериями в отсутствие кислорода.

• Коровий навоз собирается и хранится в бескислородном помещении.

• Некоторые фермы, такие как молочная ферма Sensenig в Кирквуде, штат Пенсильвания, также собирают пищевые отходы из близлежащих продуктовых магазинов. Это присоединит навоз в метантенке.

• В противном случае эти пищевые отходы были бы отправлены на свалки.

• Со временем бактерии превращают навоз из твердых отходов в жидкие отходы, которые выделяют газ метан.

• Метан отделяется, собирается и преобразуется в электричество для электроснабжения ферм или домов, перерабатывается в СПГ для питания грузовиков или даже может быть использован для производства биопластика.

• Волокно, оставшееся после переваривания, можно использовать для компоста, волокна для подстилки коров, почвенной смеси или даже картона.

• Жидкость, оставшаяся в метантенке, используется для удобрения сельскохозяйственных угодий.

• Посевы, удобренные жидкостью из варочного котла, собираются на корм коровам.

Никогда не слышали об анаэробном пищеварении? Это нормально. Для фермеров это работает следующим образом: фермер собирает коровий навоз в бескислородный корпус. Со временем бактерии превращают навоз из твердых отходов в жидкие отходы, которые производят газ метан. Метан отделяется, собирается и преобразуется в электричество для ферм или домов, перерабатывается в СПГ для питания грузовиков или даже может быть использован для производства биопластика.

Но это еще не все. Причина, по которой эти биогазовые системы называются «системами с замкнутым контуром», заключается в том, что жидкость, которая остается в метантенке, затем используется для удобрения сельскохозяйственных угодий. На этой земле выращивают урожай, который затем скармливают коровам, которые затем производят навоз, который используется в варочном котле. Волокно, оставшееся после переваривания, можно использовать для компоста, волокна для подстилки коров, почвы для горшков или даже картона. Дополнительный бонус? В процессе не выделяется запах! Интересно посмотреть, как это работает?

Эти системы становятся еще лучше, когда в смесь добавляются органические отходы промышленных предприятий по производству продуктов питания и напитков. Например, такие компании, как The Coca Cola Company и Cabot Creamery, отправляют органические отходы со своих заводов по розливу и производству сыра на фермы с биогазовыми системами, а не на свалки. Это снижает выбросы парниковых газов в результате их деятельности, помогает удобрять сельскохозяйственные угодья и экономит деньги на сборах за захоронение отходов — все это увеличивает ценность местных жителей, которые используют зеленую энергию, вырабатываемую биореактором. Взгляните на это великое усилие Cleveland Browns в качестве еще одного примера.

В настоящее время на животноводческих фермах в США установлено 239 анаэробных варочных котлов, однако на молочных фермах США может быть установлено более 2600 анаэробных варочных котлов. Если его смешать с пищевыми отходами, его потенциальная рыночная стоимость составит более 3 миллиардов долларов, а выбросы углерода сократятся на 13 миллионов метрических тонн CO2-экв. Это сопоставимо с ежегодными выбросами углерода более чем 3,2 миллиона легковых автомобилей в США.

Почему же не у каждого фермера есть биогазовая установка?
До сих пор фермеры сталкивались с рядом препятствий, которые необходимо было преодолеть. Перед фермерами стоит задача найти партнеров для заключения долгосрочных контрактов на поставку органических пищевых отходов, стороны, которые могут предоставить кредиты, а процесс получения разрешения на строительство варочного котла может быть сложным. Кроме того, местные электроэнергетические компании должны поставлять электроэнергию в сеть по конкурентоспособным тарифам.

Таким образом, в «Дорожной карте биогаза» определены четыре пункта действий по развитию биогазовой промышленности, которые поддерживают фермеров, в том числе:

1. Содействие использованию биогаза посредством существующих программ агентства
биогазовой системы путем согласования программ, планов исследований и стандартов.

2. Поощрение инвестиций в биогазовые системы
Высокие капитальные затраты и ограниченные финансовые стимулы являются препятствиями для внедрения биогазовых установок. Агентства будут разрабатывать возможности для финансирования и финансовых стимулов.

3. Укрепление рынков для биогазовых систем и системных продуктов
Существуют рыночные возможности для биогазовых установок и сопутствующих продуктов, которые могут быть реализованы за счет вспомогательной деятельности со стороны агентств, в частности, связанной с энергией и другими дополнительными, неэнергетическими продукты, такие как восстановление и переработка питательных веществ, волокна и почвенные добавки.

4. Улучшение связи и координации
Министерство сельского хозяйства США, Министерство энергетики и Агентство по охране окружающей среды будут координировать и инвестировать в исследования и разработки, чтобы помочь промышленности в продвижении в секторе биогаза.

По мере развития биогазовой промышленности у молочной промышленности появляется возможность определять и оптимизировать ценность молочной продукции. Поскольку биогазовые установки играют роль в сохранении природных ресурсов, WWF продолжит работу с такими партнерами, как Инновационный центр молочных продуктов США, для продвижения внедрения и дальнейшего развития биогазовых установок на фермах США.

Цель состоит в том, чтобы превратить навоз в такие продукты, как электричество, топливо, волокно и удобрения, что сокращает выбросы метана, сохраняет природные ресурсы, а также нашу зависимость от ископаемого топлива. Это приносит пользу не только фермерам, но и корпорациям, сообществам и окружающей среде.

Из навоза в энергию: понимание процессов, принципов и жаргона

Опубликовано 17 июля 2017 г. от zongliu

Рисунок 1: Будущее сельского хозяйства: поставка пищевых волокон и биотоплива.

Сегодня в центре внимания США находится растущий мировой спрос на энергию и высокая стоимость нефти и природного газа. Это повысило интерес к альтернативным и возобновляемым источникам энергии, таким как биотопливо, леса, ветер, солнце и навоз животных.

В то время как спрос на углеводородную энергию (энергию из сырой нефти, природного газа и угля) будет продолжать расти, возобновляемая энергия станет более важной в ближайшие годы.

В данной публикации следующий рисунок используется в качестве простой иллюстрации потенциальных источников энергии из биомассы, включая деревья, сельскохозяйственные культуры, навоз животных и твердые бытовые отходы. Биомасса будет собираться в полевых условиях, предварительно обрабатываться и транспортироваться на биоперерабатывающие заводы для обработки и переработки. Затем он будет преобразован в биотопливо для транспорта, промышленных химикатов или электростанций для производства электроэнергии для общественного потребления.

На низовом уровне предпринимаются усилия американских фермеров, бизнесменов и профсоюзов, а также природоохранных групп, чтобы к 2025 году получать 25 процентов от общего объема потребляемой энергии из пахотных земель, лесов и ферм США. Это движение, которое называется 25 X 25 , включает операции по кормлению животных. Он получает широкую частную и общественную поддержку.

Энергия от корма до навоза

Навоз, содержащий непереваренные и частично переваренные пищевые питательные вещества, является ресурсом, который способствует росту растений и добавляет органические вещества для улучшения структуры почвы. Питательные вещества в кормах для животных, которые являются источниками энергии, включают углеводы, состоящие из углерода (C), водорода (H) и кислорода (O), например, из фуража и зерновых культур. Другими питательными веществами являются белки (в форме аминокислот) и жиры (или липиды), состоящие в основном из C, H, O, а также фосфора (P) и азота (N).

Энергетическая ценность корма для животных выражается в калориях. Одна калория — это количество тепла, необходимое для повышения температуры одного грамма воды на 1 градус Цельсия (°C) по сравнению со стандартной начальной температурой и давлением на уровне моря. Не вся энергия корма используется животным.

Энергия корма может быть разделена на чистую энергию и потерянную энергию. Потери энергии в процессе пищеварения включают потерю энергии с навозом (фекалиями и мочой), с газами, образующимися при брожении в желудочно-кишечном (пищеварительном) тракте животных и с теплом. Несколько процессов могут преобразовать энергию навоза в пригодную для использования биоэнергию.

Важные свойства навоза при преобразовании в энергию

Помимо процессов и принципов преобразования навоза и биомассы в энергию, ознакомление со следующими терминами поможет потребителям понять научный жаргон производства биоэнергии:

• Высокая и низкая теплота сгорания. Высокая теплотворная способность (ВТС), мера энергии биомассы (БТЕ на массу или объем навоза и т. д.) возникает в результате сжигания образцов с использованием калориметра. Эти значения также могут быть рассчитаны по формулам с использованием конечного анализа биомассы. Низкая теплотворная способность (НТС) — это поправка к ВТС за счет влаги в топливе (биомасса) или водяного пара, образующегося при сгорании водорода в топливе.
• Экспресс-анализ. Экспресс-анализ является хорошим начальным индикатором качества биомассы (навоза). Образцы биомассы анализируются для определения содержания влаги, золы и летучих веществ (твердое вещество в биомассе, которое при нагревании до определенной температуры превращается непосредственно в газообразную фазу, минуя жидкую фазу). Экспресс-анализ также определяет связанный углерод, который рассчитывается путем вычитания влаги, золы и летучих веществ из общей биомассы.
• Окончательный анализ. Окончательный анализ показывает процент C, H, O, S и N в биомассе. Значения этих элементов могут различаться в зависимости от типа навоза или других типов биомассы. Окончательный анализ может определить теплотворную способность топлива из биомассы. Количество S и N в биомассе, в том числе в навозе, помогает определить параметры конструкции и рабочих параметров системы производства биоэнергии с помощью различных термохимических процессов.

Теплотворная способность навоза в пересчете на сухую беззольную основу (DAF) оценивается в 8 500 БТЕ/фунт, согласно обширным полевым исследованиям Техасской сельскохозяйственной экспериментальной станции и Техасского кооперативного расширения. Когда навоз должен быть преобразован в энергию, эта теплотворная способность считается входной энергией в процессе преобразования. Для получения полезной энергии и топлива навоз может быть преобразован под действием микроорганизмов для производства метана (биологический процесс) или под действием тепла при высокой температуре в присутствии воздуха или окислителя или без него (термохимический процесс). .

Биологический процесс

Производство метана – это биологический процесс, при котором энергия вырабатывается из навоза животных. Процесс, который называется анаэробным сбраживанием, представляет собой обработку навоза естественными микроорганизмами (бактериями) в отсутствие воздуха (особенно кислорода) для получения биогаза.

Биогаз, который образуется в результате разложения органических веществ в навозе бактериями, содержит в основном метан (CH ₄ ) и двуокись углерода (CO ₂ ). Другие газы, такие как азот (N ₂ ), сероводород (H ₂ S) и следовые органические компоненты также присутствуют в относительно небольших количествах. Обычно 60-65 процентов биогаза составляют CH ₄ . Метан и CO ₂ составляют более 90 процентов биогаза. Практически весь азот, фосфор (P) и калий (K) остаются в переваренном навозе.

Метан, полученный в результате анаэробного сбраживания и используемый в качестве источника энергии, также снижает его естественные выбросы, которые имеют гораздо больший потенциал глобального потепления, чем CO ₂ . Теплотворная способность (энергия, выделяемая из данной массы биогазового топлива, содержащего 65 процентов CH ₄ ) составляет приблизительно 600 БТЕ/фут ³ .

Британская тепловая единица (БТЕ) ​​— это количество тепла, необходимое для повышения температуры одного фунта воды на один градус Фаренгейта (°F). В одной БТЕ 252 калории. Для сравнения, 1000 футов ³ биогаза с 65 процентами CH ₄ будут приблизительно эквивалентны 600 футам ³ природного газа, 6,6 галлона пропана и 4,7 галлона бензина.

Информацию о типах биогазовых установок и их функциях можно найти на веб-сайте USEPA по адресу www. epa.gov/agstar.

Термохимический процесс

Термохимические процессы включают прямое сжигание, совместное сжигание, газификацию и пиролиз. Прямое сжигание относится к сжиганию биомассы непосредственно в печи для производства тепла и электричества. Пар, полученный от тепла сгорания, приводит в действие турбину, которая вращает генератор для производства электроэнергии. Навоз как топливо потенциально может быть сожжен напрямую. Однако, поскольку содержание золы в нем (неорганические остатки, такие как почва или другой неорганический материал, который остается после сгорания) выше, чем в другой биомассе (например, древесине и соломе) или ископаемом топливе (например, угле), прямое сжигание навоза нецелесообразно. не практично и не эффективно.

Из-за изменчивости навоза часто желательно смешивать его с другими менее изменчивыми видами топлива для сжигания. Одним из способов сделать это является совместное сжигание , которое относится к смешиванию биомассы и ископаемого топлива на обычных электростанциях. Значительное сокращение выбросов диоксида серы (SO ₂ ) — загрязнителя воздуха, выделяемого при сжигании угля) — достигается с помощью систем совместного сжигания на электростанциях, использующих уголь в качестве входного топлива.

Мелкомасштабные исследования Техасского университета A&M показывают, что совместное сжигание навоза с углем может также сократить выбросы оксида азота (NOx) из угля, которые способствуют загрязнению воздуха. Это зависит от того, впрыскивается ли навоз в надлежащее место, например, во вторичную камеру сгорания. Там он служит дополнительным или повторное сжигание топлива и органического источника мочевины и аммиака (NH ₃ ). При совместном сжигании навоза и угля NH ₃ высвобождается из навоза и соединяется с NOx с образованием безвредного азота и воды.

Газификация — это процесс, посредством которого углеродсодержащее топливо (любое ископаемое топливо или биомасса, состоящее из/или содержащее углерод) превращается в пригодный для использования газообразный продукт без полного сгорания топлива. Процесс происходит в среде с дефицитом кислорода (частичное окисление) при высоких температурах (рис. 2). Полученное топливо представляет собой генераторный газ (синтез-газ или синтетический газ), который состоит в основном из различных соотношений водорода и монооксида углерода (CO).

Рис. 2: Процесс газификации биомассы

Синтез-газ можно дополнительно перерабатывать в другие виды топлива или продукты путем химической конверсии или сжигать для нагревания обычного котла. Кроме того, он может заменить природный газ в газовой турбине.

Пиролиз – это процесс термохимической конверсии, при котором биомасса нагревается при высоких температурах при полном отсутствии окислителя (кислорода). Продукты для этого процесса включают горючий газ, жидкие конденсаты и древесный уголь. Жидкая часть называется пиролизным маслом, которое можно сжигать для выработки электроэнергии. Его также можно использовать в качестве химической добавки для производства пластмасс и других биопродуктов.

Локальные системы преобразования навоза в энергию

Существуют возможности для установки на месте или на ферме системы преобразования навоза в энергию . На объекте могут быть установлены небольшие и модульные конверсионные блоки, чтобы устранить проблемы, связанные с вывозом навоза за пределы площадки. Операторы животноводческих помещений могут построить эти системы для обработки и преобразования части своих потоков отходов и для производства вспомогательной энергии и электроэнергии, включая биотопливо для использования на фермах. По мере того, как операторы учатся работать с этими системами, они могут добавлять дополнительные устройства и увеличивать объем обрабатываемого потока отходов. Это обеспечило бы им полностью замкнутую систему обращения с отходами.

Примером может служить модульная система анаэробного сбраживания. Он направляет часть потока навоза в крытую лагуну, которая действует как анаэробный метантенк. Образовавшийся метан можно очистить и использовать для питания небольшого двигателя-генератора для выработки электроэнергии. Это удовлетворит часть их потребности в энергии.

Осадок, образующийся в варочном котле после процесса варки, можно использовать для запуска местной системы газификации. Энергия этой системы может быть использована для получения тепловой энергии, необходимой для сушки осадка, предварительно отделенного от водяного потока.

Может быть установлено несколько модулей комбинации метантенка-газификатора, в зависимости от потребностей и возможностей предприятия. По мере того, как исследовательское сообщество создает новые технологии для высокотехнологичных систем производства жидкого топлива, операторы и менеджеры этих комбинированных систем уже будут иметь некоторый опыт их эксплуатации для производства тепла и электроэнергии в хозяйствах. В то же время они сократят потенциал загрязнения отходами животноводства.

Сопутствующие продукты и остатки

Практически все процессы биоконверсии приводят к образованию остатков, которые могут не иметь непосредственной ценности.