Утворення, збір і очищення біогазу

Утворення, збір і очищення біогазу

Технологічна схема отримання і використання біогазу

Продукти життєдіяльності людини (відходи) видаляються через каналізаційну систему міста й у вигляді твердого сміття та вивозяться на звалища. У великих містах каналізаційні стоки збираються й обробляються в спеціальних відстійниках — аеротенках, у котрі подається повітря. При цьому відбувається окиснення органічних речовин, які відкладаються на дно і потім вивозяться на поля у вигляді добрива. Очищена вода також подається на поля для зрошення або скидається в річки.

Частина каналізаційних стоків подається в метантенки, що являють собою герметичні посудини великої ємності. У метантенках без доступу кисню спеціально вирощені мікроорганізми (бактерії) за певних температурних умов переробляють органічні речовини з виділенням метану та діоксиду вуглецю (вуглекислоти). Отриманий біогаз можна використовувати як паливо. Тверді побутові відходи складуються за межами міст у природних заглибленнях чи на спеціально підготовлених майданчиках (полігонах), які можуть займати територію в декілька гектарів. При закритті сміттєзвалища його територія засипається землею, вкривається спеціальною плівкою і покривається глинистим ґрунтом для виключення неприємних запахів.

Через п'ять років у шарі звалища утворюються колонії мікроорганізмів та починає інтенсивно виділятися біогаз. Тому з поверхні полігону бурять свердловини на всю глибину звалища і збирають газ у колектори для використання або спалювання на факелі. Виділення біогазу може тривати 25 років. На одному зі звалищ міст США пробурено 60 свердловин, з яких видобувається 4000 кубічних метрів біогазу за годину. Газ спалюється на факелі.

Природні процеси отримання газу метану можна значно прискорити, використовуючи нові технології. Більш докладно розглянемо процеси, що відбуваються в метантенках. Анаеробна обробка вмісту метантенка здійснюється шляхом біохімічного розкладання органічних матеріалів за відсутності кисню. Як вважають учені, розкладання органіки відбувається в чотири стадії, і на кожній з них працює певний вид бактерій. Перша група відповідає за розчинення і гідроліз органіки. Друга діє на розчинені продукти, перетворюючи їх на більш прості органічні продукти. Третя продовжує руйнування з утворенням оцтової, масляної, пропіонової, валер'янової й інших кислот. Четверта група складається з метаногенних бактерій, які утворюють метан, вуглекислий газ, водень тощо за рахунок раніше отриманого іншими бактеріями живильного середовища. Швидкість і ефективність зазначених мікробіологічних процесів залежать від багатьох чинників: температури 30 — 35 чи 52 — 57 ^оС, кислотності (рН 6,6 — 7,6), швидкості подачі живлення, ступеня перемішування та ін. Тому великі метантенки обладнуються системами обігріву (рис.), перемішування, контролю рН, рекуперації тепла збродженого продукту, а сам метантенк покривається шаром теплоізоляції. Для підтримки теплового режиму метантенка витрачається від 20 до 50 % виробленого біогазу залежно від температури навколишнього середовища. Сировиною для метантенків служать найчастіше відходи тваринництва та птахівництва і відходи сільськогосподарського виробництва (солома, гичка), спиртового виробництва (барда) й ін. За розрахунками, в Україні щорічно утворюється більше 120 млн тонн органічних відходів на суху масу, кожна тонна яких може дати від 300 до 800 м³ біогазу. Переробка всієї кількості відходів може дати від 36 до 75 млрд м³ біогазу або в перерахунку на метан від 20 до 45 млрд м³ на рік.

Отже, біогаз утворюється в результаті мікробіологічного синтезу органічних речовин. Усього у світі нині використовується близько 60 різновидів технологій отримання біогазу. Найбільш поширений метод — анаеробне зброджування в метатанках, або анаеробних колонах. Частина енергії, що одержується в результаті утилізації біогазу, направляється на підтримку процесу (взимку до 15 — 20 %). У країнах з жарким кліматом немає необхідності підігрівати метантанк. Бактерії переробляють біомасу в метан при температурі від 25 до 70 °С. Для зброджування деяких видів сировини в чистому вигляді потрібна особлива двостадійна технологія. Отримання біогазу економічно виправдане при переробці постійного потоку відходів, наприклад на тваринницьких фермах. Технологією збору біогазу передбачено його компримування, охолодження й очищення. Для технологічних потреб енергокомплексу використовується тепло відпрацьованих газів двигунів і тепло системи охолодження двигунів.

Майже при кожній великій біогазовій установці встановлений та цілодобово функціонує поршневий двигун — генератор електричної і теплової енергії. Такий пристрій називається когенератором. Він складається з двигуна, з'єднаного з ним 3-фазного електрогенератора з напругою 400 (380) В та частотою 50 Гц, пристроїв для знімання теплової енергії із системи охолодження двигуна і вихлопних газів та нагріву теплоносія для використання в зовнішніх споживачах тепла, блока автоматики. Існують модифікації таких генераторів, що працюють на різних видах горючих газів: природному газі, біогазі, піролізному газі, шахтному метані, вугільному синтез-газі й т. п.

Переваги біогазових установок:

– середній час експлуатації однієї свердловини складає 15 років;

– орієнтовний термін окупності проекту складає 4 — 5 років;

– незалежність у сфері енергоносіїв і енергозабезпечення;

– економія коштів за рахунок переходу на свій біогаз;

– замість звичайної утилізації органічних відходів виробляється енергія, та використовуються поживні речовини;

– поліпшення екології підприємства, на якому реалізується проект;

– отримання додаткового доходу за рахунок виробництва «зеленої» енергії й зниження рівня шкідливих викидів в атмосферу (економія на податках);

– перероблені відходи тваринництва є більш ефективними як добриво порівняно з неферментованими;

– підвищення рівня екологічної безпеки навколишнього середовища та підтримка захисту клімату;

– виробництво екологічно безпечної енергії — додатковий спосіб фінансування.

Див. також

• Біометан

Література

• Білецький В. С. Основи нафтогазової справи / В. С. Білецький, В. М. Орловський, В. І. Дмитренко, А. М. Похилко. — Полтава: ПолтНТУ, Київ: ФОП Халіков Р. Х., 2017. — 312 с.