Таблица 1. – Содержание метана в биогазе при использовании различных видов сырья

Главной составляющей большинства газовых приборов является горелка, в которой и происходит сжигание топлива. В свою очередь, основным компонентом биогаза, как и природного газа, является метан, поэтому возникает вопрос, возможно ли для сжигания биогаза использовать стандартное газогорелочное оборудование.

Взаимозаменяемость газов – это возможность устойчивого сжигания их в тепловых установках без изменения конструкции газогорелочных устройств, при сохранении номинальной тепловой мощности. Устойчивая работа газогорелочных устройств характеризуется работой горелок без отрыва и проскока пламени при полноте сгорания газа, близкой к 100 %. Для определения взаимозаменяемости газов рассчитывают число Воббе, которое характеризует постоянство теплового потока при постоянном давлении в процессе сжигания газа. Стандарты допускают отклонение числа Воббе у взаимозаменяемых газов не более чем на 5% [1].

Число Воббе газообразного топлива (низшее или высшее) – это отношение объемной (соответственно, низшей или высшей) теплоты сгорания к корню квадратному из относительной плотности газообразного топлива (то есть из отношения его плотности к плотности воздуха при нормальных условиях) [3].

Произведем расчет числа Воббе для биогаза и природного газа.

Принимаем процентный состав биогаза по объему [1]:

CH₄ = 66,12%, CO₂ = 32,72%, N₂ = 0,55%, H₂S = 0,03%, O₂ =0,46%, H₂ =0,12%.

Низшая теплота сгорания топлива Q_н, ккал/м³ (кДж/м³), по [3]:

где Q_Н2S, Q_CO и т. д. – теплота сгорания отдельных газов, входящих в состав газообразного топлива, ккал/м³ (кДж/м³).

Определим плотность газообразного топлива с, кг/м³:

где с_i – плотность отдельных газов, входящих в состав газообразного топлива, кг/м³ .

Определим число Воббе:

W_н = , МДж/м³

где с_в – плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м³.

W_нб == 25,35 МДж/м³

Природный газ месторождения Медвежье имеет следующий характеристики [4]:

Процентный состав газа по объему: CH₄ = 99 %, C₂H₆ = 0,1%, C₃H₈ = 0,005 %, СO₂ = 0,095 %, N₂+редкие газы = 0,8 %;

Низшая теплота сгорания Q_н= 35128 кДж/м³;

Плотность с= 0,723 кг/м³.

Число Воббе для природного газа:

W_нп == 46,98 Мдж/м³

В результате расчетов получилось расхождение между двумя значениями числа Воббе W_нб = 25,35 Мдж/м³ и W_нп = 46,98 Мдж/м³ на 46%. Максимальное расхождение у взаимозаменяемых газов 5 %. Это свидетельствуют о том, что биогаз нельзя сжигать с помощью горелки, предназначенной для работы на природном газе.

Заключение

Если стоит вопрос о переводе газового прибора с природного газа на биогаз, то его газогорелочное устройство требует конструктивных изменений. Для устойчивой работы газогорелочного устройства нужно обеспечить правильную пропорцию газовоздушной смеси, а также скорость потока газа. Скорость потока газа задается давлением газа на входе и диаметром отверстия форсунки для подачи газа[5]. Значительное содержание (25 – 40%) CO₂ в биогазе влияет на количество требуемого воздуха для полного сгорания топлива. Для сгорания 1м³ биогаза в среднем требуется в 1,5 раза меньше воздуха, чем для сгорания 1м³ природного газа [6]. Теплотворная способность биогаза меньше, чем у природного газа в несколько раз. Это сказывается на расходе подаваемого топлива. Следует учитывать, что характеристики биогаза напрямую зависят от вида исходного субстрата, поэтому конструкция и настройка горелок для работы на биогазе должны определяться экспериментально для каждого индивидуального случая.

В связи с этим в нашей стране реализуется множество проектов. Следует отметить, что Узбекистан обладает высоким потенциалом использования возобновляемых источников энергии, работа в этом направлении ведется на высоком уровне. Кроме того, как известно, немецкие компании являются лидерами в производстве солнечных батарей и ветряных электростанций.

Тот факт, что спрос на производство биогаза среди альтернативных источников энергии постоянно растет, известно, что когда новообразованные органические удобрения (навоз) выбрасываются на поля без разложения, они загрязняют почву, грунтовые воды, атмосферный воздух вредными микробами. В частности, при разложении 1 т навоза в атмосферу выбрасывается 300-400 м³ газообразного метана, аммиака и сероводорода. Следует отметить, что переработка навоза и сельскохозяйственных отходов для производства биогаза и биоудобрений в специальных установках — один из наиболее эффективных, экологически чистых и экономичных способов решения этих проблем и он обеспечивает занятость ряду людей, живущих в сельской местности, а также ряд возможностей для фермеров и молодых фермеров выращивающих мясо, то есть наиболее полезных способов получения бесплатной энергии из отходов животноводства. В настоящее время для этот энергоинструмент используется в теплице площадью 0,15 га в фермерском хозяйстве «Истиклол» в Каравулбозорском районе. Следует отметить, что во всех фермерных хозяйствах и стада овец имеют возможность использования к энергии биомассы. 1 кг такого удобрения по эффективности эквивалентен 100 кг обычного навоза. 2 киловатт-часа электроэнергии можно получить из 1 м³ произведенного биогаза. Использование биогазовой технологии также позволяет экономить мазут, уголь, газ, электроэнергию, предотвращать загрязнение окружающей среды.[1]

Кроме того, экспериментально доказано, что биогумус увеличивается в качестве удобрения в рыболовстве и увеличивает продуктивность рыбы в 2-3 раза. Тем более, если внедрить технологию получения биогумуса перед инкубаториями, в первую очередь будет экономиться электроэнергия и увеличиваться запасы продовольствия. В частности, в бассейне вместо 1 тонны навоза используется 10 килограммов биогумуса.

Внедрение биогазовой технологии в сельской местности открывает новые возможности для использования в качестве интегрированной системы. Неоценима роль альтернативных источников энергии в обеспечении индивидуальных фермерских хозяйств в сельской местности топливом и высококачественными экологически чистыми удобрениями.

До недавнего времени, когда мы слышали, что альтернативные источники энергии в разных странах работают эффективно, наши граждане недоумевали, почему у нас этого нет. Сегодня современные энергетические технологии постепенно находят свое место в нашей стране. Биогазовая установка, работающая на отходах животноводства, была построена в рамках Программы малых грантов (GGD) ГЭФ. Его ценным преимуществом является то, что это устройство позволяет фермерам обеспечивать себя устойчивой энергией, не зависящей от внешних факторов. Они могут использовать эту энергию для отопления, а также для электроснабжения.

Интерес к использованию биомассы в качестве источника энергии в первую очередь обусловлен ежегодным возрождением биомассы; энергия, запасенная в биогазе, может быть сохранена и преобразована в любой вид энергии в долгосрочной перспективе; возможность преобразования этой энергии в другой вид энергии; в некоторых регионах этот источник тепла дешевле естественных источников тепла; что биогаз — экологически чистый источник тепла; отсутствие токсичных оксидов серы в окружающей среде при его использовании; неразрывно связано с изменением баланса углекислого газа в атмосфере и рядом других причин.[2]

Основные причины особого внимания, уделяемого производству биогаза из навоза в США, наряду с энергетическими целями, на всех животноводческих фермах, особенно в крупных животноводческих комплексах (у крупных рогатых животных, свиней и птицеводческих комплексов), это экономическая и экологическая осуществимость преобразования ежегодно образующихся отходов в биогаз. 3,2% потребности в природном газе в Великобритании удовлетворяется за счет биогаза. В результате переработки навоза крупных рогатых животных, свиней и птицы ежегодно может быть произведено 2,3 миллиона тонн газового эквивалента нефти.

В сельском хозяйстве Японии ежегодно производится 56,5 млн тонн навоза. Это количество навоза накапливает достаточно энергии, чтобы заменить 1 миллион тонн нефти. В этой стране действует программа ускоренного развития выращивания животноводческой продукции, особое внимание уделяется этой технологии.

В России тоже есть огромный потенциал для производства биогаза.
Ежегодно в животноводческих хозяйствах заготавливается 665 миллионов тонн навоза: при переработке с каждой тонны этого навоза 1,7 млрд м3 газа или в анаэробных условиях может быть произведено 15-20 м³ биогаза, теплоотдача которого равна 5600-6300 ккал/м³. Эти удобрения улучшают состав почвы, утраивают ее плодородие, улучшают экологическую обстановку, повышают устойчивость растений к неблагоприятным климатическим условиям.

Фермерское хозяйство «Надежда» сейчас использует такие удобрения для приготовления кормов, в дальнейшем планирует их продавать и расширять таким образом сферу бизнеса.
Технология эффективна только тогда, когда количество энергии, получаемой из биогаза, значительно превышает количество энергии, затрачиваемой на его производство.

То есть условия получения биогаза должны выполняться на основании ниже приведенной формулы:

V_Т — количество биогаза, м³;

V_Р — общее количество полученного биогаза, м³;

Q_CH — энергия, затрачивамая на собственные нужды, кДж/м³;

λ — свойство биогаза, выделения теплоты, кДж/м³;

Суточный расход энергии

Было показано, что время обработки навоза зависит от времени работы в роторном режиме.

Биогазовая установка может решить глобальные экономические проблемы, выходящие за рамки экономической эффективности, о чем, вероятно, будут беспокоиться немногие фермеры. Когда органические отходы животноводства концентрируются, выделяется метан. Метан вызывает «парниковый» феномен в мире, ведущий к глобальному изменению климата. На приспособлении биологического происхождения, адаптированном к метану, Надежда Дурдина готовит чудесные десерты, и его вторичные продукты, двуокись углерода, которая в 21 раз меньше парниковых газов, чем двуокись углерода и метан, выбрасываются в атмосферу. По оценкам, сокращение выбросов парниковых газов в атмосферу от биогазовой установки, используемой в совхозе «Надежда», составляет около 155 тонн углекислого газа в год.

В заключение мы упомянули выше, что получение энергии с помощью этого метода биогаза является одним из наиболее эффективных способов удовлетворения потребностей человека в то время, когда энергетические ресурсы ограничены и а животные, которых мы выращиваем для получения этого вида энергетического топлива, удовлетворяют наши потребности в мясных и молочных продуктах.

Технологический процесс биоконверсии – это процесс, при выполнении которого осуществляется преобразование отходов производства.

Внедрение таких процессов обеспечивает возможность решения двух актуальных проблем: экологической – очистка от загрязняющих отходов, энергетической – получение биогаза, который может использоваться как полезное топливо.

Целью настоящей работы является рассмотрение возможности внедрения биогазовых установок на биологических очистных сооружениях (БОС) г. Петропавловск-Камчатского. Продуктами, получаемыми после метанового сбраживания на биогазовых установках, являются:

• Биогаз- смесь метана 50-70%, углекислого газа 30-40%, сероводорода, аммиака, водорода и оксида углерода.
• Биоорганические удобрения – перебродивший субстрат с повышенным содержанием питательных веществ, макро- и микроэлементов в легкодоступной для растений форме.

Биогаз в результате его сжигания в когенерационных блоках используется для получения электрической и тепловой энергии. Биоорганическое удобрение может использоваться как в жидком, так и в твердом виде для подкормки цветочных культур и обеспечения их необходимыми элементами питания.

Плюсы, которые дает нам внедрение биогазовых установок на БОС:

• Возможность полной утилизации отходов органического происхождения.
• Получение тепла для производственных процессов, бытовых нужд и потребностей самой биогазовой установки.
• Улучшение экологической обстановки.
• Экономия материально-денежных средств по затратам на теплоснабжение и покупку минеральных удобрений.