CC BY
516
Перспективы производства биогаза в Казахстане
А.К. Курманов, д.т.н., Костанайский ГУ;
К.С. Рыспаев, соискатель, Костанайский ИЭУ;
М.К. Рыспаева, соискатель, Карагандинский ГТУ
Одним из забытых видов сырья является биогаз, использовавшийся ещё в Древнем Китае и вновь открытый в наше время.
Биогаз — газообразный продукт, получаемый в результате анаэробной, т.е. происходящей без доступа воздуха, ферментации органических веществ самого разного происхождения. Его основные компоненты: метан (СН4) — 55—70% и углекислый газ (СО2) — 28—43%, а также в очень малых количествах другие газы, например сероводород (Н^).
В любом крестьянском хозяйстве в течение года собирается значительное количество навоза, ботвы растений, различных отходов. Обычно после разложения их используют как органическое удобрение. Однако мало кто знает, какое количество биогаза и тепла выделяется при ферментации. А ведь эта энергия тоже может сослужить хорошую службу сельским жителям. 15 м3 биогаза в сутки обеспечивают потребности по отоплению, горячему водоснабжению семьи из 4—5 человек в доме площадью 60 м2. Один кубометр биогаза эквивалентен 0,4 л керосина, 1,6 кг угля, 0,4 кг бутана, 2,5 кг навозных брикетов.
Стабильным источником биомассы для производства энергии в Казахстане являются отходы продуктов животноводства. Годовой выход животноводческих и птицеводческих отходов по сухому весу — 22,1 млн т, или 8,6 млрд м3 газа (крупного рогатого скота — 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 [1]. Несмотря на сокращение поголовья скота и птицы, перспективна переработка уже накопленных животноводческих отходов. За счёт их переработки может быть получено около 2 млн т у. т/год биогаза. Переработка этого газа в электрогазогенераторах позволит получать ежегодно до 35 млрд кВт-час (половину всего энергопотребления при потребности для сельского хозяйства 19 млрд) и одновременно 44 млн Гкал тепловой энергии. Кроме того, если использовать биогаз для производства электроэнергии, себестоимость её оказывается всего 0,025—0,075 доллара за кВт-ч, в то время как электроэнергия от традиционных источников обходится в 0,1—0,15 доллара за кВт-ч. Таким образом, биогаз в 2—4 раза экономичнее.
Использование биогаза очень актуально на сегодняшний день, поскольку запасы природного газа, нефти и угля не бесконечны. Благодаря строительству и организации работы биогазовых установок можно получать не только экологически чистое топливо, но и органические отходы, которые и дальше могут служить в качестве удобрений. При некоторых видах производства это является оптимальным решением, существенно сказывающимся на экономии и позволяющим снизить себестоимость выпускаемых продуктов, повысить эффективность биогазовых установок [2, 3]. В результате предприятие получает возможность обрести некоторую энергетическую независимость. Это обусловлено тем, что помимо установок, производящих биологический газ, также можно в комплексе установить и когенерационное оборудование, которое будет преобразовывать газ в энергию, обеспечивая ею производство.
Существует следующая классификация био-газовых установок.
1. По технологии получения газа. Для производства биогаза применяются различные технологические решения. Эти технологические решения можно условно разделить на четыре типичные группы:
1) по количеству ступеней процесса:
— одноступенчатые;
— двухступенчатые;
— многоступенчатые;
2) по температурному режиму:
— психофильный (до ~25°С);
— мезофильный (от 32 до 42°С);
— термофильный (от 50 до 57°С);
3) по загрузке реактора:
— периодическая;
— квазинепрерывная;
— непрерывная;
4) по относительному количеству сухого вещества:
— влажная ферментация;
— сухая ферментация.
2. По принципу применения газа биогазовые установки можно разделить на три группы:
1) для производства электрической и тепловой энергии (при сжигании в блочных мини-ТЭЦ).
2) для производства тепла (при сжигании в отопительном котле).
3) для производства газа (выделение метана и закачка в газопровод).
3. По используемому сырью:
— сельскохозяйственные биогазовые установки, использующие зелёную массу, не подвергшуюся первичной переработке, и/или продукты выделения сельскохозяйственных животных;
— коферментационные биогазовые установки, использующие смесь сельскохозяйственного сырья и органических отходов, подвергшихся первичной переработке;
— утилизационные биогазовые установки, использующие в качестве сырья различные биологические отходы, ферментация которых не противоречит санитарно-эпидемиологическим требованиям;
4. По конструктивным признакам: одно- и багатореакторные.
5. По форме резервуара (рис. 1):
— яйцевидные; цилиндрические; шаровидные; с конусом вверх; вниз; с обеих сторон; в виде траншеи; кубические; эластичные.
6. По способам перемешивания и подогрева биомассы (рис. 2, 3):
— без подвода тепла и без перемешивания сбраживаемой биомассы;
— без подвода тепла, но с перемешиванием сбраживаемой биомассы;
— с подводом тепла и с перемешиванием биомассы;
— с подводом тепла, с перемешиванием биомассы и со средствами контроля и управления процессом сбраживания.
6. По количеству газгольдеров (рис. 4).
£
і
сг
-Г Г-
{ I
РТ-
1 1 к* V
е ж
газ
жидкий субстрат зг> перебродивший субстрат ипф- твёрдые осадки
Рис. 1 - Наиболее распространённые типы резервуаров биогазовых реакторов:
а - в виде яйца; б - цилиндрический с конусными верхней и нижней частями; в - цилиндрический; г -цилиндрический с перегородкой; д - в виде параллелепипеда (с перегородкой); е - цилиндрический (размещён с наклоном); ж - траншея в грунте (с крышкой)
\1/ Т— (н>-
<ан
г
Д
Рис. 2 - Способы перемешивания сырья в вертикальных реакторах:
а, б - механическая мешалка; в, г - перемешивание с помощью насоса; д - перемешивание биогазом и жидкостью; е - перемешивание биогазом
*
4Ж
і
ДТНИПГ
Рис. 3 - Способы перемешивания сырья в горизонтальных реакторах:
а - перемешивание биогазом; б - перемешивание механическими лопастями; в - перемешивание механическими мешалками с электродвигателями; г - перемешивание с помощью насоса; д - перемешивание механическими мешалками от ветряного двигателя
а
б
Рис. 4 - Сбор и хранение биогаза:
а - один газгольдер; б - несколько газгольдеров
Є
б
а
в
г
в
На текущий период в общем энергопотреблении республики доля энергии солнца, ветра, термальных вод и биогаза незначительна и составляет всего 0,02%.
В соответствии со Стратегическим планом развития Республики Казахстан до 2020 г. доля ВИЭ в общем объёме электропотребления должна составить 1,5% к 2015 г. и более 3% — к 2020 г. Приоритеты, поставленные государственной программой по форсированному индустриальноинновационному развитию Республики Казахстан на 2010—2014 гг., предусматривают увеличение объёма выработки возобновляемой энергии до 1 млрд кВт-ч в год, что превысит 1% в энергобалансе Казахстана.
Вывод. Анализ сельского хозяйства Казахстана, его структуры, отраслей и характеристики, а также расчёты потенциала производства биотоплива из отходов сельского хозяйства показали, что наибольшую ценность представляют собой: Коста-найская, Акмолинская, Северо-Казахстанская,
Павлодарская, Восточно-Казахстанская, Алматинская и Южно-Казахстанская области. Карагандинская, Западно-Казахстанская, Жам-былская и Актюбинская обладают средним потенциалом. Остальные же области низкопотенциальны и неперспективны в этом плане. Наибольшие объёмы органических отходов даёт разведение крупного рогатого скота, коневодство и овцеводство. Наименьшие — птицеводство, свиноводство. По объёмам отходов животноводства лидируют Алматинская, Западно-Казахстанская, Южно-Казахстанская, Костанайская, Карагандинская области.
Литература
1. Энергоэффективная Россия. Многофункциональный общественный портал. URL: http://energosber.info/articles/ technologies-sub/66776/
2. Онучин Е. М., Медяков А. А., Яблонский Р.В. Биогазовая установка с устройством для перемешивания и каталитического обогрева субстрата // Альтернативная энергетика и экология. 2010. № 11. С. 91-94.
3. Скорик Ю.И., Флоринская Т.М., Баев А.С. Отходы большого города: как их собирают, удаляют и перерабатывают. СПб, 1998.
