Биогазовый реактор

Потенциал биогазового сегмента

Ввиду богатства своих природных ресурсов российское государство в течение продолжительного времени не рассматривало вопрос активного использования альтернативных источников энергии. Предполагалось, что запасов нефти, древесины, природного газа и угля достаточно для обеспечения жизнедеятельности огромной страны.

Однако в настоящее время биоэнергетические исследования признаны перспективными, выгодными и подлежащими интенсивному развитию.

Принципы производства биогаза

Биогаз, получаемый при помощи специальных установок, представляет собой естественный продукт распада биомассы, образующийся в результате метанового брожения органических соединений. Он является безопасным и регенеративным источником энергии. Процесс анаэробного сбраживания идет в специализированных устройствах - биогазовых установках, обеспечивающих максимальное выделение углекислого газа (27–42%) и метана (58–73%).

Оборудование для выработки биогаза предполагает наличие составных частей:

• емкости гомогенизации;
• биогазового реактора;
• загрузчика биомассы;
• миксера;
• газгольдера;
• насосной станции;
• системы отопления;
• системы смешивания воды;
• приборов контроля;
• газовой системы;
• сепаратора;
• системы безопасности.

 

В биореактор, который представляет собой утепленный резервуар, биомассу подают вручную либо при помощи загрузчиков. В качестве материалов для изготовления резервуаров служат оцинкованная сталь, композитные материалы, железобетон. В реакторе присутствуют анаэробные бактерии, питательной средой для которых является биомасса, а продуктом жизнедеятельности – биогаз.

Предназначением подобного оборудования является формирование необходимых условий для нормальной жизнедеятельности культивируемых бактерий (обеспечения их дыхания, питания, вывода метаболитов) и отвода газа, получаемого в результате этой жизнедеятельности.

Для обеспечения нормального течения процессов брожения требуется создание в биогазовом реакторе необходимых условий:

• параметров влажности;
• частоты подачи субстрата;
• температурного режима;
• уровня рН;
• концентрации питательных веществ.

Требуется также обеспечить низкий уровень концентрации токсичных соединений и необходимые размеры площади поверхности отдельных частиц перерабатываемой биомассы.

В целях ускорения реакции брожения отдельных групп сырья (например, птичьего помета) требуется применение реактора гидролиза и 2-стадийной технологии. Это позволяет обеспечить надлежащий контроль над параметрами pH.

Скапливающийся биогаз подвергается очистке и направляется потребителям. Один кубометр биогаза по параметру теплоты сгорания соответствует: 0,75 м3 природного газа, 0,61 кг бензина, 0,72 кг мазута, 1,48 кг дров.

Виды установок для производства биогаза

 

С точки зрения особенностей перемешивания субстрата выделяют:

• механические установки, оснащенные неавтоматизированными мешалками, применение которых нередко ведет к неравномерному смешиванию субстрата и гибели бактерий;
• аэрлифтные устройства, функционирующие при помощи барботажного смешивания, что нередко ведет к излишнему пенообразованию;
• конструкции газо-вихревого типа, обеспечивающие смешивание биомассы посредством создания аэрирующего газового вихря.

Процессы метанового брожения могут протекать как при высоких (термофильных), так и при относительно низких (мезофильных) температурных режимах. При этом достигается значительный (82–90%) КПД преобразования энергии органических соединений в биогаз. В соответствии с этим принято выделять:

• проекты с применением мезофильных моделей реакторов (предполагающих установление рабочего температурного режима 25–40 °С);
• проекты с применением термофильных моделей (предполагающих установление рабочего температурного режима 50–55 ^°С).

Показателей максимальной производительности удается добиться при использовании технологии термофильного брожения.

Мезофильные модели

К числу мезофильных моделей относят, в частности, биогазовые станции с ручной загрузкой, без подогрева и миксеризации субстрата. Объемы подачи биомассы в подобных реакторах не превышают в сутки 200 кг, а объемы резервуаров - 10 м³. Их применение признается целесообразным в небольших частных хозяйствах. Данное оборудование состоит из загрузочного бункера, реактора, механизмов выгрузки субстрата и вывода полученного биогаза, который направляется непосредственно в бытовые приборы. Подобные реакторы способны функционировать лишь в широтах, где среднегодовая температура воздуха не опускается ниже +5 ^°C.

Мезофильные устройства с функцией миксеризации биомассы обходятся несколько дороже, однако практически исключают возможность разложения субстрата на слои, чем обеспечивают нормальную выработку биогаза.

Термофильные модели

Реакторы с подогревом и ручной загрузкой позволяют получать биогаз в более холодных регионах. В этих целях они снабжены водогрейным котлом. Объемы подачи биомассы в подобных реакторах также не превышают в сутки 200 кг, а объемы резервуаров - 10 м³. Температурный режим в установке должен составлять 36–37 ^°C, подогрев осуществляется водой при помощи 10% получаемого биогаза. Остальные 90% направляются на нужды потребителей.

В реакторах-полуавтоматах, оснащенных газгольдерами, подогрев биомассы осуществляется посредством водонагревательных котлов, функционирующих на вырабатываемом биогазе. Загрузка сырья производится пневматическим способом, подготовка биомассы - вручную. Наличие функции миксеризации исключает возможность разложения субстрата на слои. При помощи системы трубопроводов обеспечивается автоматический вывод биогаза и удобрений из биогазовой установки. Выработанный газ для хранения направляется в особые хранилища - газгольдеры, откуда поступает в общую сеть. Объемы подачи биомассы в подобных реакторах составляют в сутки до 1,5 т, а объемы резервуаров - 25 м³.

Реакторы-автоматы с функцией предварительной подготовки сырья подходят для промышленных предприятий и крупных ферм. Подогрев субстрата осуществляется посредством водонагревательных котлов, функционирующих на вырабатываемом биогазе. Загрузка сырья производится автоматическим способом. Устройство оснащено емкостью гомогенизации - специальным блоком для подготовки субстрата, который подвергается измельчению и направляется сначала в реактор гидролиза, а затем – на ферментацию. Выработанный газ для хранения направляется в газгольдеры либо на переработку, в результате чего очищается от примесей. Извлечение отходов из установки осуществляется в автоматическом режиме, при этом отходы упаковываются и направляются потребителям в виде удобрений. Реактор работает на собственной энергии, составляющей примерно 15% от общих объемов выработки биогаза. Все процессы управления подобными установками обеспечиваются в автоматических режимах.

Требования к оборудованию для выработки биогаза

К числу требований, предъявляемым к устройствам для выработки биогаза, относят:

• полную герметичность конструкции, препятствующую процессам газо- и влагообмена;
• эффективную теплоизоляцию;
• сохранение прочности конструкции при воздействии загружаемой и выгружаемой биомассы;
• коррозионную стойкость;
• доступность внутренней части резервуара для осуществления обслуживания.