ИНТЕНСИФИКАЦИЯ  ПРОЦЕССА  ПОЛУЧЕНИЯ  БИОГАЗА

Зарыкбаева  Камшат  Серикхановна

магистрант  2  курса,  кафедра  «Техническая  физика  и  теплоэнергетика»,

ГУ  имени  Шакарима  города  Семей,  Республика  Казахстан,  г.  Семей

E-mail: 

Байгожина  Ажар  Амангельдыевна

магистрант  1  курса,  кафедра  «Техническая  физика  и  теплоэнергетика»,  ГУ  имени  Шакарима  города  Семей,  Республика  Казахстан,  г.  Семей

E-mail: 

Степанова  Ольга  Александровна

научный  руководитель,  канд.  техн.  наук,  доцент,  кафедра  «Техническая  физика  и  теплоэнергетика»,  ГУ  имени  Шакарима  города  Семей,  Республика  Казахстан,  г.  Семей

Введение

Президент  Республики  Казахстан  Нурсултан  Назарбаев  в  Стратегии  «Казахстан-2050»  поставил  задачу  —  Казахстан  должен  стать  чистой  и  зеленой  страной,  со  свежим  воздухом  и  прозрачной  водой.  Заботясь  о  здоровье  будущих  поколений,  Глава  государства  называет  развитие  энергосберегающих  технологий  одной  из  главных  задач  для  страны.  Один  из  главных  вызовов  Стратегии  —  глобальная  энергетическая  безопасность.  Планируется,  что  уже  к  2050  году  применение  альтернативных  источников  энергии  позволит  генерировать  до  50  %  всей  потребляемой  энергии  [8]. 

Использование  возобновляемых  источников  энергии  (ВИЭ)  —  это  получение  энергии  из  постоянно  происходящих  процессов  в  окружающей  среде.  К  ним  относят:

·     гидроэнергию;

·     солнечную  энергию;

·     ветровую  энергию;

·     геотермальную  энергию;

·     биомассу,  (биогаз  и  иное  топливо  из  органических  отходов)  [9]. 

Одним  из  главных  вопросов,  стоящих  на  пути  прогресса  в  современном  мире,  считается  вопрос  о  развитии  энергетики,  базирующейся  на  доступе  к  энергетическим  ресурсам.

На  сегодняшний  день  в  Республике  Казахстан  в  связи  с  увеличением  тарифов  на  энергоносители,  значительном  повышении  экологических  требований  по  атмосфере,  водоемам,  почвам,  а  также  с  растущим  риском  аварий  и  отключений  в  энергосистемах  возрастает  интерес  отечественных  экспертов  и  сельскохозяйственных  фирм  к  выбору  рациональных  технологий  по  переработке  и  утилизации  отходов  птицефабрик  и  животноводческих  ферм  [7]. 

Технология  анаэробной  переработки  может  использоваться  в  сельскохозяйственном  производстве,  что  позволит  решить  не  столько  экологические  проблемы,  которые  встают  перед  животноводческими  хозяйствами,  но  и  повысить  рентабельность  предприятия  с  помощью  получения  качественных  органических  удобрений  и  биогаза,  подходящего  для  получения  тепла  или  электроэнергии  [2].

Для  решения  этой  проблемы  может  быть  применен  способ  интенсификации  процесса  сбраживания  на  базе  барботажного  перемешивания,  который  позволяет  свести  к  наименьшему  количеству  температурную  неоднородность  и  отводить  ингибирующие  продукты  жизнедеятельности  бактерий  в  биореакторе.  Удерживающим  моментом  в  развитии  этого  направления  считается  отсутствие  комплексных  исследований,  нацеленных  на  улучшение  сборки  и  объяснение  характеристик  и  режимов  работы  биореактора  с  барботажным  перемешиванием.  В  этой  связи  исследование  анаэробной  переработки  органических  отходов  животноводства  в  биореакторе  с  подогревом  и  барботажным  перемешиванием  считается  важной  задачей,  представляющей  научный  и  фактический  интерес  [5]. 

Согласно  расчетам,  проведенным  по  величине  эквивалента,  бесподстилочный  навоз/помет  по  уровню  химического  загрязнения  окружающей  среды  в  10  раз  наиболее  опасен  в  сравнении  с  коммунально-бытовыми  отходами.  Бесподстилочный  навоз/помет  относятся  к  группе  нестабильных  органических  контаминантов  и  по  достоверным  сведениям  Всемирной  организации  здравоохранения  считаются  причиной  передачи  наиболее  100  видов  всевозможных  возбудителей  болезней  человека  и  животных. 

В  результате  содержания  птиц  и  животных  на  животноводческих  предприятиях  навоз  собирают  и  хранят  традиционно  в  искусственных  больших  котлованах  —  навозохранилищах,  где  он  по  истечении  не  менее  8—12  месяцев  утрачивает  свои  опасные  качества  и  постепенно  превращается  в  удобрение.

Менее  токсичными  считаются  твердые  бытовые  отходы,  но  они  несут  не  меньшую  опасность  из-за  большого  срока  разложения  при  утилизации  на  свалках  (не  менее  20  лет)  [4]. 

В  начале  90-х  годов  было  подсчитано,  что  применение  биогазовых  технологий  для  переработки  органики  дает  возможность  не  только  всецело  ликвидировать  ее  экологическую  опасность,  но  и  ежегодно  получить  более  140  миллионов  тонн  высокоэффективных  удобрений,  а  также  дополнительные  95  миллионов  тонн  относительного  топлива  (сжигая  биогаз  —  190  миллиардов  кВт/ч  электроэнергии  или,  около  60  миллиардов  кубических  метров  метана),  что  разрешило  бы  значительно  уменьшить  энергоемкое  производство  минеральных  удобрений  (в  пределах  30  %  от  всей  электроэнергии,  потребляемой  сельским  хозяйством)  [10].  На  рисунке  1  показана  схема  преимущества  биогазовых  технологий.

Рисунок  1.  Схема  преимущества  биогазовой  технологии  [1]

Для  производства  энергии  в  Казахстане  стабильным  источником  биомассы  являются  отходы  продуктов  животноводства.

Доля  энергии  солнца,  ветра,  термальных  вод  и  биогаза  в  общем  энергопотреблении  Республики  на  текущий  период  незначительна  и  составляет  всего  0,02  %.  В  соответствии  со  Стратегическим  планом  развития  Республики  Казахстан  до  2020  г.  доля  ВИЭ  в  общем  объёме  электропотребления  должна  составить  1,5  %  к  2015  г.  и  более  3  %  —  к  2020  г.  Приоритеты,  поставленные  государственной  программой  по  форсированному  индустриально-инновационному  развитию  Республики  Казахстан  на  2010—2014  гг.,  предусматривают  увеличение  объёма  выработки  возобновляемой  энергии  до  1  млрд  кВт/ч  в  год,  что  превысит  1  %  в  энергобалансе  Казахстана  [6].

Цел ь  работы: 

Интенсификация  процесса  получения  биогаза  барботажным  перемешиванием  биомассы  —  свинного  навоза.

Для  достижения  цели  поставлены  задачи:

·     изучение  физико-химических  процессов  получения  биогаза  при  барботажном  перемешивании;

·     экспереминтальное  исследование  особенностей  процесса  получения  биогаза  с  системой  барботажного  перемешивния.

Методы  исследования: 

Обьем  биогаза  определяли  в  соответствии  с  общепринятыми  методиками. 

Обьект  исследования:

Биореактор  с  барботажным  перемешиванием.

Реактор  биогазовой  установки  —  герметичный  термос,  в  котором  поддерживается  установленная  постоянная  температура.  Для  укрепления  температуры  применяется  система  теплоизоляции  реактора  и  система  обогрева.  Для  обычного  протекания  реакции  применяется  система  перемешивания  сырья  [11].

Для  подачи  в  реактор  начального  сырья  работает  система  подготовки  сырья.  Для  буферизации  вырабатываемого  газа  и  стабилизации  его  давления  употребляется  газгольдер.  Газовая  система  работает  для  контролирования  давления  газа,  обезвоживания  вырабатываемого  газа,  систем  аварийного  сброса  газа  и  предотвращения  обратного  хода.  Для  слива  отработанного  сырья  (готовых  биоудобрений)  используется  система  слива.  На  рисунке  2  показана  блок-схема  стандартной  биогазовой  установки. 

Рисунок  2.  Блок-схема  типовой  биогазовой  установки  с  барботажным  перемешиванием

В  первой  загрузке  реактора  биогазовой  установки  с  барботажным  перемешиванием  обязательно  должно  быть  определенное  число  анаэробных  микроорганизмов  [13].

Для  активности  микроорганизмов  должен  быть  обеспечен  беспрепятственный  обмен  веществ  в  сырье.  Это  возможно  только  в  том  случае,  когда  вязкость  сырья  допускает  свободное  движение  бактерий  и  газовых  пузырьков  между  жидкостью  и  содержащимися  в  ней  твердыми  веществами.  В  отходах  сельскохозяйственного  производства  всегда  содержатся  различные  твердые  частицы  [3].

Главным  параметром  считается  удельный  выход  биогаза.  Температура,  влажность  биомассы,  способ  и  частота  перемешивания,  продолжительность  процесса  брожения  —  это  главные  факторы,  влияющие  на  выход  биогаза  [12].

Для  определения  наиболее  эффективного  суточного  объема  выхода  биогаза  для  свиного  навоза  исследования  проводили  при  различной  влажности  биомассы  60,  85  и  94  %.  Результат  показал,  что  при  60  %  влажности  общий  объем  составляет  2480  м³/сут,  а  при  94  %  —  500  м³/сут.  На  рисунке  3  показано  как  зависит  суточный  объем  выхода  биогаза  от  влажности.

Рисунок  3.  Зависимость  объема  выхода  биогаза  от  влажности  биомассы

Также  был  определен  эквивалет  возможной  вырабатываемой  электроэнергии  в  зависимости  от  влажности  биомассы  (рисунок  4).

Рисунок  4.  Зависимость  эквивалента  возможной  вырабатываемой  электроэнергии  от  влажности  биомассы

По  результатам  определили  дополнительную  вырабатываемую  тепловую  энергию  и  количество  вырабатываемой  тепловой  энергии  (рисунок  5). 

В  результате  математической  обработки  получены  следующие  заваисимости:

для  количества  вырабатываемой  тепловой  энергии  Е,  кВт/час:

для  дополнительной  вырабатываемой  тепловой  энергии  Е₁,  кВт/час:

для  эквивалента  возможной  вырабатываемой  электроэнергии  Е₂,  кВт/час:

Коэффициенты  детерминации  во  всех  случаях  надодятся  в  допустимых  пределах.

Рисунок  5.  Зависимость  различных  видов  вырабатываемых  энергий  от  влажности  биомассы

Выводы

Были  рассмотрены  и  изучены  физико-химические  процессы  получения  биогаза.

Получены  зависимости  суточного  объема  выхода  биогаза,  эквивалента  возможной  вырабатываемой  электроэнергии,  вырабатываемой  тепловой  энергии  и  количества  вырабатываемой  тепловой  энергии  в  зависимости  от  влажности  биомассы  (60,  85  и  94  %). 

Показано,  что  процесс  барботажного  перемешивания  увеличивает  интенсивоность  перeмшивания  биомассы.

Список  литературы :

1.БиоГаз  //  Альтернативная  энергия  в  Республике  Молдова  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.alternativenergy.md/biogas  (дата  обращения:  06.04.14).

2.Биогазовая  установка  БГУ  //  Общественное  экологическое  движение  Na'Vi  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://eco.na-vi.su/the-biogas-plant/  (дата  обращения:  25.03.2014). 

3.Веденев  А.Г.,  Веденева  Т.А.  Биогазовые  технологии  в  Кыргызской  Республике.  Бишкек:  Типография  «Евро»,  2006. 

4.Выгодная  утилизация  биоорганических  отходов  //  Металюкс  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.metalux.ru/vyigodnaya-utilizacziya-bioorganicheskix-otxodov.html  (дата  обращения:  04.04.14).

5.Костромин  Д.В.  Анаэробная  переработка  органических  отходов  животноводства  в  биореакторе  с  барботажным  перемешиванием  Анаэробная  переработка  органических  отходов  животноводства  в  биореакторе  с  барботажным  перемешиванием:  дис.  ...  канд.  техн.  наук:  05.20.01.  М,  2010. 

6.Курманов  А.К.,  Рыспаев  К.С.,  Рыспаева  М.К.  Перспективы  производства  биогаза  в  Казахстане  //  АГРОИНЖЕНЕРНЫЕ  НАУКИ.  2012.  №  5. 

7.Перемешивания  субстрата  в  малых  биогазовых  установках  //  Publishing  house  Education  and  Science  s.r.o.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.rusnauka.com/14_ENXXI_2012/Tecnic/5_110608.doc.htm  (дата  обращения:  23.03.2014). 

8.Послание  Президента  Республики  Казахстан  Н.  Назарбаева  народу  Казахстана  от  17  января  2014  г.  //  Официальный  интернет-ресурс  министерства  экономики  и  бюджетного  планирования  Республики  Kазахстан  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://minplan.gov.kz/message/467/55273/  (дата  обращения:22.03.2014).

9.Проблемы  использования  возобновляемых  источников  энергии  в  Республике  Казахстан  (в  рамках  ЕХРО  2017)  //  Евразийский  юридический  портал  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.eurasialegal.info/index.php?option=com_content&view=article&id=2244:  2017&catid=202:2013-02-19-08-53-56&Itemid=1  (дата  обращения:  23.03.2014).

10.Родина  Е.М.,  Ильясов  Ш.А.,  Абайханова  З.А.  Использование  эмиссий  метана  из  отходов  для  получения  биогаза  //  Вестник  КРСУ.  2003.  №  6. 

11.Сидыганов  Ю.Н.  Анаэробная  переработка  отходов  для  получения  биогаза  /  Сидыганов  Ю.Н.,  Шамшуров  Д.Н.,  Костромин  Д.В.  //  Механизация  и  электрификация  сельского  хозяйства.  —  2008.  —  №  6.  —  С.  42—43.

12.Суслов  Д.Ю.  Получение  биогаза  в  биореакторе  с  барботажным  перемешиванием:  автореф.  дис.  ...  канд.  техн.  наук:  05.17.08..  Белгород,  2013.

13.Технология.  Описание  //  БИОГАЗ  —  биогазовые  установки:  продажа,  чертежи  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://biogas.in.ua/%D0%BE%D0%BF%D0%B8%D1%81%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5/  (дата  обращения:  08.04.2014).