Биогазовая установка для ТЭЦ

BIOGAS PLANT FOR COMBINED HEAT AND POWER PLANT

Liudmila Lutsyk

master, Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University, Russia, Saint Petersburg

Аннотация. В данной статье рассматривается разработка комплексной технологии производства биогаза с помощью анаэробного сбраживания на биогазовой установке, использующей в качестве субстрата отходы со свинокомплекса.

Abstract. In this article considers the development of a comprehensive technology for biogas production with the help of anaerobic digestion on a biogas plant using waste from the pig complex as a substrate.

Ключевые слова: отходы; биогаз; совместное сбраживание; биогазовая установка, газопоршневой двигатель.

Keywords: waste; biogas; co-digestion; biogas plant, gas reciprocating engine.

Задачей современной энергетики является обеспечение надежного и долгосрочного энергоснабжения при одновременном сохранении ископаемых топливных ресурсов и защите окружающей среды. Для этого необходим экономный подход к использованию существующих энергоресурсов и переход на возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Анализ, проведённый EREC (European Renewable Energy Council) доказывает, что вклад ВИЭ в конечное энергопотребление в ЕС согласно прогнозу «RE-Thinking 2050» будет значительным (рис. 1) [1, с.12].

Рисунок 1. Прогноз EREC «RE-Thinking 2050»

Биогаз – газовая смесь, которая содержит 40-70% метана, 30-60% двуокиси углерода и малых концентраций соединений серы. Биогаз является ценным, возобновляемым источником энергии, который используется для производства тепла и электроэнергии. Биогаз образуется, когда органический материал разлагается с помощью микроорганизмов в анаэробных условиях.

Использование биогазовых технологий для получения энергии имеет следующие преимущества: способность к накоплению энергии для использования ее в любое время, возобновляемость, относительная дешевизна и экологическая безопасность, короткий срок проектирования и строительства биогазовых установок, повышение надежности энергоснабжения, повышение эффективности использования топлива и утилизация отходов [2].

Наибольшую часть всех отходов сельского хозяйства производит животноводство. Размещение отходов сельского хозяйства приводит к загрязнению почв патогенами, антибиотиками и др. опасными веществами. Хранение отходов с/х сопровождается выделением парниковых газов, в частности метана [3].

Переработка сельскохозяйственных отходов на биогазовых установках (БГУ) позволяет обеспечить хозяйство биогазом и высокоэффективными органическими биоудобрениями, применение которых повышает продуктивность почвы [4, с.45].

Для промышленного производства требуется разработка комплексной технологии, включающей в себя такие компоненты, как накопитель биомассы, ферментатор, в котором происходит сбраживание, и резервуар для биогаза с системой очистки. Биологическое разложение массы, которая находится во влажной среде, осуществляется при температуре от 35 °С до 40 °С. При анаэробном брожении происходит многоступенчатый процесс преобразования органических веществ из высокомолекулярных соединений в низкомолекулярные, которые можно растворить в воде.

Целью работы является строительство БГУ для ТЭЦ на базе газопоршневых двигателей. В качестве сырья для БГУ использовались отходы со свинофермы. В работе для расчета биогазовой установки прежде всего были определены: суточный выход биомассы, температура брожения; продолжительность брожения; режим работы метантенка; перемешивание биомассы; технология загрузки биомассы и её подогрев.

В работе был выбран мезофильный процесс брожения, таким образом необходимо удерживать температуру в метантенке +37^оС, допустимые изменения температуры составляют ±1^оС. Продолжительность процесса брожения – 15 суток. Способ подачи биомассы – установкой закрытого типа с дозированной подачей, подогрев биомассы осуществляется водяным теплообменником, расположенным внутри метантенка, трубы которого выполнены из металла.

За основу была взята технологическая схема работы БГУ, представленная на рисунке 2. Установка состоит из вертикально расположенной емкости из железобетона, имеет два открытых резервуара для хранения остатков переброженной массы, выполненных в виде прямоугольных баков из железобетона. Все твердые компоненты взвешиваются в дозаторе. Сыпучий материал поступает через две расположенные в продольном направлении резервуара дробилки в смонтированный также в продольном направлении и по горизонтали шнек. Смесь субстрата подается в ферментер по наклонному шнековому транспортеру и уплотнительному шнеку шесть раз в день. Свиной навоз закачивается в ферментер два раза в день из емкости для гидросмеси с помощью погружного центробежного электронасоса. Для перемешивания массы в ферментере используется перемешивающее устройство с удлиненными осями, а также перемешивающее устройство с погружным двигателем. Нагрев субстрата производиться с помощью теплообменника, в котором циркулирует горячая вода (без смешивания с органическим материалом).

Рисунок 2. Технологическая схема работы БГУ

Теплообменник распложен внутри реактора, выполненный из металла. Для промежуточного хранения вырабатываемого биогаза в ферментере служит пространство под воздухоопорным двойным пленочным покрытием. Накопление газа в достаточном объеме в газохранилище обеспечит непрерывную подачу топлива, что необходимо для бесперебойной работы двигателя [5, с.22].

Качество биогаза и подготовка топливного газа не зависит от используемого исходного сырья и от скорости процесса. При подборе газового двигателя необходимо чтобы качество биогаза удовлетворяло требованиям (рис. 3), так как биогаз содержит такие вредные компоненты, как сера, аммиак, иногда кремний, а также их соединения, которые могут стать причиной износа и коррозии двигателей внутреннего сгорания, их содержание в газе не должно превышать установленных норм. Таким образом, для удаления серы из топливного газа (обессеривание) используется биологическая очистка. При биологическойочистке в зону газа в ферментаторе подаетсявоздух. В результате окисления бактериямисероводорода отделяются сера и сульфат, которые удаляются с жидкими компонентами.

Рисунок 3. Характеристики топливных газов для газовых двигателей

Компания Deutz Power Systems (Германия) производит газопоршневые агрегаты с турбонаддувом, работающие на обедненной смеси в диапазоне мощности от 180 до 4000 кВт. Компания поставляет комплектные энергетические установки, работающие на биогазе. В ихсостав входят газопоршневой агрегат, котел-утилизатор, шумоглушитель, каталитическиегазонейтрализаторы, система очистки газа активированным углем и, если требуется, дополнительная система последующей очистки отработавших газов [6, с.18].

Ежедневно в ферментаторе по расчетам вырабатывается 2562 м³ биогаза. На мини ТЭЦ в качестве привода используется двигатель TBG616V16 K, электрическая мощность которого составляет 294 кВт, тепловая –144 кВт. Удельная стоимость модуля на биогазе при данной электрической мощности будет составлять 700 евро/кВт эл., а затраты на техническое обслуживание – 1,1 цент/кВт ч.

Получаемое тепло используется для обеспечения технологического процесса в ферментере, а также для нужд хозяйства.

Величина удельных капитальных вложений получена на основании статистики БГУ, построенных за рубежом и составляет 40 тыс. руб./м³раб. об.

Использование отходов со свиноферм является комплексным решением ряда проблем, таких как утилизация навоза, производство органических удобрений, снижение негативного воздействия на окружающую среду, развитие рынка экологически чистой продукции сельского хозяйства и повышение его конкурентоспособности, а также решит проблему занятости населения в сельских районах.