Біогаз. Процес отримання

Основні процеси і енергетика отримання біогазу

Основне рівняння, що описує анаеробне зброджування, має вид

C_xH_yO_z + (x-y/4-z/2) H₂O → (х/2-y/8+z/4) CO₂+(х/2+у/8-z/4) CH₄. (4.1)

Для целюлози це рівняння приймає вид

(С₆Н₁₀О₅)_n+nH₂O → 3nCO₂+3nCH₄ (4.2)

Ці реакції - злегка екзотермічні, в процесі їх протікання виділяється приблизно 1,5 МДж тепла на 1 кг сухої маси зброджуваного матеріалу, тобто приблизно 25 кДж/моль С₆Н₁₀О₅. Цього, звичайно, недостатньо для необхідного підвищення температури зброджуваної маси.

ККД конверсії становить 90%. На практиці зброджування рідко ведуть до кінця, оскільки це сильно збільшує тривалість процесу. Звичайно зброджують приблизно 60% початкових продуктів. Вихід газу складає приблизно від 0,2 до 0,4 м³ на 1 кг зароджуваного сухого матеріалу при нормальних умовах і при витраті 5 кг сухої біомаси на 1 м³ води (5%-й розчин).

У тропіках зброджування йде без підігрівання при температурі грунту в межах 20-30^оС, зброджування відповідає псикрофільному процесу тривалістю 14 днів. У країнах з більш холодним кліматом середовище для зброджування потрібно підігрівати, можливо, використовуючи частину отриманого біогазу, до температури приблизно 35^оС. Деякі бактерії «працюють» при 55^оС. Їх використовують, якщо ставлять метою скоріше розікласти матеріал, а не отримати додаткову кількість біогазу.

Золоте правило забезпечення успішного зброджування - підтримувати постійні умови за температурою і подачею початкових матеріалів. У стабільних умовах можуть бути виведені популяції бактерій, які придатні саме для цих умов.

Найбільш поширений спосіб отримання біогазу - анаеробне (без доступу кисню) зброджування біологічної маси (екскрементів, гною, відходів сільськогосподарського виробництва). Процес протікає за участю різноманітних мікроорганізмів і в певній послідовності.

На першому етапі анаеробного зброджування органічних речовин шляхом біохімічного розщеплення (гідролізу) високомолекулярні з'єднання (вуглеводи, жири, білкові речовини) розкладаються на низькомолекулярні. На другому етапі за участю кислототворних бактерій відбувається подальше розкладання з утворення органічних кислот і їх солей, а також спиртів, вуглекислого газу (СО₂) і водню (Н₂), а потім сірководню (H₂S) і аміаку (NH₃). На третьому етапі органічні речовини остаточно перетворюються у вуглекислий газ (СО₂) і метан (СН₄) (метанове бродіння). Надалі із СО₂ і Н₂ утвориться додаткова кількість метану (СН₄) і води (Н₂О).

Метанотворні бактерії можуть існувати тільки в анаеробному середовищі, для їх відтворювання потрібен більш тривалий час, ніж для кислототворних бактерій. Швидкість анаеробного зброджування метанотворних бактерій залежить від їх метаболічної активності. На метаболічну активність і репродуктивну здатність мікроорганізмів впливає температура. Найвища активність спостерігається при температурі біля 33^оС і 54^оС. З підвищенням її приблизно до 54^оС умови для утворень біогазу поліпшуються, з пониженням до 15^оС мікробіологічна активність майже припиняється. При зміні температури, особливо при її різкому пониженні, метаболічна активність і здібність до відтворювання меншають.

Активність мікробної реакції в значній мірі визначається співвідношенням вуглеводу і азоту. Найбільш сприятливі умови відповідають С/N=10…16.

Склад матеріалу для зброджування залежить від виду тварин, їхнього корму, а також від способу їх утримання.

Передусім, треба враховувати вміст лігніну. Він практично не розкладається мікробами і, отже, не бере участі в процесі газоутворення. З цієї причини вихід газу з екскрементів жуйних тварин (ВРХ), які потребують корми з високим вмістом сирої клітковини, значно менше, ніж з екскрементів курей і свиней.

Для зброджування рослинних матеріалів з високим вмістом з'єднань вуглеводу, здібних до розкладання, необхідно додавати багаті азотом речовини, наприклад курячий послід або гній свиней, щоб отримати співвідношення С/N в межах, необхідних для інтенсивного протікання процесу.

Особливості технології. На вихід газу впливає конструкція БГУ, завантаження робочого об’єму, тривалість циклу бродіння, інтенсивність перемішування.

Із збільшенням тривалості бродіння зростає вміст СН₄ в об'ємі газу, що виділяється, і меншає вміст СО₂, що поліпшує якість газу.

Універсальних рекомендацій для вибору оптимального часу перебування маси в реакторі дати не можна. Орієнтовні відомості приведені в табл. 12.1 [].

4.8 Теплові насоси

Запаси теплової енергії в навколишньому середовищі практично невичерпні, але використати її з метою опалювання неможливо без штучного підвищення температури. Це можна зробити за допомогою теплового насоса. Тепловий насос (ТН) являє собою пристрій в якому здійснюється перенесення теплової енергії від середи з низькою температурою до середи, що має більш високу температуру. При цьому на роботу насоса затрачується зовнішня енергія: механічна, хімічна або електрична.

ТН - це теплоперетворюючий пристрій, в якому існуюча температура теплоносія, підвищується до бажаного рівня за рахунок витрат механічної або електричної енергії.

Тепловий насос вітчизняного виробництва працює в пансіонаті "Дружба" біля Ялти. Для опалювання, нагріву води в басейні використовується не котельна, а тепло води Чорного моря. Економія становить 900 т ум. палива в рік. Останнім часом в сільськогосподарське виробництво в Криму впроваджуються тепло-холодильні установки типу ТХУ-14, які швидко охолоджують молоко і нагрівають воду. Це дозволяє здавати молоко вищим сортом, а нагріту воду використати для технологічних потреб тваринницьких ферм.

У кемпінгу "Поляна казок" в Ялті працює ТН, який в якості джерела низькопотенційного тепла використовується повітря.

Дата добавления: 2014-12-07