CC BY
91
Список литературы /References
1. Ходжаева Д.Ф., Алиева М.Х., Шарапова Н.А. Достоинства и недостатки разработки искусственного интеллекта. «Достижения науки и образования». № 4 (76), 2021.
2. Ходжаева Д.Ф., Алиева М.Х., Курбанова Ш.М. Роль искусственного интеллекта в производстве. «Наука, техника и образование». № 4 (79), 2021.
ОБЗОР РАЗВИТИЯ БИОГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ВНЕДРЕНИЯ БИОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК (БГУ) В КАЗАХСТАНЕ
Сайлауов Д.М. Email: [email protected]
Сайлауов Дархан Максатович - магистрант технических наук, кафедра технологического оборудования и машиностроения, инженерно-технологический факультет,
Университет им. Шакарима, г. Семей, Восточно-Казахстанская область, Республика Казахстан
Аннотация: в данной статье сделан обзор внедрения биогазовых технологий за рубежом и в Казахстане, опыта развитых стран в биогазовой индустрии, развития и перспектив внедрения биогазовых установок в РК для экологичной и выгодной переработки органических отходов сельского хозяйства, пищевых производств, перерабатывающих предприятий, канализационных и бытовых отходов.
Ключевые слова: биомасса, биогаз, биогазовая установка, биоудобрение, анаэробное метановое брожение.
OVERVIEW OF THE DEVELOPMENT OF THE BIOGAS INDUSTRY AND PROSPECTS FOR THE INTRODUCTION OF BIOGAS PLANTS
(BGP) IN KAZAKHSTAN Sailauov D.M.
Sailauov Darkhan Makhsatovich - Master's Student of Technical Sciences, DEPARTMENT OF TECHNOLOGICAL EQUIPMENT AND MECHANICAL ENGINEERING, FACULTY OF ENGINEERING AND TECHNOLOGY, SHAKARIM UNIVERSITY, SEMEY, EAST-KAZAKHSTAN REGION, REPUBLIC OF KAZAKHSTAN
Abstract: this article provides an overview of the introduction of biogas technologies abroad and in Kazakhstan, the experience of developed countries in the biogas industry, the development and prospects of introducing biogas plants in the Republic of Kazakhstan for the environmentally friendly and profitable processing of organic waste for agriculture, food production, processing enterprises, for sewage and household waste.
Keywords: biomass, biogas, biogas plant, biofertilizer, anaerobic methane fermentation.
УДК 620.92
Введение. Как известно, загрязнение окружающей среды в глобальном масштабе приняло угрожающие размеры, в связи с чем многие страны под давлением общественности, экологических организаций ведут борьбу с вредными выбросами, с экологически рискованными и грязными производствами. В 2018 году доля альтернативных возобновляемых источников энергии (без крупных ГЭС) соста-вила 8,4 % в мировой генерации электричества. За первую половину 2019 года в Германии возобновляемые источники энергии (ВИЭ) впервые выработали больше энергии, чем угольные и атомные
26
электростанции, причём доля электроэнергии, произведенной из энергии солнца, ветра,биомассы и воды, составила 47,3 % [1, 2, 3, 4].
Оценивать и сравнивать стоимость электричества, полученного различными способами, наиболее корректно с помощью показателя EROI (energy returned on energy invested) — отношения полученной энергии из источника к количеству энергии, зат-раченной на её получение. Например, EROI 20:1 для некоего вида топлива значит, что с каждого затраченного кВтч можно выработать 20 кВтч [5]. На недосягаемом олимпе эффективности безраздельно стоят гидроэлектростанции, чей EROI близок к 100:1. Для угольных и газовых электростанций EROI колеблется от 30:1 до 75:1. Для ВИЭ (кроме вышеуказанных гидроресурсов) показатели следующие: для ветровых электростанций EROI максимально доходит до 16:1, для гелиостанций максимально 3,8 : 1, что значительно меньше,чем традиционные виды энергии [5].
Одним из видов ВИЭ является биогаз (а в очищенном виде биометан), получае-мый анаэробным метановым брожением биомассы, в первую очередь органических отходов сельского хозяйства и перерабатывающих предприятий, канализационных и бытовых отходов, а также энергетических культур и водорослей.
В сравнении с другими видами ВИЭ основные преимущества использования энергии биомассы метановым брожением (в отличие от солнечной и ветровой энергий) - это независимость от метеоусловий, т.е. непрерывность и стабильность в использовании энергии, высокий показатель EROI от 30:1 до 75:1 ( в зависимости от сырья, совершенства технологии, климатических условий, степени очистки биогаза и объёма биореактора). одновременный доход от получаемых биоудобрений и, кроме того, что особенно важно, одновременное решение главной экологической проблемы - проблемы отходов и загрязнения окружающей среды. Согласно исследованиям Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (FAO, Food and Agriculture Organization), сельскохозяйственный бизнес генерирует больше выбросов парниковых газов, чем транспорт. Производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу. Метан оказывает влияние на парниковый эффект в 21 раз более сильное, чем углекислый газ, и находится в атмосфере 12 лет. Захват метана - лучший краткосрочный способ предотвращения глобального потепления [1]. По прогнозам вклад биомассы как дополнительного источника энергии к 2020 году достигнет 23,5% от общего энергопотребления в мире [6].
Развитие и перспективы внедрения БГУ в Казахстане
Процесс внедрения БГУ в РК находится на начальном этапе своего развития. Одним из самых успешных проектов по выработке электроэнергии из органических отходов в Казахстане реализован в 7 км от села Когершин в Жамбылской области. Здесь на площади 30 га расположен свиноводческий комплекс. Суточная производительность биогаза составляет 5300 куб. м в сутки [11].
В пос. Восток Костанайской области (примерно 160 км от г. Костанай) на территории фермы впервые в истории Казахстана получен биогаз и электроэнергия в промышленных масштабах (дата запуска БГУ - 31.12.2009 г). Все оборудование для производства биогаза и электроэнергии было спроектировано и поставлено компанией «Зорг Биогаз Украина» (Украинское подразделение швейцарской инжиниринговой компании Zorg Biogas AG). Биогазовая станция, состоящая из 2-х реакторов по 2400 м3, выведена на полную производительность и вырабатывает 360 кВт электрической мощности. Ежегодно планируется из биогаза получать 3млн кВт* ч электроэнергии. Сырьем для станции служат 44 тонны твердого навоза крупного и мелкого скота, а также отходы зерновых. В животноводческим комплексе есть около пяти тысячи голов к.р.с. Одна корова ежегодно оставляет до 9 тонн навоза. Стоимость БГУ - 400 млн тенге [11].
В ВКО в селе Привольное на базе к/х «Багратион» работает БГУ, позволяющая перерабатывать 10 тонн навоза в сутки и производить 400 кубов биогаза [11].
В ноябре 2017 года в Шымкенте, состоялся запуск 1-й в Центральной Азии БГУ мощностью 0,5 МВт. В комплексе данной БГУ использованы новые технологии Чешской
27
компании HEDVIGA GROUP - производство тепловой и электрической энергии путем очистки сточных вод из очистных сооружений города и извлечения из него биогаза (300м3/в сутки). Общая стоимость проекта - 2 млрд 20 0млн тенге [12].
В 2018 году в селе Курминское Абайского района Карагандинской области птицефабрика запустила биогазовую станцию для переработки куриного помёта. Инвес-тиции составили 573 млн тенге, установлено современное европейское оборудование . Мощность - 8 800 000 кВт*ч электроэнергии, свыше 18 тысяч тонн биоудобрений в год. БГУ обслуживают 12 человек. Сегодня биогазовая станция вышла на 60% мощности, ежесуточно производится до 23 тыс. куб. м биогаза. По словам специали-стов, для производства 1 кВт уходит порядка 100 кг куриного помёта. Предприятие перерабатывает в сутки около 150 тонн птичьих отходов и производит из биогаза около 14 тыс. кВт*ч электроэнергии. Для сравнения, сама птицефабрика потребляет в месяц 350 тыс. кВт*ч. Предприятие надеется окупить вложения в биогазовую станцию за 4-5 лет [13].
В Северо-Казахстанской области ведется строительство БГУ для переработки до 40 тонн отходов птицефабрики в сутки с получением до 9500 м3/ сутки биогаза, электроэнергии мощностью 1 Мвт и биоудобрение. Оборудование поставлено российской компанией ООО «Агро Био Газ», стоимость строительства БГУ - 3 млн. долларов США. Проект профинансирован за счет частных инвестиций (совместный проект ТОО «Алекри» и ТОО «БиоТЕС») [14]. Аналогичный проект хотят реализовать на базе Усть-Каменогорской птицефабрики в ВКО [15].
Из действующих малых БГУ в РК необходимо упомянуть установки Самата Абенова (директор ИП «Абенов»). Изобретатель изготовил 4 опытно-промышленных образца. Процесс выработки биогаза на одной из установок ежедневным объемом 5м3 полностью автоматизирован. Биогаз используется предпринимателем для своих нужд, а биоудобрения реализовываются по выгодной цене крестьянским хозяйствам (пос. Енбекши Талгарского района, вблизи г. Алматы) [16]. Учёными из РФ предлагается и обосновывается проект использования мобильной БГУ на железнодорожном ходу в климатических условиях Казахстана [17].
Научными сотрудниками научной кафедры «Естествознания и инженерии» ГУ имени Шакарима г. Семей была спроектирована, а затем изготовлена на заводе ТОО «Металлист» (г. Семей, ВКО) и экспериментально успешно испытана промышленная комплексная биогазовая установка с ветроустановкой, автоматизированная, с общим объемом биореактора V=4,62 м3 (объем заполнения VзаПQПH=0,8V=3,7 м3) , с ежедневной переработкой 158,6 кг свежего коровьего навоза (или других органических отходов) после вхождения БГУ в режим (мезафильный, через 16 суток после первой загрузки) и с получением в сутки около 8м3 и более биогаза, после очистки в колонках и фильтрах (система очистки биогаза) около 5 м3 биометана (более 90% СН4). Данная БГУ защищена патентом РК №32805. Особо хочется отметить, что на перистальтический насос и рабочую трубку (особой конструкции) насоса получены патенты РК № 31872 и №33061, причём насос показал свою заметную энергоэффективность в ходе экспериментов в сравнении с зарубежными аналогами [18, 19, 20].
Как видно из обзора, крупные промышленные БГУ дорогостоящие и зарубежного производства, так как в Казахстане не изготавливают серийно БГУ, между тем численность скота и птицы в стране ежегодно увеличивается [21] , а стабильным источником биомассы являются отходы сельского хозяйства. Годовой выход отходов скота и птицы по сухому весу - 22,1 млн т, или 8,6 млрд м3 газа (к.р.с. - 13 млн т, овец - 6,2 млн т, лошадей - 1 млн т), растительных остатков - 17,7 млн.т (пшеницы - 12 млн.т, ячменя - 6 млн т, или 8,9 млрд м3), что эквивалентно 14 - 15 млн т условного топлива, или 12,4 млн т мазута, или более половины объёма добываемой нефти [22].
Необходимо отметить следующие основные особенности и предпосылки для развития биогазовой отрасли в Казахстане:
1. Казахстан занимает по площади второе место в СНГ и девятое в мире, при этом общая численность населения составляет 18,6 млн. человек (данные на 1 ноября 2019 года), средняя плотность населения одна из самых низких в мире - 6,82 человек на 1 км2, поэтому
28
проблем с земельными площадями для увеличения габаритов БГУ не по высоте, а в ширину и в длину для фермерских хозяйств нет.
2. Климат в РК резко континентальный, показатели средних температур в январе от -180С на севере до - 30С на юге, средняя температура июля от + 190С на севере до + 290С на юге. Максимально низкие температуры: до - 450С на севере, востоке и в центральной части, до - 300С на юге . Суточные перепады могут достигать 200С [17]. С точки зрения энергоэффективности выгоднее внедрять БГУ на юге (как и во всём мире), а на севере, востоке, в центральной части РК необходимо особое внимание уделить тщательной и основательной теплоизоляции биореакторов (метанотенков), по возможности следует располагать БГУ в помещениях или под землёй.
3. На юге Казахстана, в связи с бурным развитием тепличных хозяйств (выгодность из-за тёплого климата), с реализацией биоудобрений по выгодной цене нет проблем. Кроме того, на юге выгодно комбинировать БГУ с теплицами для фермерских хозяйств, а биогаз использовать для собственных нужд, поскольку проблематично его реализовывать при низкой цене природного газа (метана),за исключением не газифицированных районов.
4. В РК имеется промышленный потенциал для производства БГУ.
5. Сельскохозяйственные угодья Казахстана занимают 222,998 млн га [23]. Представленные данные показывают не только огромный потенциал биомассы, но и грандиозный потенциал для использования биоудобрений, учитывая в этом отношении вышеуказанную программу освоения засоленных почв Узбекистана.
6. РК является производителем (причём из собственных ресурсов) металлопродукции, строительных материалов (в т.ч. цемента, гравия, щебня, битума и т.п.), необходимых для изготовления БГУ и биогазового оборудования.
7. В РК (в частности в ВКО) разрабатываются залежи цеолитовых руд, с получением в том числе цеолита, ценного природного материала для очистки и осушки биогаза.
8. Анаэробная переработка навоза в четыре раза - по сравнению с несброженным навозом - увеличивает содержание аммонийного азота (20-40% азота переходит в аммонийную форму). Содержание усвояемого фосфора удваивается и составляет 50% общего фосфора. Кроме того, во время сбраживания полностью гибнут семена сорняков, которые всегда содержатся в навозе, уничтожаются микробные ассоциации, яйца гельминтов, нейтрализуется неприятный запах, т.е. достигается актуальный на сегодня экологический эффект [26].
Выводы:
1. В Казахстане есть все предпосылки и потенциал для развития биогазовой индустрии.
2. В РК перспективнее с точки зрения изготовления, энергоэффективности, надёжности, удобства эксплуатации, обслуживания, ремонта и низкой цены (относительно предлагаемой на рынке) внедрять БГУ собственных отечественных разработок из отечественных (местных) материалов с горизонтальными подземными бетонными либо стальными биореакторами с теплоизоляцией, с недорогими, долговечными и простыми в обслуживании указателя уровня субстрата в биореакторе, системой подогрева, вмонтированной в нижнюю часть бетонного корпуса (для бетонных) либо в виде тепловой рубашки (для стальных), с передвижными погружными мешалками из коррозионностойких материалов с герметичным исполнением привода, с полным комплектом отечественного технологического оборудования, включая измельчитель сырья, приемный бак со смесителем, насосы, контрольно-измерительные приборы и автоматику, электрооборудование, трубопроводную арматуру, соединительные трубы и шланги, гидрозатвор с водоуказателем, систему очистки биогаза, компрессор для закачки биогаза, газгольдер, в ценовом диапазоне от 280 долларов США за 1 м3 объёма биореактора БГУ объёмом от 250 м3 и выше, до 480 долларов США за 1 м3 объёма биореактора БГУ объёмом от 50 м3 и выше (для меньших объёмов БГУ дороже) для свободного преодоления конкуренции на рынке и быстрой окупаемости (не более 2 лет). Для многоступенчатых БГУ перспективно применение перистальтического насоса нашей разработки [19, 20] между ступенями, который показал свою энергоэффективность по
сравнению с зарубежными аналогами [25], для перекачки бродящего субстрата в щадящем режиме; данный насос удобен в обслуживании и недорог в изготовлении.
3. Необходимо внедрять в биогазовую отрасль РК биостимуляторы собственных отечественных разработок на основе натурального казахстанского сырья для увеличения выхода биометана и сокращения сроков метанового брожения.
4. Биоудобрения, полученные в результате метанового брожения, необходимо использовать для улучшения и повышения плодородия почв сельскохозяйственных земель, расширения тепличных хозяйств, для создания казахстанского рынка биоудобрений, необходимого для окупаемости в короткий срок внедряемых БГУ, а также для производства кормовых биодобавок.
Список литературы /References
1. Мибах Э., Елкина А. Германия бьет рекорды в «зеленой энергетике»: что за этим стоит // DW [Электронный ресурс], 2019. Режим доступа: https://www.dw.com/ru/ (дата обращения 10.11.2020).
2. Доля возобновляемых источников энергии в производстве электроэнергии // Enerdata, Статистический Ежегодник мировой энергетики-2019 [Электронный ресурс], 2019. Режим доступа: https://yearbook.enerdata.rurenewables/renewable-in-electritity-production-share.html/ (дата обращения 10.11.2020).
3. Рост возобновляемых источников энергии не остановить // Новости ООН. [Электронный ресурс], 2019. Режим доступа: https://news.un.org/ru/story/2019/08/1361871/ (дата обращения 10.11.2020).
4. Почему у «зелёной» энергетики сложное будущее? // Toshiba. [Электронный ресурс], 2019. Режим доступа: Toshiba.ru/ (дата обращения 10.11.2020).
5. Громова У. Биогаз - альтернативное топливо будущего // Твердые бытовые отходы [Электронный ресурс], 2012. Режим доступа: http://www.solidwaste.ru/publ/view/581.html/ (дата обращения 10.11.2020).
6. Курнакова Н.Ю., Католиченко Д.С., Сухарев О., Волхонский А.А. Анализ развития производства биоэнергетического топлива // Фундаментальные исследования, 2016. № 9 (часть 2). С. 268-272.
7. Залевский М. Biobolsa — биогазовые установки, которые обеспечили энергией более 3000 семей в Латинской Америке // Medium. [Электронный ресурс], 2012. Режим доступа: https://medium.eom/@rodovidme/ (дата обращения 10.11.2020).
8. Салихов П.Т. Перспективы развития биогазовых технологии в Узбекистане // unece. [Электронный ресурс], 2011. Режим доступа: https://www.unece.org/ (дата обращения 10.11.2020).
9. Где еще в Казахстане работают биогазовые установки // Inbusiness. [Электронный ресурс], 2019. Режим доступа: https://inbusiness.kz/ru/post/gde-eshe-v-kazahstane-rabotayut-biogazovye-ustanovki/ (дата обращения 10.11.2020).
10. Казахстан запустил первую в Центральной Азии биогазовую установку мощностью 0,5 МВт // Альтернативные источники энергии. [Электронный ресурс], 2017. Режим доступа: https://neftegaz.ru/ (дата обращения 10.11.2020).
11.Абдрахманов А. В Карагандинской области из куриного помёта получают свет // BaigeNews. [Электронный ресурс], 2018. Режим доступа: https://baigenews.kz/special/pyat_initsiativ_prezidenta/v_karagandinskoi_oblasti_iz_kurinogo_ pometa_poluchaut_svet/ (дата обращения 10.11.2020).
12. Боярская С.В. СКО строят биогазовую установку, работающую на отходах птицефабрики // BaigeNews. [Электронный ресурс], 2017. Режим доступа: https://baigenews.kz/news/v_sko_stroyat_biogazovuu_ustanovku_rabotaushchuu_na_othodah_ ptitsefabriki/ (дата обращения: 10.11.2020).
13. Михеева Н. Восточный Казахстан: Биогаз из птичьего помета не хуже, чем из навоза // QazaqZemo. [Электронный ресурс], 2017. Режим доступа: https://kazakh-zerno.net/134722-vostochnyj-kazakhstan-biogaz-iz-ptichego-pometa-ne-khuzhe-chem-iz-navoza/ (дата обращения: 10.11.2020).
14. Калымов А. Фермер из Алматинской области разработал уникальную биогазовую установку // Технологии ЭКСП0-2017. [Электронный ресурс], 2015. Режим доступа: https://kazpravda.kz/ (дата обращения 10.11.2020).
15. Лазунов Н. Ю. Перспективы использования мобильной биогазовой установки на железнодорожном ходу в климатических условиях Казахстана // Техно Сфера. [Электронный ресурс], 2015. Режим доступа: http://tekhnosfera.com/perspektivy-ispoIzovamya-mobiInoy-bюgazovoy-ustanovki-na-zheIeznodorozhnom-hodu-v-kИmaticheskih-usloviyah-kazahstana/ (дата обращения: 10.11.2020).
16. Патент РК №32805, Биогазовая установка, опубл. 28.05.2018 г., бюл. № 9.
17. Патент на изобретение №31872, Перистальтический насос-дозатор, зарегистрировано в Государственном реестре изобретений РК 31.01.2017
18. Патент РК №33061, Рабочая трубка перистальтического насоса, опубл. 03.09.2018 г.,бюл. № 33.
19. Животноводство // Министерство сельского хозяйства Республики Казахстан. [Электронный ресурс], 2019. Режим доступа: https://moa.gov.kz/ru/documents/2/ (дата обращения: 10.11.2020).
20. Биогазовые установки для производства газа // GreenDem. [Электронный ресурс], 2019. Режим доступа: https://greda.kz/p59616395-biogazovye-ustanovki-dlya.htmI/ (дата обращения: 10.11.2020).
21. Биореакторы и газгольдеры для утилизации биологических отходов, получения биогаза и органических удобрений // Bmpa. [Электронный ресурс], 2019. Режим доступа: http://bio.bmpa.biz/bioreactor.htmI/ (дата обращения: 10.11.2020).
22.Абильмажинов Е.Т., Сериккалиулы А., Анибаев С.М., Анибаев И.Б. Некоторые важные аспекты биогазовых технологий // Вестник ГУ имени Шакарима г.Семей, 2019. №1 (85).
ВЛИЯНИЕ МЕТАКАОЛИНА НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ Чихиро Д.А. Email: [email protected]
Чихиро Дмитрий Александрович - магистрант, кафедра материаловедения в строительстве, Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина,
г. Екатеринбург
Аннотация: статья посвящена улучшению физико-механических свойств цементного камня с применением активной минеральной добавки, обладающей пуццоланической активностью. В данном исследовании предложено использование метакаолина для повышения прочности образцов на быстротвердеющем портландцементе. Выявлено, что в цементном камне с добавкой увеличивается количество химически связанной воды, способствующей росту новообразований. Совместное применение метакаолина и гиперпластификатора позволяет увеличить прочность на сжатие образцов на 13,5% по сравнению с бездобавочным составом.
Ключевые слова: метакаолин, минеральная добавка, гидратация, дисперсность, гиперпластификатор, прочность.
