БІОТЕХНОЛОГІЯ - В. Г. Герасименко - 2006
Частина ІІ. Спеціальні біотехнології
Розділ 22. БІОТЕХНОЛОГІЇ УТИЛІЗАЦІЇ І БІОКОНВЕРСІЇ ВІДХОДІВ АГРОПРОМИСЛОВОГО КОМПЛЕКСУ
22.3.НЕТРАДИЦІЙНІ МЕТОДИ. БІОТЕХНОЛОГІЯ ОДЕРЖАННЯ БІОГАЗУ ШЛЯХОМ АНАЕРОБНОГО ЗБРОДЖУВАННЯ ВІДХОДІВ
22.3.4.Фракції, що утворюються в процесі біометаногенезу
22.3.4.1.Біогаз, його склад та використання
Біогаз - це суміш газів, яка складається з метану (50-85 %), діоксиду вуглецю (15-50 %), невеликої кількості сірководню (до
2 %), а також домішок водню, аміаку, оксидів азоту. Головним компонентом біогазу є метан. Присутність діоксиду вуглецю обмежує теплоутворюючу здатність біогазу як палива, що залежно від співвідношення СН4/СО2 досягає 20,9-33,4 МДж/м3.
Енергетична цінність 1 м3 біогазу, який складається на 50 %
3 метану, досягає 17,8 МДж, а при збільшенні вмісту метану до 70 %, його енергетичний потенціал підвищується до 25 МДж. Енергетична цінність таких традиційних енергоносіїв, як природний газ і рідке паливо, з розрахунку на 1 м3 і 1 кг складає 34 і 42 МДж відповідно.
Основними домішками в біогазі, які знижують його якість, є діоксид вуглецю і сірководень. При використанні біогазу як пального вони (особливо сірководень) викликають значну корозію технологічного обладнання. Для очищення біогазу від забруднюючих домішок, використовують такі методи, як сухе, «мокре» і лужне очищення, рідинну абсорбцію і напірну сепарацію.
Для підвищення економічної ефективності потужних БГУ промислового типу використовують водяні газоочисники, які збільшують питому вагу метану в біогазі до 95 %. Це сприяє підвищенню теплоутворюючої здатності біогазу майже удвічі.
Ефективність використання біогазових установок визначають методами перетворення одержаного біогазу як енергоносія. Можна визначити такі напрями використання біогазу:
- спалювання в котельних агрегатах для нагрівання води та використання її у технологічному процесі або іншими споживачами;
- підготовка біогазу відповідно до вимог нормативно-технічної документації та подавання його в газорозподільні мережі місцевих споживачів природного газу (змішування з природним газом);
- очищення, висушування, стиснення і заправлення біогазом газобалонних автомобілів, тракторів та інших сільгоспмашин;
- вироблення електроенергії.
Біогаз має усі переваги, що властиві природному газу. Він легко транспортується газопроводами, згоряє без диму, кіптяви й залишку (попелу, шлаку). Прилади, які працюють на газі, прості, безпечні, швидко вводяться у дію, легко регулюються і переводяться в автоматичний режим.
Біогаз може використовуватися безпосередньо в газоспалювальних пристроях для опалення і освітлення, для постачання енергією кормопідготовчих цехів, стерилізації й зневоднення твердої фракції гною після сепарування, для двигунів внутрішнього згоряння тощо.
Найпростіше спалювати біогаз замість природного газу в газових горілках, до яких він може підводитись з резервуара (газгольдера) під низьким тиском. Більшість сучасного теплотехнічного обладнання тваринницьких ферм, яке працює на природному або зрідженому газі, може бути переведена на біогаз без суттєвих модернізацій і помітного зниження ефективності роботи. Промисловість США, Німеччини та інших країн розпочали постачання калориферів з біогазовими горілками, а також теплових генераторів, які використовують біогаз як пальне.
Але вигідніше використовувати біогаз для одержання механічної та електричної енергії. Це дасть можливість створити власну енергетичну базу, яка може забезпечити потреби тваринницької ферми і навіть житлового сектора. З 1 м3 біогазу можна отримати 1,6-2,3 кВт/год електроенергії.
Італійська фірма «Фіат» розробила універсальний енергоблок «Тотем», який працює на будь-якому виді палива, в тому числі й на біогазі. Енергоблок складається з комплекта, до складу якого входить дизель, електрогенератор, теплообмінник, що акумулює тепло вихлопних газів, двигуна внутрішнього згоряння та подає його на теплотехнічні потреби. Загальний коефіцієнт корисної дії (ККД) з урахуванням тепла, яке утворюється при виробництві електроенергії, досягає 80-85 %, а безпосередньо на електроенергію перетворюється 33 % хімічної енергії біометану.
Біогаз використовується також як пальне для автомобільних двигунів, причому ефективність його в цьому випадку залежить від вмісту метану і наявності домішок. На метані можуть працювати як карбюраторні, так і дизельні двигуни. Та оскільки метан є високооктановим пальним (октанове число цього пального 110-115, а нижня межа спалаху - 645 оС), ефективніше використовувати його у дизельних двигунах.
Промисловістю випускаються пристрої для двигунів внутрішнього згоряння, які можуть працювати як на бензині, так і на метані. Використання метану в автотранспорті має деякі переваги: порівняно низька вартість, значно менше забруднення навколишнього середовища порівняно з бензином і дизельним пальним.
Установки метанового бродіння є особливо перспективними для енергозабезпечення сільської місцевості через складність централізованого постачання природного газу та в умовах поступового вичерпування традиційних енергетичних ресурсів (нафти, газу, вугілля тощо). У сільській місцевості біогаз може використовуватись як замінник природного газу для приготування їжі, забезпечення гарячою водою, опалення житлових приміщень і адміністративних будинків, обігрівання теплично- парникового господарства, сушіння зерна і фруктів, газопостачання автотракторного парку тощо. За підрахунками фахівців 1 м3 біогазу дає можливість приготувати обід на 6-7 осіб або освітлювати приміщення середніх розмірів протягом 6-8 годин.
1 м3 біогазу еквівалентний енергії, яка міститься в: 0,65 м3 природного газу, 0,7 л нафти, 0,65 л дизпального, 0,64 л бензину, 0,6 л гасу, 3,5 кг дров та 1,5 кг кам’яного вугілля.
В деяких випадках здійснюється комплексна утилізація біогазу: частина його скеровується на задоволення енергетичних потреб господарства, в тому числі для забезпечення енергетичних потреб самого процесу метанового бродіння (підігрів реактора), а залишок продається комерційно в місцевій або загальнонаціональній системі газозабезпечення. Прикладом такого використання є постачання газу до м. Чикаго (США), організоване компанією Calorific Recovery Anaerobic Process, переробне підприємство якої знаходиться поблизу м. Гаймон у штаті Оклахома. Щоденно на підприємстві переробляється 500 т гною, з якого одержують 45,3 тис. м3 біогазу. Цієї кількості вистачає для опалення 3,5 тис. житлових приміщень в Чикаго. Постачання газу здійснюється за допомогою спеціально побудованого газогону. Біогаз, який надходить, складається на 99,8 % з метану після попереднього очищення від діоксиду вуглецю, сірководню та інших домішок.
На думку деяких авторів, одержання біогазу з тваринницьких відходів і використання його на потреби сільського господарства дозволить на 3-4 % скоротити використання інших видів енергії.
Крім цього, діоксид вуглецю, який міститься в біогазі, може бути використаний як консервант для кормів, для підвищення ККД фотосинтезу в теплицях та при вирощуванні гідробіонтів (хлорели, спіруліни) тощо.