CC BY
29ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ
УДК 620.95
БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ "ЭкоВольтАгро" ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ
В.В. Бухмиров1, Н.Ф. Кокарев2, A.B. Садчиков3
1 ФГБОУ ВО «Ивановский Государственный Энергетический Университет имени В.И. Ленина»
2 ООО «Комплексные системы утилизации», г. Оренбург 3 ФГБОУ ВО «Оренбургский Государственный Университет»
Аннотация. Описан процесс переработки отходов на биоэнергетической станции "ЭкоВольтАгро". Представлены основные элементы технологической схемы станции. Предложены методы повышения энергетической эффективности и экологической безопасности процессов переработки отходов на крупных объектах их размещения и хранения. Показана возможность их осуществления за счет применения технологий на основе метанового эффлюента. Показано, что эффект от применения способов комбинированной ферментации, получен на основе применения препаратов на основе метанового эффлюента для обработки нескольких групп различных по морфологическому составу субстратов и анализе их состава и состава образующихся при этом газовых смесей. Во всех случаях отмечен рост объемной доли метановой составляющей уже на 10-й+14-й день после первого внесения препаратов.. Рассмотрены технические решения, которые позволяют реализовать двухступенчатую ферментацию в одном резервуаре и вследствие этого на 37% увеличить выход биогаза с повышенной долей метана, достигающей 84%о по объему.
Ключевые слова: биогаз, биометан, биоэнергетическая станция, метановый эффлюент, энергосбережение.
Введение. В настоящее время энергетическая отрасль из всех видов антропогенной деятельности вносит наиболее весомый вклад в экологическую нагрузку на основные элементы экосистемы. Наиболее эффективным способом снижения негативного влияния энергетики на окружающую среду является использование экологически чистых технологий извлечения энергии из возобновляемых источников и утилизации отходов жизнедеятельности человека.
Биоэнергетическая станция "ЭкоВольтАгро" построена на территории села Нижняя Павловка Оренбургского района Оренбургской области (рис.1).
Биоэнергетическая станция предназначена для переработки органических отходов различного типа (некачественные продукты питания, отработанные технические масла, отходы жизнедеятельности крупного рогатого скота и птицы и т.п.) и получения биогаза, электрической и тепловой энергии, а также микробиологических продуктов серии "МИКС+", широко используемых для восстановления биопродукционной способности естественных и искусственных ландшафтов [1].
Рисунок 1 - Общий вид производственной площадки биоэнергетической станции "ЭкоВольтАгро", Оренбургская область
Биоэнергетическая станция построена по блочно-модульному принципу и состоит из нескольких технологических блоков (рис. 2).
Нйво:| КРС Растительная масса
I ![!:";■ Ч И О ОТХОДА
Блок приемных резервуаров
О
Блок падююики загрузочного субстрата
О
о
Блок кшенерации
о
ВИР МНАН Г '')
О
Биометановая АГМКС
о
]ф
Ьлок очистки от Н}$ и влаги
Реактор
Блок сепарации
О
О
ЭФФЛЮ6НТ
о 10!
Блок
комплексной
подготовки биометана
10
А
Ьлок сушки )
МЬ препараты серии "МИКСГ
Рисунок 2 - Функциональная схема биоэнергетической станции "ЭкоВольтАгро"
- направление движения потоков биомассы (отходы, загрузочный субстрат, инфлюент, эффлюент, конечные продукты;
- направление движения потоков энергоресурсов (биогаз, тепловая и электрическая энергия, заправочный биометан)
Биоэнергетическая станция "ЭкоВольтАгро" представляет собой уникальный проект, сочетающий в себе достижения в области переработки отходов, производства энергоресурсов и ценных биогенных продуктов.
Загрузка органических отходов производится в блоке приемных резервуаров механически через металлическую решетку. При этом максимальный размер исходных частиц не должен превышать 3 см. Влажность загрузочной массы необходимо довести до 91% в теплое и до 85% в холодное время года. Разбавленные водой отходы поступают в блок подготовки загрузочного субстрата, в котором происходит его окончательная подготовка и рецептура (гомогенизация, внесение регулирующих примесей и пр.).
Подготовленный инфлюент поступает реактор - метантенк, в котором в результате анаэробного сбраживания образуется биогаз и эффлюент.
Выделяющийся биогаз поступает в блок очистки от сероводорода и влаги. Осушенный и очищенный биогаз поступает в блок когенерации, в котором происходит выработка тепловой и электрической энергии в газопоршневой когенерационной установке. Оставшаяся часть биогаза поступает в блок комплексной подготовки биометана. В этом блоке происходит отделение С02 и остаточной влаги и повышение содержания метана в газе до 96%. Полученный таким образом биометан может быть использован в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания.
В блоке сепарации отработанный субстрат (эффлюент) разделяется на жидкую (фугат) и твердую (шлам) фракции в прессо-шнековом сепараторе. На основе фугата и шлама на биоэнергетической станции "ЭкоВольтАгро" производят высококачественные микробиологические препараты серии "МИКС+".
В генераторной происходит выработка электрической энергии и тепла из биогаза с помощью газо-поршневого электрического генератора марки АК8А (рис.3), который менее требователен к качеству исходного горючего газа, по сравнению с микротурбинными аналогами.
Рисунок 3 - Газо-поршневой электрический генератор типа ЛК8Л
В блоке обработки отходов производится предварительная подготовка высокобелковых отходов, в том числе отходов бойни. Перед подачей в реактор после сортировки отходы измельчаются (рис. 4, а,б), а в смесителе-запарнике СЗК-0,8-0,1 производится термическая обработка биологических отходов при температуре до 240 °С (рис.5в).
а) б) в)
Рисунок 5 - Блок обработки отходов
В непосредственной близости от реактора, приемных и сливных резервуаров расположен блок управления технологическими процессами, в котором находится центральный пульт управления.
Для поддержания температуры воды в рубашке реактора используется водогрейный котел РгоШегш 40 РЬО, работающий на биогазе. Технические характеристики котла приведены в таблице 1. Котел расположен в блоке управления технологическими процессами.
Таблица 1 - Технические характеристики котла Protherm 40 PLO
Мощность котла (природный газ) 24.5 / 35 кВт
Мощность котла (биогаз) 18,5 / 24,75 кВт
Регулирование Объем воды в котле Две ступени мощности 14.1 литра
Приблизительный расход природного газа 3.2 - 4.1 куб.м в час
Площадь отопления до 350 кв.м
Подключение воды прямая линия 1"
Подключение воды обр. линия 1"
Подключение газа 3 / 4
Высота 880 мм
Ширина 505 мм
Глубина 600 мм
Вес котла без воды 130 кг
Использование насадки Полутурбо PT40
Диаметр дымохода 150 мм
Приблизительный расход биогаза 3.2 - 3.9 куб.м в час
В этом же блоке управления изготавливают микробиологические препараты серии "МИКС+", получаемые на основе метанового эффлюента (рис. 6). _
а) б) в)
Рисунок 6 - Синтез микробиологических препаратов серии "МИКС+"
а - блок реакторов "МИКС+"; б,в - контрольно-индикаторные колбы
В приемном резервуаре отходов КРС (рис. 7) происходит измельчение и разбавление навоза КРС. Затем полученный субстрат перекачивается камеру гомогенизации.
Рисунок 7 - Приемный резервуар отходов КРС Из камеры гомогенизации загрузочный субстрат подается в реактор метаногенеза (рис. 8).
Рисунок 8 - Реактор метаногенеза В реакторе происходит анаэробное дигерирование отходов, в результате которого образуется биогаз и метановый эффлюент. Из реактора метановый эффлюент попадает в сливной резервуар, который расположен между приемными резервуарами, что позволяет использовать тепло эффлюента с температурой 35°С для подогрева загрузочного субстрата. Разделение метанового эффлюента на жидкую и сухую фракции происходит в шнековом сепараторе (рис. 9, а).
После
а) б)
Рисунок 9 - Получение сухой фракции а) - шнековый сепаратор; б) сушильная установка сепарации жидкая фракция метанового эффлюента
(фугат) поступает в сливной резервуар. Сушильная установка барабанного типа, работающая на биогазе, предназначена для просушивания твердой фракции эффлюента до получения сухого шлама (рис. 9, б).
Образующийся в реакторе биогаз после отделения сероводорода и влаги в блоке очистки поступает в газгольдер, из которого направляется в систему газоснабжения всей станции. Часть биогаза используют для удовлетворения собственных нужд, а излишки биогаза направляют на изготовление биометана. В данном блоке находится биометановая автомобильная газонаполнительная компрессорная станция, предназначенная для заправки автотранспорта биометаном. Биометан по содержанию метана (96%) не уступает природному газу и может быть использован как для заправки автотранспорта, так и в качестве сырья для других технологических процессов.
Применение метанового эффлюента как продукта, образующегося в процессе производства биогаза, возможно в различных производственных системах, однако наибольший эффект достигается в агропромышленных комплексах, в которых осуществляется полный экологический цикл. По производимым объемам товарной продукции биогазовых станций на первом месте выступает эффлюент, объемная производительность которого определяется объемной загрузкой перерабатываемого субстрата, при этом уникальное сочетание его микробиологического и микроэлементного состава позволяет получать на его основе ценные биогенные продукты [2]. Так, например, самые высокие показатели по СН4 (до 84,5% метана в неочищенном биогазе!) наблюдались в случае предварительной обработки загрузочных компонентов эффлюентом, либо препаратами на его основе. Это дало основание предположить возможность использования биопрепаратов на основе метанового эффлюента для обработки отходов на крупных объектах их концентрации (полигонах ТКО, пометохранилищах, амбарах и пр.) с целью повышения метаноотдачи и улучшения экологической безопасности [3,4,5].
Принципиальная новизна технических решений, используемых на биоэнергетической станции "ЭкоВольтАгро", в основном отражена в [6-11]. Отличительными особенностями разработанных технологий являются:
- сочетание принципов сухой и влажной ферментации отходов (продукты обработки образуются в процессе влажной ферментации в анаэробных условиях, обработка субстратов на крупных объектах происходит в условиях сухой ферментации);
- получение высококалорийного биогаза (72-84% метана) за
счет использования предварительной обработки метановым эффлюентом субстратов с быстрым расщеплением;
- сокращение энергетических затрат на собственные нужды процесса переработки;
- повышение производительности установки по биогазу за счет использования способа двухступенчатого анаэробного сбраживания, реализованного в двухкамерном метантенке с сепаратором летучих жирных кислот;
- возможность получения положительных результатов на крупных объектах концентрации в кратчайшие сроки, в том числе в холодный период года.
Ниже приведены некоторые результаты работы
биоэнергетической станции "ЭкоВольтАгро" за период с июля 2011г. по октябрь 2017г:
- Переработано навоза КРС, т: 1781
- Переработано птичьего помета, т: 14820
- Выработано биогаза, тыс.м3: 127,568
- Сгенерировано электроэнергии, тыс.кВт*ч: 246,82
- Выработано тепла, ГДж: 2,178
- Произведено сжатого автомобильного биометана, тыс.м3: 16,822
- Произведено жидких удобрений, тыс.л: 278,26
- Произведено сыпучих удобрений, тыс.л: 72,348
- Переведено на использование биометана автомобилей, шт : 2
- Сокращена эмиссия метана в атмосферу, тыс.м3: 141,514
Выводы.
1. Эффект от применения способов комбинированной ферментации, описанных в [6-9], получен на основе применения препаратов на основе метанового эффлюента для обработки нескольких групп различных по морфологическому составу субстратов и анализе их состава и состава образующихся при этом газовых смесей. Во всех случаях отмечен рост объемной доли метановой составляющей уже на 10-ЙН4-Й день после первого внесения препаратов.
2. Технические решения, предложенные в [10,11], позволяют реализовать двухступенчатую ферментацию в одном резервуаре и вследствие этого на 37% увеличить выход биогаза с повышенной долей метана, достигающей 84% по объему.
Список использованных источников:
1. Садчиков A.B., Кокарев Н.Ф. / Биогазовые станции как экологически безопасное средство для повышения биопродукционной способности естественных и культурных ландшафтов // Успехи
современного естествознания. - 2016. - № 4. - С. 173-177.
2. Садчиков A.B. / Повышение энергетической эффективности биогазовых установок // Фундаментальные исследования. - 2016. - № 10 (часть 1). - С. 83-87.
3. Садчиков A.B., Кокарев Н.Ф., Соколов В.Ю., Наумов CA. / Обеспечение энергетической независимости и экологической безопасности полигонов ТКО // Альтернативная энергетика и экология. - 2016. - № 15-18 (203-206). - С. 104-111.
4. Садчиков А.В, Кокарев Н.Ф., Идигенов Б.Б. / Применение субстратов с быстрым расщеплением для повышения метаноотдачи биогазовых установок с комбинированной загрузкой // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 6.
5. Садчиков А.В, Идигенов Б.Б. / Повышение эффективности работы биогазовых установок с комбинированной загрузкой путем добавления в качестве компонента предварительно дигерированного птичьего помета // «Приволжский научный вестник», № 5 (33) - 2014. -с. 58-60; ISSN 2223-5213
6. Патент РФ № 2515038 МПК C05F 3/00 (2006.01). Способ подготовки птичьего помета для анаэробного сбраживания. / Кокарев Н.Ф., Садчиков A.B., Никоноров И.Н., Идигенов А.Б. // Опубликовано: 10.05.2014 Бюл. № 13
7. Патент РФ № 2525251 МПК A01C 3/00 (2006.01) C05F 3/00 (2006.01). Способ микробиологической переработки птичьего помета. / Кокарев Н.Ф., Садчиков A.B., Идигенов А.Б., Никоноров И.Н., Идигенов Б.Б. // Опубликовано: 10.08.2014 Бюл. № 22
8. Патент РФ № 2563377 МПК C05F3/00 (2006.01). Способ предварительной подготовки птичьего помета для последующего его использования в составе многокомпонентного загрузочного сырья однокамерной биогазовой установки (бгу). / Садчиков A.B., Идигенов Б.Б., Кокарев Н.Ф., Никоноров И.Н., Идигенов А.Б. // Опубликовано 20.09.2015. Бюл. № 26
9. Патент РФ № 2555143 МПК B09B1/00 (2006.01). Способ повышения эффективности полигонов ТБО. / Садчиков A.B., Кокарев Н.Ф., Никоноров И.Н., Идигенов А.Б. // Опубликовано 10.07.2015. Бюл. № 19
10. Садчиков A.B., Соколов В.Ю., Никоноров И.Н. Способ двухступенчатого анаэробного сбраживания органических отходов. — Патент РФ № 2349556: МПК C02F11/04 A01C3/00 C02F103/20. - заявл 13.06.2007; опубл. 20.03.2009.
11. Соколов В.Ю., Наумов С.А., Садчиков A.B., Горячев С.В., Никоноров И.Н., Идигенов А.Б., Котова М.С. Метантенк. — Патент РФ № 2462509: МПК C12M1/00 A01C3/00 C02F11/04. - заявл.
15.07.2011; опубл. 27.09.2012
Бухмиров Вячеслав Викторович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой Теоретических основ теплотехники ФГБОУ ВО «Ивановский Государственный Энергетический Университет имени В.И. Ленина», г. Иваново; Кокарев Николай Федорович, директор ООО «Комплексные
системы утилизации», г. Оренбург; Садчиков Алексей Викторович, кандидат технических наук, доцент кафедры электро и теплоэнергетики ФГБОУ ВО «Оренбургский Государственный Университет», г. Оренбург.
BIOENERGY STATION "EcoVoltAgro" FOR ORGANIC WASTE PROCESSING
Bukhmirov V.V., Kokarev N.F., Sadchikov A.V.3
Abstract. The process of waste processing at the bioenergy station "EcoVoltAgro" is described. The main elements of the technological scheme of the station are presented. Methods for improving energy efficiency and environmental safety of waste processing processes at large concentration sites based on methane effluent are proposed. The possibility of their implementation through the use of technologies based on methane effluent is shown. It is shown that the effect of the use of methods of combined fermentation, obtained on the basis of the use of drugs based on methane effluent for the treatment of several groups of different morphological composition of substrates and analysis of their composition and the composition of the resulting gas mixtures. In all cases, the increase in the volume fraction of the methane component has been observed on the 10th-14th day after the first administration of drugs. Technical solutions are considered, which allow to realize two-stage fermentation in one tank and as a result to increase the output of biogas by 37% with an increased proportion of methane, reaching 84% in volume.
Key words: biogas, biomethane, bioenergetic station, methane effluent, energy saving
Vyacheslav V. Bukhmirov, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of Theoretical Heat Engineering, FSBEI HE "Ivanovo State Power University named after V.I. Lenin ", Kokarev Nikolai Fedorovich, Director of LLC "Integrated Recycling Systems ", Orenburg, Sadchikov Alexey Viktorovich, Candidate of Technical Science., Associate Professor of the Department of Electric and Heat Power Engineering, FSBEI HE Orenburg State University, Orenburg
