CC BY
18ЭНЕРГИЯ БИОМАССЫ
ENERGY OF BIOMASS
Статья поступила в редакцию 27.09.10. Ред. рег. № 879 The article has entered in publishing office 27.09.10. Ed. reg. No. 879
УДК 66-97 (62-97)
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА БИОГАЗА МЕТОДОМ АНАЭРОБНОГО СБРАЖИВАНИЯ ОТХОДОВ КРУПНОГО РОГАТОГО СКОТА
М.С. Давыдов, М.Г. Беренгартен,
Московский государственный университет инженерной экологии 105066, Москва, ул. Старая Басманная, д. 21/4 Тел. (499) 627-10-17, e-mail: msdavidov@mail.ru, berengarten@mail.ru
Заключение совета рецензентов: 17.10.10 Заключение совета экспертов: 27.10.10 Принято к публикации: 31.10.10
Работа посвящена оценке возможности повышения энергетической эффективности анаэробного сбраживания при термофильном режиме отходов крупного рогатого скота (КРС) с учетом конструктивно-технологических особенностей метантенка.
Маловлажные органические отходы КРС загружаются в твердофазный реактор, где при термофильном режиме проходит процесс анаэробного сбраживания. Для устранения эффекта закисания устанавливается жидкофазный реактор, в котором проходит процесс сбраживания в щелочной или нейтральной среде. Фугатом (рециркуляционной жидкостью) из жидкофазного реактора промывается твердофазный реактор. Таким приемом стабилизируется процесс анаэробного сбраживания.
Экспериментально доказана энергоэффективность предлагаемых изменений конструктивно-технологических параметров биогазовой установки.
Анализ химического состава выделившегося биогаза показал высокую эффективность переработки органических отходов КРС методами анаэробного разложения.
Кроме того, показано, что при проведении процесса анаэробного сбраживания в условиях с температурой наружного воздуха менее 15 °С термофильный режим работы (55 °С) метантенка на единицу объема перерабатываемого субстрата становится энергетически выгоднее мезофильного режима (35 °С).
Ключевые слова: отходы животноводства, энергоэффективность, животноводство, анаэробное сбраживание, биогаз.
IMPROVING ENERGY EFFICIENCY OF BIOGAS PRODUCTION BY ANAEROBIC DIGESTION OF CATTLE WASTE
С.И. Вайнштейн
M.S. Davydov, M.G. Berengarten,
Moscow State University of Environmental Engineering 21/4 St. Basmannaya str., Moscow, 105066, Russia Tel. (499) 627-10-17, e-mail: msdavidov@mail.ru, berengarten@mail.ru
Referred: 17.10.10 Expertise: 27.10.10 Accepted: 31.10.10
S.I. Vainshtein
This paper is devoted to assessing the potential improving energy efficiency in thermophilic anaerobic digestion of cattle waste mode. Given the structural and technological features digester.
Low damp biowaste cattle loaded to the solid-phase digester. In the digester maintained in the thermogenic regime of biowaste methane fermentation.
To eliminate the effect of buildup acidic products is established liquid-phase reactor. In the liquid-phase reactor maintained in the thermogenic regime of biowaste methane fermentation and alkaline or neutral medium. Filtrate water biowaste (recirculation fluid) from the liquid-phase reactor is rinsed with solid-phase reactor. This is method of stabilization the process of anaerobic digestion.
Experimentally proved efficiency of the proposed changes in structural and technological parameters of the biogas digester.
Analysis of the chemical composition of the evolved biogas has shown high efficiency to decomposition for biowaste in cattle methods of anaerobic decomposition.
And also it was shown that during the process of anaerobic digestion of the proposed method in terms of ambient air temperature below 15 °C, the thermogenic regime (55 °C) per unit of digester volume of processed substrate becomes energetically favorable mesogenic regime (35 °C).
Keywords: animal waste, energy efficiency, dairy husbandry, anaerobic digestion, biogas.
Михаил Сергеевич Давыдов
Окончил Московский государственный университет инженерной экологии по специальности инженер-эколог, специализация «Техника использования нетрадиционных энергоресурсов». Аспирант по специальности «Процессы и аппараты химических технологий». Автор двух статей, четырех тезисов докладов. Лауреат конкурса проектов молодых ученых «Химия 2009», посвященного 175-летию со дня рождения Д.И. Менделеева и проводившегося в рамках мероприятий 15-й международной выставки «Химия 2009».
Михаил Георгиевич Беренгартен
Канд. хим. наук, профессор, заведующий кафедрой «Техника экологически чистых производств» Московского государственного университета инженерной экологии. Автор двух учебных пособий, более 200 научных статей и заметок.
Семен Исаакович Вайнштейн
Канд. техн. наук, профессор, заведующий направлением «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» кафедры «Техника экологически чистых производств» Московского государственного университета инженерной экологии, автор более 100 научных статей и заметок.
Введение
Большинство отходов животноводства, растениеводства, бытовые отходы, а также сточные воды предприятий практически всех отраслей агропромышленного комплекса и пищевой промышленности могут быть эффективно переработаны с использованием технологий анаэробного сбраживания с получением газообразного топлива (биогаза) и высокоэффективных органических удобрений [1].
Анаэробное сбраживание органических соединений в промышленных условиях является сложным технологическим процессом. Для его нормального протекания необходимы оптимальные условия в реакторе: требуемая температура, отсутствие кислорода, достаточная концентрация питательных веществ, допустимый диапазон значений рН, отсутствие или низкая концентрация токсичных веществ. Необходимо также перемешивание субстрата и поддержание рабочего давления биогаза в реакторе.
Промышленная переработка органических отходов анаэробным способом позволяет решить 4 важные задачи:
1) экологическую - ликвидацию отходов;
2) энергетическую - получение топлива и энергии;
3) агрохимическую - получение экологически чистых удобрений и продуктов питания, повышение плодородия почв;
4) социальную - улучшение условий труда и быта сельских жителей и в немалой степени городских жителей.
Современные технологии метаногенеза органических веществ основаны исключительно на реализации процесса в подогреваемых метантенках, что в большинстве случаев требует затрат тепловой энергии. Термофильный режим сбраживания (температура порядка 55 °С) в сравнении с мезофильным режимом (температура порядка 35 °С) имеет ряд преимуществ, указанных в табл. 1.
Однако при повышении скорости метаногенеза за счет температурного эффекта процесс сопровождается ростом затрат тепловой энергии, что делает по-
ложительный эффект от использования биогаза в качестве дополнительного источника энергии неоднозначным (см. табл. 1).
Таблица 1
Некоторые отличительные особенности режимов анаэробного сбраживания органических отходов
Table 1
Some distinctive features of regimes of anaerobic digestion of organic waste
Показатель Значение показателя. Режим сбраживания
мезофильный, = 35 °С термофильный, = 55 °С
Время сбраживания, с т т/2
Доза загрузки, % от объема метантенка Д Д/2
Время подавления выживаемости патогенных бактерий, с тпод Тпод/(3-6) (в зависимости от вида бактерий)
Сероводород в биогазе (Н2Б), % 0,02-3 [5, 10, 12] 0 [6, 7]
Техническое исполнение метантенков поражает воображение, начиная с конструктивно простых и заканчивая технологически совершенными установками долговременного непрерывного действия с применением прогрессивных и автоматизированных систем. Однако независимо от режима работы и типа реактора его внешний вид, как правило, представляет собой герметически закрытую емкость, чаще всего цилиндрическую, горизонтального или вертикального исполнения, наружная поверхность которой покрыта теплоизоляцией.
Теоретический анализ
Основу энергетического баланса технологической схемы анаэробного сбраживания составляют распределение энергии в метантенке и технологические потери тепла.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (90) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
Анализ опубликованных ранее данных по энергозатратам технологической схемы анаэробного сбраживания [2] показал, что основная тепловая нагрузка приходится на подогрев свежего субстрата до температуры сбраживания. Распределение тепловой энергии на осуществление процесса анаэробного сбраживания показано в табл. 2.
Таблица 2
Распределение тепловой энергии на проведение процесса анаэробного сбраживания
Table 2
Distribution of thermal energy to carry out the process of anaerobic digestion
Процесс %
Нагрев субстрата 72
Компенсация тепловых потерь через ограждающие конструкции метантенка 14,1
Компенсация технологических потерь 13,9
Рис. 1. Зависимость относительных тепловых потерь на единицу объема перерабатываемого субстрата от температуры наружного воздуха. Рм и Рт (Вт/м3) -тепловые потери на единицу объема перерабатываемой биомассы при мезофильном и термофильном режимах работы соответственно Fig. 1. Dependence of relative heat loss per unit volume of the processing substrate from the outside air temperature. P„ и Рт (W/m3) - heat loss per unit volume of processing biomass at mesophilic and thermophilic modes, respectively
Анализ рис. 1 показал, что при анаэробном сбраживании органических отходов в условиях с температурой наружного воздуха ниже 15 °С тепловая энергия на компенсацию тепловых потерь в окру-
жающую среду через ограждающие конструкции метантенка на единицу объема перерабатываемого субстрата используется более эффективно при термофильном режиме, нежели при мезофильном режиме сбраживания.
Как уже говорилось, тепловые потери через ограждающие конструкции являются только частью общего баланса энергопотребления при обеспечении тепловой нагрузки процессов сбраживания. Наибольший расход энергии приходится на подогрев свежего субстрата до температуры сбраживания.
Расчеты тепловой энергии, необходимой на подогрев свежего субстрата при ведении процесса в мезофильном и термофильном режимах с учетом их технологических особенностей позволили определить, что при прочих равных условиях она также будут зависеть от температурного перепада между субстратом в метантенке и наружным воздухом, а также от дозы загрузки субстрата (рис. 2).
Целью данной работы было определение некоторых технологических решений, благодаря которым, сохраняя положительные особенности термофильного режима, можно повысить его энергоэффективность.
Проведенные по известным формулам [3] расчеты тепловых потерь через ограждающие конструкции подобных метантенков при ведении процесса в мезо-фильном и термофильном режимах с учетом их технологических особенностей позволили определить, что тепловые потери через ограждающую конструкцию метантенка на единицу объема перерабатываемой биомассы в разных климатических зонах при прочих равных условиях будут зависеть от температурного перепада между субстратом в метантенке и наружным воздухом, а также от дозы загрузки (рис. 1).
Рис. 2. Зависимость относительных тепловых нагрузок на нагрев единичной дозы загрузки перерабатываемого субстрата от температуры наружного воздуха: Ом' и От' (Дж/м3) - тепловая энергия, необходимая для нагрева дозы загрузки субстрата до температуры брожения при мезофильном и термофильном режимах соответственно Fig. 2. Dependence of relative heat load on the heating unit dose loading of the processing substrate from the outside air temperature: Ом' и От' (J/м3) - thermal energy needed for heating the substrate loading dose prior to fermentation temperature in the mesophilic and thermophilic modes respectively
Анализ рис. 2 показал, что расход энергии на подогрев единицы объема свежего перерабатываемого субстрата до температуры сбраживания при термофильном режиме в несколько раз выше, чем при ме-зофильном режиме.
Наиболее перспективным способом повышения энергетической эффективности анаэробного сбраживания является сокращение расхода энергии на подогрев свежего субстрата. Один из возможных путей снижения затрат тепловой энергии на подогрев субстрата состоит в уменьшении влажности органических отходов, подаваемых на сбраживание.
Уменьшение влажности поступающих на сбраживание отходов с сохранением нагрузки по органическому веществу позволит существенно уменьшить теп-
ловые затраты на нагрев свежего субстрата. При допущении, что при абсолютной влажности субстрата более 50% его теплоемкость не меняется, тепловая нагрузка на подогрев свежего субстрата до температуры брожения прямо пропорциональна его влажности.
В большинстве случаев органическим отходам пищевой промышленности и агропромышленного комплекса присуще высокое содержание влаги. Что касается физико-механических свойств отходов крупного рогатого скота, то они зависят в основном от условий содержания животных и способов уборки навоза и изменяются в следующих пределах: влажность 76,898,3%, зольность 14-22% [4]. Тем не менее, современные методы анаэробной ферментации используют принципы жидкофазной метангенерации сырья с концентрацией органических веществ от 2 до 6% [5], что в большинстве случаев требует дополнительного разбавления исходных органических отходов.
Вместе с тем, результаты работы [6] по исследованию влияния концентрации субстрата на конверсию органических веществ показали, что для получения биогаза могут быть использованы высококонцентрированные отходы КРС, содержащие более 10% сухих веществ при их сбраживании в термофильном режиме.
Однако снижение влажности органических отходов приводит к риску закисания и последующей остановке процесса. Это связано с тем, что процесс анаэробного сбраживания многостадийный, полный цикл зависит от взаимного влияния его стадий (компонентов). На начальных стадиях происходит под-кисливание среды. И если замедляется переход к последующим стадиям с щелочным значением рН среды, субстрат закисает и процесс останавливается.
Для устранения эффекта закисания в работе [7] была предложена и исследована схема с рециркуляцией жидкой фракции субстрата. Данные этой работы показали высокую эффективность такой схемы по выходу метана для твердых бытовых отходов в термофильном режиме сбраживания.
Экспериментальный анализ
Для проверки реализуемости предложенного метода повышения энергетической эффективности сбраживания отходов КРС путем понижения влажности исходного субстрата до влажности нативного навоза КРС использовали технологическую схему с рециркуляцией жидкой фракции субстрата. Влажность отходов КРС определялась по известной методике [8]. Исследования проводились на экспериментальном стенде, разработанном и сконструированном на кафедре «Техника экологически чистых производств» Московского государственного университета инженерной экологии. Схема экспериментального стенда представлена на рис. 3.
В связи с незначительными размерами реакторов экспериментального стенда использование нативно-го навоза вызывало опасение его спрессовывания. Учитывая, что подстилка из соломы при использовании технологии рециркуляции улучшает механические свойства субстрата и способствует лучшей фильтрации жидкой фракции субстрата в твердофазном реакторе, в нативный навоз КРС добавили солому, доведя субстрат до влажности отходов КРС стойлового содержания на соломенной подстилке [9], и разбавили водой до исходной влажности.
Рис. 3. Схема функциональной части экспериментального стенда: 1 - твердофазный метантенк; 2 - жидкофазный метантенк; 3 - рециркуляционный насос; 4 - гидрозатвор; 5 - горелка; 6 - газгольдер; 7 - мерная емкость Fig. 3. Functional part of the pilot scheme stand: 1 - digester with solid; 2 - digester with oil biomass; 3 - recirculating pump; 4 - water seal; 5 - burner; 6 - gasholder; 7 - measuring container
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (90) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
Субстрат сбраживали при термофильном режиме до прекращения газовыделения в жидкофазном реакторе, что составило 18 суток. Полученные в ходе эксперимента данные по выходу биогаза представлены на рис. 4, 5 и в табл. 3.
Рис. 4. Динамика посуточного образования биогаза, м3/м3 субстрата Fig. 4. Dynamics of daily biogas generation, m3/m3 of biomass
Рис. 5. Динамика образования биогаза, м3/м3 субстрата Fig. 5. Dynamics of biogas generation, m3/m3 of biomass
Влияние технологии с рециркуляцией на выход биогаза при термофильном режиме сбраживания отходов КРС
Impact of the technology with recycling on biogas output with thermophilic conditions of digestion of cattle waste
Таблица 3
Table 3
Влажность субстрата, % Содержание АСОВ**, кг/м3 Удельный выход биогаза (18 суток) Среднесуточный выход биогаза Теоретический удельный выход биогаза из навоза КРС по традиционной технологии, м3/кг АСОВ
м3/м3 субстрата л/кг АСОВ м3/м3 субстрата л/кг АСОВ
83,5 173,3 45,8 264,2 2,41 13,9 0,199-0,263*
Примечания: * - [9]; ** - абсолютно сухое органическое вещество.
Полученные в ходе эксперимента данные по удельному выходу биогаза согласуются с данными [3-4, 911], что свидетельствует об эффективности процесса.
Кроме того, с учетом данных табл. 2 был проведен сравнительный анализ затрат тепловой энергии на сбраживание субстрата влажностью 83,5% с субстратами более высокой влажности. Результаты анализа затрат тепловой энергии на осуществление процесса анаэробного сбраживания отходов КРС при термофильном режиме представлены в табл. 4.
Полученные в ходе эксперимента данные свидетельствуют о том, что изменения конструктивно-технологических параметров биогазовой установки, включающие рециркуляцию жидкой фракции субстрата через субстрат, подаваемый на сбраживание с влажностью нативного навоза КРС (83,5%), позволяют повысить энергетическую эффективность анаэробного сбраживания с сохранением положительных особенностей термофильного режима.
Создание эффективных, в том числе и энергоэффективных технологических процессов анаэробного сбраживания и конструкций метантенков позволит повысить инвестиционную привлекательность этих технологий, успешно и на высоком уровне решить упомянутые задачи.
Таблица 4
Сравнительный анализ использования тепловой
энергии на проведение процесса анаэробного сбраживания навоза КРС в термофильном режиме
Table 4
Comparative analysis use of thermal energy to carry out the process of anaerobic digestion of cow manure in the thermophilic regime
Влажность субстрата, % Содержание АСОВ субстрата, кг/м3 QW/QWH
96,2 40 4,01
94,3 60 2,70
92,4 80 2,04
90,5 100 1,64
83,5 173,3 1,00
83,5 в схеме с рециркуляцией жидкой фракции субстрата 173,5 1,22
Примечание: Qw - затраты тепловой энергии на сбраживание субстрата с содержанием органических веществ, равным их содержанию в 1 м3 нативного навоза КРС, при соответствующей влажности; Qwн - затраты тепловой энергии на сбраживание 1 м3 субстрата влажностью нативного навоза КРС.
Список литературы
1. Эколого-агрохимические проблемы воспроизводства плодородия почв в современных условиях, МГУ им. М.В. Ломоносова, Учебно-опытный поч-венно-экологический центр. М., 2004.
2. Ковалев А.А. Энергетические аспекты использования биомассы на животноводческих фермах // Российский химический журнал. 1997. Т. 41, № 6. С. 100-104.
3. Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопередача. Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1988.
4. НТП (НТП 1-99 Нормы технологического проектирования предприятий крупного рогатого скота).
5. Баадер В., Доче Е., Бренндефер М. Биогаз. Теория, практика. М.: Колос, 1982.
6. Асадова Э.Р., Тапалцян С.Х., Панцхава Е.С. Влияние концентраций субстрата на конверсию органических веществ в биогаз // Изв. АН СССР. Серия биологическая. М., 1987, № 5. С. 707-716.
7. Панцхава Е.С., Пожарнов В.А. и др. Биогазовые технологии и решение современных проблем экологии, энергетики и агрохимии в России // Перспективы энергетики. 2002. Т. 6, № 2. С. 163-171.
8. Методические указания по анализу органических удобрений. М.: Колос, 1984.
9. Агрохимия. 2-е изд., перераб. и доп. / под ред. Смирнов П.М., Муравин Э.А. М: Колос, 1984.
10. Яковлев С.В., Карелин Я.А., Жуков А.И., Ко-лобанов С.А. Канализация: учеб. для вузов. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1975.
11. Саловарова В.П., Козлов Ю.П. Эколого-биотехнологические основы конверсии растительных субстратов: учеб. пособие. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Издательский дом «Энергия», 2007.
12. Семененко И.Н. Проектирование биогазовых установок. Сумы, 1996.
13. Корзникова М.В., Блохин А.Ю., Козлов Ю.П. Оценка степени конверсии органического вещества отходов животноводства и птицеводства в биогаз (на примере РФ) // Вестник ВГУ, серия: химия, биология, фармация. 2008. № 2. С. 108-111.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (90) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
