Биогаз — это форма энергии, производимая в результате анаэробного сбраживания (разложения компонентов биоразлагаемого материала в среде без кислорода). Это смесь газов, в основном углекислого газа и метана. Примерный состав биогаза:
- Метан (CH4): 55–65 %
- Углекислый газ (CO2): 30–35 %
- Водяной пар: 1–5 %
- Сероводород (H2S): 0–3 %
- Водород (H2): 0–1 %
Разложение отходов в процессе анаэробного сбраживания вызывается действием бактерий, а не высокими температурами. Этот процесс происходит практически в любой биологической среде, но особенно эффективно протекает в тёплых, влажных и бедных кислородом условиях.
Анаэробное сбраживание также происходит в двух основных ситуациях, созданных деятельностью человека:
- Сточные воды (человеческие отходы) или навоз животных.
- Газ, образующийся на свалках при разложении бытовых отходов, захороненных на полигонах.
В природе также существует множество исходных материалов (органических веществ), из которых можно получить биогаз: человеческий и животный навоз, листья, ветки, травы, мусор, сельскохозяйственные и промышленные отходы с содержанием органики более 2 %.
Произведённый биогаз можно использовать для приготовления пищи, отопления, освещения (с помощью газовых ламп), выработки электроэнергии, работы сельскохозяйственной техники и других энергетических нужд. Полученный в процессе сбраживания остаток (эфлюент) можно использовать как удобрение для сельскохозяйственных культур.
Системы воздуходувок для биогаза на свалках
Биогаз со свалки транспортируется от скважинного поля свалки до воздуходувной станции по основному газосборному коллектору. Затем свалочный газ (LFG) обычно проходит через сосуд-ловушку для удаления жидкости и частиц газа перед подачей на воздуходувку. На некоторых полигонах могут активно использоваться запорные и байпасные клапаны, если возникает необходимость направить газ в обход ловушки для жидкости. Однако это обычно не рекомендуется, поскольку удаление конденсата помогает защитить измерительное оборудование и аппаратуру от повреждений.
Воздуходувная станция и связанное с ней управляющее оборудование могут размещаться как внутри здания, так и под открытым небом. Она должна располагаться в центральной части объекта с учётом возможности расширения и подключения к электроснабжению. Станция также должна иметь мощность, достаточную для обработки 100 процентов пиковой выработки свалочного газа, плюс дополнительный запас для контроля миграции LFG. На входных и выходных трубопроводах каждой воздуходувки часто устанавливаются дисковые (баттерфляй) клапаны, чтобы обеспечить непрерывную работу воздуходувок во время планового обслуживания и остановок.
Цель воздуходувки для свалочного газа (также известной как компрессор) — создать вакуум для извлечения газа из газосборных скважин и траншей под давлением, подача свалочного газа в воздуходувку и его направленный вывод в факел или другое оборудование для обработки. Этот процесс называется активным контролем свалочного газа, что контрастирует с пассивным контролем LFG. Пассивные системы, где свалочный газ обычно сбрасывается в атмосферу с минимальной или без обработки, как правило, не рекомендуются для современных операций на полигонах. Основным механическим компонентом системы воздуходувки является сам газовый компрессор или воздуходувка. Другие сопутствующие устройства могут включать:
- Клапаны (автоматические запорные, обратные)
- Измерение и регистрация потока
- Манометры для измерения давления, температуры и других параметров
- Оборудование для обработки и утилизации конденсата
- Электрическое оборудование
- Приборы и инструменты
- Коммунальные услуги
Выбор подходящей воздуходувки определяется такими факторами, как количество и конечное использование свалочного газа, необходимый вакуум для извлечения газа, давление, требуемое для обработки, и другие параметры. Основные типы воздуходувок, используемых для приложений с LFG, включают одно- и многоступенчатые центробежные воздуходувки: т.е. машины с постоянным вакуумом/давлением, регулируемым объемом газа, с установкой дискового клапана на входе устройства.
Биогаз и окружающая среда.
В сельских районах существует значительное количество неиспользуемых органических веществ (животные отходы). Эти органические вещества могут производить большие количества метана, и существующие технологии могут быть использованы и адаптированы к местным условиям.
Проектирование биогазовых установок и ожидаемые результаты должны быть адаптированы к местным ресурсам, климатическим условиям и доступным строительным материалам. Для минимизации капитальных затрат на оборудование важно убедиться, что биогазовый реактор правильно спроектирован.
Анаэробное сбраживание также происходит в прудах, болотах и ямах для навоза, где имеется избыточное количество разлагающихся органических материалов. Часто можно наблюдать, как пузырьки поднимаются на поверхность, и при их сгорании (пузырьки, наполненные метаном) возникает фиолетово-синий, бесдымный и без запаха пламя. Метан примерно в 23 раза более мощный парниковый газ, чем углекислый газ (CO2).
Потенциальное сырье для биореакторов
Сырьевые материалы, которые могут быть использованы для производства биогаза через процесс биоконверсии в биореакторе:
- Остатки сельскохозяйственных культур – Листья сахарного тростника, сорняки, стебли кукурузы и другие остатки сельскохозяйственных культур, солома, испорченное кормовое зерно и т.д. Исследования показали, что содержание водорастворимых веществ, таких как сахара, аминокислоты, белки и минеральные компоненты, уменьшается с возрастом растения и становится настолько низким, что ограничивает скорость процесса сбраживания. Таким образом, разложение остатков сельскохозяйственных культур занимает больше времени, чем навоза, из-за их волокнистого состава и крупных размеров частиц.
- Навоз – Отходы из коровников (навоз, моча, подстилка), помет овец и коз, отходы мясоперерабатывающих предприятий (кровь, мясо), рыболовные отходы, кожа и т.д. из сельскохозяйственного сектора являются важным источником сырья для производства биогаза. Навоз является источником углерода и азота, необходимых для успешной работы процесса ферментации. Количество и состав животного отхода зависит от типа животного. Например, птица производит больше летучих твердых веществ, азота и фосфора на единицу массы. Кроме того, состав навоза в значительной степени зависит от рациона питания животного. Животные, питающиеся только травой, имеют значительно более низкое содержание азота в своем навозе и моче.
- Человеческие отходы – Человеческие фекалии и моча являются сырьем, которое можно использовать для производства биогаза.
- Побочные продукты и отходы сельскохозяйственных и рыбохозяйственных отраслей – Жмыхи, багасса, отруби, семена, вода от переработки фруктов и овощей, фильтровальный осадок из сахарных заводов, морские водоросли, водоросли и т.д. также могут использоваться как сырье для биореакторов.
Требования для успешной системы
- Держите биореактор подальше от открытого пламени и электрического оборудования, которое может вызвать искры.
- Помещения должны быть хорошо проветриваемыми.
- Необходимо использовать взрывозащищенные моторы, проводку и осветительные приборы.
- Проводите периодические проверки системы на утечки газа.
- Следуйте правилам безопасности при использовании горелки Бунзена для тестирования газа с помощью пламени.
- Используйте устройства для обнаружения газа и сигнализации в закрытых помещениях.
- Не сбрасывайте effluent (стоки) из установки напрямую в озера или реки.
Меры предосторожности
Опасности безопасности, связанные с производством биогаза, включают риски для здоровья и угрозу пожара или взрыва. Биогаз является воспламеняющимся и может быть взрывоопасным при смешивании с воздухом.
- Принятие потенциальными пользователями.
- Способность использовать газ по мере его производства.
- Достаточный спрос на газ.
- Наличие достаточного количества сырья для удовлетворения производственных требований.
- Надлежащий технический уход и операционный контроль.