Биогазовые установки. 3

     Введение

     В мировой практике газоснабжения  накоплен достаточный опыт использования возобновляемых источников энергии, в том числе энергии биомассы. Наиболее перспективным газообразным топливом является биогаз, интерес к использованию которого в последние годы не только не убывает, но и продолжает возрастать. Под биогазами подразумеваются метансодержащие газы, которые образуются при анаэробном разложении органической биомассы. В зависимости от источника получения биогазы подразделяются на три основных вида:

     - газ, получаемый на городских  очистных канализационных сооружениях;

     -биогаз, получаемый в биогазовых установках при сбраживании отходов сельскохозяйственных производств (БГ СХП);

     - газ свалок, получаемый на полигонах  отходов, содержащих органические  компоненты (БГ ТБО). 

     В своей работе я рассмотрел технологии получения этих газов, их состав, методы подготовки биогаза к использованию, а именно методы очистки от балластных веществ. Биогаз обладает широким спектром использования, который я коротко рассмотрела в этой работе. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Получение биогаза из сельскохозяйственных биогазовых установок

    По техническому исполнению биогазовые установки подразделяются на три системы: аккумулятивную, периодическую, непрерывную.

     В аккумулятивных системах предусматривается  сбраживание в реакторах, которые служат одновременно и местом хранения сброженного навоза (субстрата) до его выгрузки. Исходный субстрат постоянно подается в резервуар до его заполнения. Выгрузка сброженного субстрата производится один-два раза в год в период внесения удобрений в почву. При этом часть сброженного осадка специально оставляется в реакторе и служит затравочным материалом для последующего цикла сбраживания. Объем хранилища, совмещенного с биореактором, рассчитывается на полный объем удаляемого с комплекса навоза в межпосевной период. Такие системы требуют больших объемов хранилищ и применяются очень редко.

     Периодическая система производства биогаза предполагает разовую загрузку исходного субстрата в реактор, подачу туда же затравочного материала и выгрузку сброженного продукта. Такая система характеризуется довольно большой трудоемкостью, очень неравномерным выходом газа и требует наличия не менее двух реакторов, резервуара для накопления исходного навоза и хранения сброженного субстрата.

     При непрерывной схеме исходный субстрат непрерывно или через определенные промежутки времени (1-10 раз в сутки) загружается в камеру сбраживания, откуда одновременно удаляется такое же количество сброженного осадка. Для интенсификации процесса сбраживания в биореактор могут вноситься различные добавки, увеличивающие не только скорость реакции, но и выход и качество газа. Современные биогазовые установки рассчитываются, как правило, на непрерывный процесс и изготавливаются из стали, бетона, пластмасс, кирпича. Для теплоизоляции применяются стекловолокно, стекловата, ячеистый пластик.

     По  суточной производительности существующие биогазовые системы и установки можно разделить на 3 типа:

     малые - до 50 м³/сут;

     средние – до 500 м³ /сут;

     крупные – до 30 тыс. м³/сут.

     Сельскохозяйственные  биогазовые установки не имеют принципиальных отличий, за исключением используемого субстрата. Технологическая схема биогазовой сельскохозяйственной установки представлена на рис. 1.

     Согласно  этой схеме навоз из животноводческого помещения (1) поступает в на копительную емкость (2), далее фекальным насосом (3) его загружают в метантенк — емкость для анаэробного сбраживания (4). Биогаз, образующийся в процессе брожения, поступает в газгольдер (5) и далее к потребителю Для нагрева навоза до температуры брожения и поддержания теплового режима в метантенке применяют теплообменник (6), через который протекает горячая вода, нагреваемая в котле (7) Сброженный навоз выгружают в навозохранилище (8). 

     Рис.1. Обобщенная схема производства биогаза (сельскохозяйственная биогазовая  установка

     Биореактор имеет тепловую изоляцию, которая должна стабильно поддерживать температурный режим сбраживания и поддаваться быстрой замене при выходе из строя. Обогрев биореактора осуществляется посредством размещения по периметру стенок теплообменников в виде спирали из труб, по которым циркулирует горячая вода с начальной температурой 60-70 °С. Такая низкая температура теплоносителя принята во избежание гибели метанообразующих микроорганизмов и налипания частичек субстрата на теплообменную поверхность, что может привести к ухудшению теплообмена.В биореакторе также имеются устройства для постоянного перемешивания навоза. Поступление навоза в метантенк регулируется так, чтобы процесс сбраживания протекал равномерно.

     Во  время сбраживания в навозе развивается микрофлора, которая последовательно разрушает органические вещества до кислот, а последние под действием синтрофных и метанообразующих бактерий превращаются в газообразные продукты — метан и углекислоту.

     В метантенках обеспечиваются все необходимые параметры процесса—температура(33-37є С) , концентрация органических веществ, кислотность (6,8-7,4) и др. Рост клеток метанового биоценоза также определяется соотношением C:N, и оптимальное его значение составляет 30:1. Некоторые вещества, содержащиеся в исходном субстрате, могут ингибировать метановое сбраживание (табл. 1). Например, куриный помет часто ингибирует метановое сбраживание избытком NH3.  

     Таблица 1

     Ингибиторы  метанового сбраживания

Биогазовые установки планируемые к вводу в эксплуатацию в Республики Беларусь. 

       В Беларуси за 5 лет планируется ввести в строй биогазовые установки электрической мощностью до 90 МВт. Это предусмотрено Национальной программой развития местных и возобновляемых энергоисточников на 2011-2015 годы, сообщили корреспонденту БЕЛТА в департаменте по энергоэффективности Госстандарта Беларуси.

В настоящее  время в республике функционируют 7 биогазовых комплексов, в том числе 2 электростанции на свалочном газе, 3 биогазовых комплекса на отходах сельскохозяйственного производства и 2 - на отходах промышленного производства.

Общий потенциальный объем замещения  импортируемых энергоресурсов по объектам сельскохозяйственных организаций, в  том числе предусмотренных к  строительству, за счет внедрения биогазовых комплексов составляет 635,5 тыс.тут при установленной электрической мощности когенерационных установок 269 МВт.

Программой  строительства энергоисточников, работающих на биогазе, на 2010-2012 годы предусматривается ввод в эксплуатацию 29 биогазовых комплексов суммарной электрической мощностью 28 МВт.

      В соответствии с перечнем организаций, в которых в 2013-2015 годах предусматривается строительство установок на биогазе, получаемом из отходов сельскохозяйственного производства, запланирован ввод в эксплуатацию дополнительно 32 комплексов суммарной электрической мощностью 18,6 МВт, в том числе в Брестской области - 1,2 МВт, Витебской - 1,2 МВт, Гомельской - 2,2 МВт, Гродненской - 0,6 МВт, Минской - 9,5 МВт и в Могилевской области - 3,9 МВт.

Общий потенциал потребления полученного  в качестве топлива биогаза с использованием стоков канализационно-насосных станций составляет около 66,4 млн.куб.м (53,1 тыс.тут) с расчетной установленной электрической мощностью когенерационных установок около 22 МВт.

      До 2020 года перспективными для внедрения являются 19 объектов с общим потенциалом выхода биогаза 56,2 млн.куб.м (45 тыс.тут) в год при установленной электрической мощности когенерационных установок 19 МВт.

Программой  строительства энергоисточников, работающих на биогазе, на 2010-2012 годы предусмотрено внедрение 5 биогазовых установок с использованием стоков канализационно-насосных станций суммарной электрической мощностью 4,9 МВт (общий планируемый выход биогаза - 57,4 тыс.куб.м в сутки). Определены 14 объектов, на которых целесообразно строительство энергетических установок, работающих на отходах сточных вод, их суммарная электрическая мощность составляет до 14,4 МВт.

       Потенциальная энергия, заключенная в твердых коммунальных отходах, равноценна 470 тыс.тут. При их биопереработке в целях получения газа эффективность составит 20-25%, что эквивалентно 100-120 тыс.тут. В областных городах ежегодная переработка коммунальных отходов позволяет получать биогаз в объеме, эквивалентном около 50 тыс.тут, а в Минске - до 30 тыс.тут. Кроме того, многолетние запасы таких отходов, имеющиеся во всех крупных городах, создают проблемы для окружающей среды, в том числе из-за эмиссии образующихся парниковых газов. Таким образом, эффективность этого направления оценивается не только выходом биогаза, но и экологической составляющей, которая в этом вопросе является основной.

        В Беларуси до 2015 года планируется реализация пилотных проектов по внедрению технологий получения биогаза из низкокалорийной органической части коммунальных отходов и остатков сточных вод, сбора и использования биогаза, образующегося на полигонах для захоронения коммунальных отходов.

В соответствии с программой строительства энергоисточников, работающих на биогазе, на 2010-2012 годы на трех объектах захоронения твердых коммунальных отходов планируется внедрение электрогенерирующих установок суммарной электрической мощностью 8,2 МВт. При вводе в эксплуатацию этих установок замещение природного газа может составить около 18,8 млн.куб.м (21,4 тыс.тут) в год.

        Национальной программой дополнительно предусматривается строительство 7 биогазовых комплексов суммарной электрической мощностью 3,42 МВт на объектах захоронения твердых коммунальных отходов.

        В Беларуси технически возможно установить 4 биогазовых комплекса на отходах производства пищевых продуктов суммарной мощностью 12 МВт, в том числе по одному комплексу мощностью 3 МВт в открытых акционерных обществах "Скидельский сахарный завод" - в 2013 году, "Слуцкий сахарный завод" - 2014 году, "Городейский сахарный завод" и "Жабинковский сахарный завод" - в 2015 году. Это позволит заместить 28 млн.куб.м природного газа (32 тыс.тут).

   Согласно национальной программе развития местных и возобновляемых энергоисточников за пять лет на внедрение биогазовых установок планируется направить $846,03 млн., из них $112,32 млн. в текущем году.

     Целью программы является рост объемов использования собственных энергоресурсов и развитие новых для Беларуси тенденций в области энергетики в 2011-2015 годах с доведением доли местных видов топливно-энергетических ресурсов в котельно-печном топливе страны до 30% в 2015 году. Согласно документу Беларусь намерена в 2015 году увеличить использование местных и возобновляемых источников энергии в 1,9 раза до 5,7 млн.тут, а замещение импортируемого природного газа в сравнении с 2010 годом - до 2,4 млрд.куб.м. В результате замещения органического топлива возобновляемыми источниками энергии общее потенциальное сокращение выбросов парниковых газов к 2015 году должно составить около 2710 тыс.т CО2.

        Общая сумма расходов на реализацию национальной программы, по прогнозу, составит более $3,45 млрд. Источниками финансирования станут собственные средства организаций; заемные и привлеченные средства, включая кредиты банков и небанковских кредитно-финансовых организаций, а также средства инвесторов; средства республиканского и местных бюджетов, инновационных фондов.

     Биогаз, получаемый на полигонах ТБО

    Процесс неуправляемого газообразования на полигонах бытовых и других отходов, содержащих большую долю органических компонентов, можно рассматривать как процесс получения метансодержащего газа в аккумулятивной системе, длительность процесса до полного разложения органической части здесь гораздо больше, чем в метатенках.

     В отечественной практике системы  утилизации биогаза на полигонах ТБО пока не получили широкого распространения, поэтому при дальнейшем рассмотрении конструктивных особенностей систем сбора и транспорта биогаза будет учитываться зарубежный опыт. Принципиальная схема одной из таких систем на полигоне ТБО представлена на рис. 2. Система состоит из двух основных частей: газосборной сети, находящейся под разрежением, и распределительной сети потребителей биогаза, находящейся под избыточным низким или (реже) средним давлением. 

     Рис. 2. Устройство системы дегазации  полигонах ТБО

Ниже  приводятся определения важнейших  элементов системы сбора газа на полигоне, представленные на рис. 2, и требования к отдельным элементам системы.

     Газовые коллекторы - это трубопроводы, проложенные в толще отходов, в которых создается разрежение. Как правило, они выполняются либо вертикально в виде газовых скважин, либо горизонтально в виде перфорированных трубопроводов, однако на практике применяются и другие формы (резервуары, гравийные или щебеночные камеры и др.).

     Под сборными газопроводами понимаются газопроводы, находящиеся под разрежением и ведущие к части сборных коллекторов. Для компенсации просадок они имеют гибкое присоединение к газовому коллектору, в узле присоединения располагаются контрольно-измерительные приборы (для измерения давления) и штуцеры для отбора проб газа.

     В газосборном пункте объединяются сборные газопроводы. Газосборный пункт может быть выполнен в виде трубы, резервуара и т. п. и размещается в низшей точке с целью обеспечения сбора и отвода выпадающего конденсата. В газосборном пункте размещаются контрольно-измерительные приборы и устройства автоматики.

     Система отведения конденсата - это устройство на газопроводе для сбора и отвода конденсата в низшей точке системы трубопроводов. В зоне разрежения конденсат отводится через сифоны, в области избыточного давления - посредством регулируемых конденсатоотводчиков. Конденсат можно также отводить как в зоне разрежения, так и в зоне избыточного давления с помощью охлаждающего устройства.

     Всасывающим трубопроводом называют прямой участок трубопровода перед нагнетательным устройством, здесь также предусматриваются контрольно-измерительные приборы и устройства автоматики.

     Нагнетательные  устройства (вентилятор, воздуходувка и т. п.) служат для создания разрежения, необходимого для транспорта газа из тела захоронения или для создания избыточного давления при транспортировании газа к месту использования (к факельной установке, к системе утилизации и т. п.).

     Компрессорная установка служит для повышения избыточного давления газа.

     В машинном отделении размещаются нагнетательные устройства. Традиционными конструкциями являются контейнеры, металлические кожухи или небольшие строения (гаражи, блочные конструкции и т. д.). На крупных установках газонагнетательные устройства располагаются в машинном зале, иногда они могут размещаться на открытых площадках под навесом.

     Под трубопроводами для транспорта газа понимается система трубопроводов для отвода газа с полигона под избыточным давлением.

     Факельная газовая установка - это устройство, необходимое для полного сжигания газа при отсутствии газопотребления, включая устройства автоматики безопасности и регулирования.

     В машинном зале или газосборном пункте размещаются установки для очистки или утилизации газа, а также пульт управления и другие устройства.

     Для обеспечения достаточного сбора  газа на полигонах выдвигаются следующие требования: создание эффективного разрежения в толще захоронения; минимизация подсосов воздуха; обеспечение долговременной работоспособности системы при механических и статических нагрузках; обеспечение возможности сбора газа при длительной эксплуатации полигона или свалки; увязка производительности системы дегазации с интенсивностью образования газа; возможность расширения системы. Поэтому для сбора биогаза используются трубопроводные системы большой емкости со свободным доступом к ним и по возможности кратчайшей длины. Расположение коллекторов для сбора газа может быть горизонтальным, вертикальным или комбинированным, трубопроводы должны сохранять устойчивость и прочность на протяжении всего срока эксплуатации полигона. На вновь создаваемых полигонах или новых участках полигонов можно с наращиванием высоты отходов откачивать газ снизу или монтировать систему сбора газа с горизонтальными или слегка наклонными газопроводами, которая по мере заполнения полигона дополняется газовыми скважинами. На существующих участках полигонов, как правило, практикуется бурение скважин.

     В газовых скважинах вертикальных систем вследствие нагрузки сверху и давления сбоку возникают существенные механические напряжения, которые усиливаются при возникающих просадках за счет «отрицательного поверхностного трения». Для компенсации просадок скважины при глубине от 10 м необходимо выполнять телескопическими. Требования к материалу скважин обусловлены наличием в теле полигона фильтрата, в котором растворены, наряду с другими веществами, сероводород и органические кислоты. Наличие фильтрата создает коррозионную опасность и вызывает дополнительные напряжения за счет коррозионного растрескивания. По названным причинам при сооружении скважин используются коррозионно-стойкие синтетические материалы, рассчитанные на давление до 1 МПа.

     Во  избежание расходов на бурение при  эксплуатации полигона газовые скважины можно сооружать в процессе заполнения полигона. Технологию проведения работ можно коротко описать так: обсадная труба из стали или синтетических материалов поэтапно возводится одновременно с засыпкой отходов таким образом, чтобы на глубине не менее 2 м (при общей длине около 5 м) она оставалась бы в толще отходов, затем вносится следующий слой отходов примерно на 2 м и уплотняется. Уплотнитель (компактор или бульдозер) может при укладке отходов подъезжать вплотную к обсадной трубе. Затем обсадная труба снова поднимается на 3 м, труба колодца наращивается, а кольцевой зазор засыпается щебнем. За исключением собственно процесса вытягивания обсадной трубы газовая скважина может все время быть соединена с газосборной сетью. Устройство и пример конструкции такой обсадной трубы представлены на рис. 3. 

     Рис. 3. Схематичное представление обсадной трубы  

     1 - трубопровод для отвода газа; 2 - соединительная муфта; 3 - засыпка из щебня; 4 - тело захоронения; 5 - обсадная труба; 6 - направляющий элемент, 7- газонепроницаемая крышка; 8 - штуцер для отбора газа

     Слабым  звеном в газовых скважинах является узел присоединения к сборным газопроводам. Вследствие просадок различной величины (просадки могут достигать до 25 % толщины захороненных отходов, т. е. при высоте засыпки 20 м возможна просадка 5 м) между газовой скважиной и присоединительным трубопроводом может возникнуть сильное напряжение от растяжения. Поэтому переходник часто выполняется из эластичного материала. Применяемые ранее полиэтиленовые шланги обычно становятся хрупкими, особенно под действием солнечного света, появляются трещины, нарушается герметичность. Поэтому сейчас во многих случаях используются рукава из хромированной стали. При монтаже необходимо принимать во внимание, что в таком гибком соединительном элементе не должно образовываться конденсатных мешков, которые могут стать гидравлическими затворами.

     Горизонтальные  или наклонные системы состоят из дренажных перфорированных трубопроводов диаметром 100-150 мм с отверстиями диаметром 5 мм или щелями размером 5x20 мм., расположенных на разных уровнях захороненных отходов, и обкладываемых пригодным для дренажа материалом (щебнем, гравием, керамзитом, строительными отходами). На конечном участке они выполнены в виде сплошной трубы и на выходе из покровного слоя полигона или из толщи отходов присоединяются непосредственно к сборному трубопроводу. Горизонтальный дренаж прокладывается на достаточно небольшом по вертикали расстоянии (6-8 м). Расстояние по горизонтали между отдельными дренажными трубами составляет около 30 м. Условный диаметр дренажной трубы принимается равным 250 мм, трубы изготавливаются из температуростойких искусственных-материалов, так как на существующих полигонах значение температуры в толще отходов достигало 70 °С.

     Несмотря  на относительно большой диаметр, отдельные  ветви системы через несколько  лет имеют, как правило, весьма ограниченную производительность, так что после окончательного заполнения соответствующего участка полигона требуется дополнительная дегазация через вертикальные коллекторы.

     Газосборные пункты сооружаются у границы  полигона в виде блочных бетонных зданий, при эксплуатации которых  необходимо соблюдать требования по взрывозащите. Альтернативным вариантом является размещение узлов сбора газа на открытой площадке.

     Системы хранения биогаза

     Обычно  биогаз выходит из реакторов неравномерно и с малым давлением (не более 5 кПа). Этого давления с учетом гидравлических потерь газотранспортной сети недостаточно для нормальной работы газоиспользующего оборудования. К тому же пики производства и потребления биогаза не совпадают по времени. Наиболее простое решение ликвидации излишка биогаза -сжигание его в факельной установке, однако при этом безвозвратно теряется энергия. Более дорогим, но в конечном итоге экономически оправданным способом выравнивания неравномерности производства и потребления газа является использование газгольдеров различных типов. Условно все газгольдеры можно подразделить на «прямые» и «непрямые». В «прямых» газгольдерах постоянно находится некоторый объем газа, закачиваемого в периоды спада потребления и отбираемого при пиковой нагрузке. «Непрямые» газгольдеры предусматривают аккумулирование не самого газа, а энергии промежуточного теплоносителя (воды или воздуха), нагреваемого продуктами сгорания сжигаемого газа, т.е. происходит накопление тепловой энергии в виде нагретого теплоносителя.

     Биогаз в зависимости от его количества и направления последующего использования можно хранить под разным давлением, соответственно и газохранилища называются газгольдерами низкого (не выше 5 кПа), среднего (от 5 кПа до 0,3 МПа) и высокого (от 0,3 до 1,8 МПа) давления. Газгольдеры низкого давления предназначены для хранения газа при малоколеблющемся давлении газа и значительно изменяющемся объеме, поэтому их иногда называют газохранилищами постоянного давления и переменного объема (обеспечивается подвижностью конструкций). Газгольдеры среднего и высокого давления, наоборот, устраиваются по принципу неизменного объема, но меняющегося давления. В практике применения биогазовых установок наиболее часто используются газгольдеры низкого давления.

       Вместимость газгольдеров высокого  давления может быть различной - от нескольких литров (баллоны) до десятков тысяч кубических метров (стационарные газохранилища). Хранение биогаза в баллонах применяется, как правило, в случае использования газа в качестве горючего для транспортных средств. Основные преимущества газгольдеров высокого и среднего давления - небольшие габариты при значительных объемах хранимого газа и отсутствие движущихся частей, а недостатком является необходимость в дополнительном оборудовании: компрессорной установке для создания среднего или высокого давления и регуляторе давления для снижения давления газа перед горелочными устройствами газоиспользующих агрегатов.

     Подготовка  биогаза к использованию

     Условия получения биогазов и наличие в их составе вредных и балластных примесей диктуют необходимость предварительной обработки биогаза перед использованием в тепловых установках. Для обеспечения функциональной и эксплуатационной безопасности, а также безопасной работы персонала газ должен быть предварительно очищен от вредных компонентов. Основные этапы при подготовке газа к использованию:

• отделение влаги и взвешенных частиц;
• удаление сероводорода;
• удаление галогенсодержащих соединений;
• удаление углекислого газа;
• сжатие или сжижение (при использовании в качестве горючего для транспортных средств).

     Биогаз выходит из биореактора (метантенка) при температуре процесса брожения в водонасыщенном состоянии. До момента использования газ значительно охлаждается, вследствие чего выпадает конденсат, и возникает опасность замерзания в холодный период года. По этой причине биогаз должен быть осушен. Обычно газ от биореакторов по газопроводу поступает в газосборный пункт (ГСП), где устанавливается влагоотделитель. Из влагоотделителя конденсат отводится в сливной бак, откуда по мере наполнения откачивается насосами. При снижении температуры биогаза после ГСП возможна конденсация паров, растворенных в биогазе. Для удаления конденсата по тракту предусматриваются сборники конденсата в нижних точках. Конденсатосборные устройства рассчитываются на максимально возможное количество жидкости.

     Наиболее  дешевым способом осушки является метод охлаждения, когда газ пропускают через влагоотделитель, служащий одновременно для осушки и отделения взвешенных частиц. Осушка методом охлаждения примерно до 10 °С достаточна для распространенных способов использования газа, например, для получения тепла при сжигании и для выработки электроэнергии. При необходимости более глубокой осушки (в случае использования газа в газовых двигателях) применяют адсорбционную осушку (в качестве сорбентов применяют оксид алюминия А1₂Оз, хлорид кальция СаС1₂, силикагель) или осушку жидкими поглотителями влаги (этилен- и триэтиленгликоль).