CC BY
29
УДК 631.223.6.018:628.385+576.85
О ПЕРСПЕКТИВАХ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ ПЕРЕРАБОТКИ НАВОЗА В АНАЭРОБНЫХ УСЛОВИЯХ
Н.Г. Ковалев, академик РАН, директор
Всероссийский НИИ сельскохозяйственного использования мелиорированных земель
E-mail: vniimz@mail.ru
П.И. Гриднев, доктор технических наук
Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства E-mail: vniimzh@mail.ru
Представлена структура энергетических затрат технологии переработки навоза в анаэробных условиях. Рассмотрен расчёт выхода биогаза на примере свиноводческой фермы на 34 тыс. голов. Указаны основные недостатки эксплуатируемых установок по производству биогаза.
Ключевые слова: исходный и сброженный продукты, биологический и природный газ, рентабельность.
Из большого перечня всевозможных технологий подготовки навоза к использованию как у нас в стране, так и за рубежом, наибольшие сложности возникают при обосновании целесообразности применения технологий анаэробного сбраживания. Общеизвестно, что после сбраживания удобрительные свойства навоза улучшаются, выделяющийся в процессе сбраживания биологический газ можно использовать для производства теплоты или электроэнергии. Интенсивность распада беззольного вещества сбраживаемого продукта зависит от большого числа изменяющихся факторов. В целом процесс весьма чувствителен к физико-химическим характеристикам исходного продукта, обладает высокой энергоемкостью, требует высоких капитальных затрат в строительство сооружений и приобретение технических средств [1].
Всё это необходимо учитывать при обосновании целесообразности применения технологий анаэробного сбраживания в условиях конкретного объекта.
Применительно к условиям Советского Союза первые технологии переработки навоза в анаэробных условиях были созданы в Запорожском и Тбилисском филиалах ВИ-ЭСХа. Затем подобные технологии были созданы в Белоруссии, Украине, Молдавии, Эстонии, Свердловской и Московской областях [1].
В последние годы в России активизировались работы по внедрению технологий анаэробного сбраживания (в Белгородской и Владимирской областях), разработанных западными специалистами. Таким образом, сельские товаропроизводители стремятся расширить использование энергоресурсосберегающих технологий в рамках национального проекта «Развитие АПК», в соответствии с которым доля выработки электроэнергии от возобновляемых источников энергии в РФ к 2020 году должна увеличиться с 1% до 4,5%. Получение биогаза в процессе переработки органических отходов в анаэробных условиях следует отнести к числу альтернативных источников энергии. Лидерами в этом направлении являются страны ЕС: Германия, Швеция, Дания, Великобритания, Австрия, Финляндия. В настоящий момент в Германии насчитывается около 2000 больших установок анаэробного сбраживания, в Австрии - 120 установок с объемом более 2000 м3 каждая, в Дании, где введен налог на топочный мазут, получили широкое распространение большие биогазовые установки с централизованным обслуживанием квалифицированными специалистами.
Механизация, автоматизация и машинные технологии в животноводстве
В развивающихся странах доля энергии, получаемой из биомассы, составляет 30-40% всей потребляемой энергии. Так, в сельских районах Китая в настоящее время более 50 млн человек пользуются биогазом в качестве топлива. Типичная биогазовая установка имеет объем реактора около 8 м3, производит 300 м биогаза в год и стоит около 250 долларов США [2, 3, 4, 5].
Анализ опыта эксплуатации как отечественных, так и зарубежных действующих технологий переработки органических отходов в анаэробных условиях показал, что по номенклатуре выполняемых процессов они мало чем отличаются друг от друга. Принципиальными отличительными особенностями технологий являются: система обеспечения оптимальных условий жизнедеятельности метанобразующих бактерий, температурный режим сбраживания и способ его поддержания, подготовка исходной массы для сбраживания, метод контроля и управления условиями протекания процесса, система утилизации сброженной массы и образующегося биологического газа. Отечественными и зарубежными исследованиями установлено, что с целью интенсификации процесса распада беззольного вещества в камере сбраживания необходимо обеспечить равномерное температурное поле и сохранение концентрации анаэробных бактерий, а также исключить возможность расслоения сбраживаемой массы и резких колебаний давления. Для повышения производства биологического газа в сбраживаемый навоз нередко добавляют другие компоненты в виде зерна, жома, силоса, боенских отходов и т.д. [3, 7, 8]. К сожалению, по литературным данным невозможно объективно оценить изменение стоимости применяемого при этом технологического оборудования и качества получаемого органического удобрения.
В качестве примера выполнен расчет выхода биогаза и возможного производства электроэнергии применительно к свиноводческому комплексу на 34 тыс. свиней Бай-цуры в Белгородской области. Технология и оборудование поставлены фирмой «Маха» (Германия). На данном объекте ежесуточно
перерабатывают 100 т свиного навоза влажностью 94% и 20 т силоса. Содержание беззольного вещества в суточной дозе загрузки составляет 9,5 т. В зависимости от достигаемой степени распада беззольного вещества от 20 до 40% суточный выход биогаза соответственно составит от 1900 до 3800 м с теплотворной способностью от 10,45 до 20,9 Гкал. Принимая, что 1 кВт-ч равен 860 ккал, получим, что суточный объем биогаза составит в эквиваленте от12,15 до 24,30 МВтч.
Расход теплоты на процесс переработки органических отходов в анаэробных условиях при термофильном режиме с учётом КПД нагревательных установок, изменяющихся от 0,8 до 0,5, и потерями в окружающую среду, составляющими от 5 до 20% (0), в суммарном эквиваленте составят от 4,7 (при разности температур Д1 = 300С, КПД = 0,8 и 0 = 5%) до 14,4 МВтч (при Д1 = 500С, КПД = 0,5 и 0 = 20%).
При этом производство товарного биогаза возможно только при условии достижения степени распада беззольного вещества более 25%. Из общего выхода биогаза в качестве товарного может быть использовано в среднем по году не более 40% или 6,47 Гкал (при степени распада беззольного вещества 40%, Д1 = 300С, КПД = 0,8 и 0 = 5%). При КПД генерирующих установок 0,5 возможная выработка электроэнергии составит до 5,3 МВтч. Из этого количества электроэнергии примерно 1,0 МВтч будет использован на собственные нужды (привод насосов, измельчителя, перемешивающих устройств и т.д.), остается на реализацию 4,3 МВтч. Годовой выход товарной электроэнергии составит 1569,5 МВтч. При стоимости строительной части 150 млн руб. и технологического оборудования - 50% от этой суммы, ежегодные эксплуатационные затраты, включая амортизационные отчисления, зарплату обслуживающего персонала, содержание лаборатории, приобретение материалов и т. д., составят не менее 54 млн руб. Если все эти затраты отнести на товарную электроэнергию, то ее себестоимость составит 34,7 руб/кВт ч, что достаточно хорошо коррелируется с результатами исследований ученых Дании [6].
Journal of VNHMZH №3-2014
27
Анализ выполненных расчетов, отечественного и зарубежного опыта эксплуатации систем переработки органических отходов в анаэробных условиях позволяет сделать следующие выводы:
- применительно к условиям с.-х. производства основным сырьем для переработки может быть навоз животных;
- собственником технологий переработки органических отходов в анаэробных условиях должен быть владелец животноводческого предприятия;
- предприятию необходимо иметь земельные угодья для утилизации сброженного навоза [3,10].
При привязке проекта переработки органических отходов в анаэробных условиях необходим строгий контроль за:
- кислотностью перерабатываемой смеси при использовании свекловичного жома и кукурузного силоса в качестве дополнительного сырья;
- объемом перерабатываемого сырья, стабильностью сбыта произведенных удобрений;
- максимально полным использованием побочных продуктов деятельности биогазовой установки (теплоты, электроэнергии, углекислого газа);
- удобством расположения установки относительно источников сырья и мест утилизации готовой продукции.
Только в этом случае проект наилучшим образом впишется в социально-экономическую и экологическую среду района, избежит участи объектов, построенных в Струнино Владимирской области и предпринимателем Ореховым в Белгороде. Оба эти проекта не могут выйти на проектные показатели в основном из-за нерешенности вопроса утилизации производимых органических удобрений.
Инвестиции в биогазовые установки относятся к долгосрочным капиталовложениям. Во всем мире строительство их осуществляется с использованием государственных дотаций в размере до 50% от сметной стоимости. Использование биологического газа для производственных целей возможно
только после предварительной очистки его до состава, близкого к природному газу. Приемлемая рентабельность данного процесса достигается лишь при больших объемах установок, производящих более 250 м3/ч биологического газа.
Недостатком подавляющего большинства эксплуатируемых в настоящее время биогазовых установок различного типа является то, что у них поддержание заданного температурного режима обеспечивается за счет высокого расхода высоколиквидных видов топлива. Основная причина этого кроется в отсутствии систем утилизации теплоты сброженного материала и низкого КПД систем нагрева исходного материала. Кроме того, для условий России в зимние периоды года увеличиваются потери теплоты в окружающую среду через ограждающие поверхности камер сбраживания, усложняется работа систем транспортирования исходного и сброженного материалов.
Литература:
1. Гриднев П.И. Механико-технологическое обоснование эффективного функционирования технических систем подготовки навоза к использованию: автореф. дис. д. т. н. М., 1997. 42 с.
2. Биогаз. Биогазовые установки. URL: http://www. allbest.ru (дата обращения: 07.02.2014)
3. Лукьянов А. Биогаз и биогазовые станции. Анализ и реализованные проекты. URL: http://portal-energo. ru
4. Биогазовые станции. URL: http://112s.ru/articles/68
5. Посещение биогазовых установок Дании 21-26.02. 2004. URL: http://Esco-ecosys.ru
6. Trunk W., Zeddies J. Ökonomische Beurteilung von S chadgasemission bei der Milcherzeugung // Agrarwirt-schaft 45. 1996. Heft 2.
7. Процесс производства биогаза, его достоинства и недостатки. URL: http://...otherreferats.allbest.ru
8. Биогаз. Индивидуальная биогазовая установка. URL: http://miragro.com/biogaz-individualnaya-bioga-zovaya-ustanovka.httml (дата обращения: 09.02.2014)
The structure of energy consumption in the refining technology of manure under anaerobic conditions. Considered biogas yield calculation on the example of the pig farm for 34 thousand. Identifies the main shortcomings of installations operated.
Keywords: source and fermented products, biogas, profitability.
