TLL Media | Инженеринг ревю | IndustryInfoBG | South-East European INDUSTRIAL Market | Български Технически Каталог | Енерджи Инфо БГ | ТД ИНСТАЛАЦИИ | Екология & Инфраструктура
 
 
 
TLL Media Българското специализирано техническо списание за енергетика
НАЧАЛО     ENGLISH
Търси
TLL Media
TLL Media
ИздателствотоЗа изданиетоАрхивАбонамент РекламаКонтактиПредстоящо
TLL Media
 

ВЕИ ЕНЕРГЕТИКА

Енерджи ревю » Сп. Енерджи ревю - брой 1, 2015, февруари
Технологии за производство на биогаз

Биогазът се получава при многостепенна ферментацията на биологични продукти в анаеробна среда. Прилаганите анаеробни технологии за производство на биогаз могат да се разделят в зависимост от съдържанието на сухо вещество в преработваните субстрати на два основни типа: мокра ферментация и суха ферментация.

Сухата ферментация като правило се определя като технология с прекъснат цикъл, при който биогенните субстрати - земеделски култури и домашни биологични отпадъци, се натрупват един върху друг и ферментират в продължение на 28-30 дни при 40 °C. Смесването на пресен материал с вече ферментирал субстрат е в съотношение 40:60 и спомага за т. нар. заразяване на биомасата. Може да се смесва и използва до 20% богата на структура и лигнин биомаса. Задължително се осигурява достатъчно овлажняване на материала.

Мократа ферментация е най-често използваната технология за производство на биогаз в областта на селското стопанство. Благодарение на високия процент течности се осигуряват оптимални условия за добър обмен на хранителните вещества и енергията между бактериите и субстрата.

Технологията мокра ферментация се прилага да твърди и течни субстрати, които могат да бъдат смесвани до определено съотношение. Образувалият се газ се отделя безпрепятствено от течността. Кръглите ферментори с бъркалки като референтен модул могат да бъдат използвани за реализиране на оптимални условия в биогазовите инсталации.

Възможността за размесване на съдържанието във ферментора и свързаното с това по-малко натоварване на обема на ферментора позволяват да се постигнат по-високи добиви на биогаз в сравнение с максималните такива при прилагането на технологията суха ферментация.

Основни фази на процеса на производство на биогаз
Процесът на анаеробно разграждане до получаването на метан протича в три основни фази: хидролиза; образуване на киселини (ацидогенеза); образуване на метан (метаногенеза). Въпреки че процесът на анаеробно разграждане включва три отделни фази, всички биохимични реакции възникват едновременно и са взаимозависими.

Хидролизата е биохимична реакция, при която сложните органични молекули се разграждат до разтворими мономери. Тази реакция се катализира от ензим, който се отделя от хидролитични и ферментационни бактерии (целулаза, протеаза и липаза). Крайните продукти от тази реакция са разтворими захари, аминокиселини, глицерол и дълговерижни карбонови киселини.

Процесът на образуване на киселини (ацидогенеза) се улеснява от микроорганизми, известни като формиращи киселини, които трансформират продуктите от хидролизата в прости органични киселини като оцетна, пропионова и маслена киселина, както и етанол, въглероден диоксид и водород.

По време на фазата на образуване на киселини протичат две химични реакции: ферментация и реакция на образуване на киселини. При ферментацията разтворимите органични продукти от процеса на хидролиза се трансформират в прости органични съединения, предимно летливи (късоверижни) мастни киселини като пропионова, мравчена, маслена, валерианова киселини и т.н., кетони и алкохоли.

Процесът на образуване на киселини завършва с ферментация на въглехидратите, като в резултат се получават ацетатни съединения, въглероден диоксид (СО2) и водород (Н2), които могат да бъдат използвани от бактериите, образуващи метан. Присъствието на водород е от критично значение при образуването на съединения като пропионова и маслена киселина. Тези реакции могат да се осъществят само ако концентрацията на Н2 е много ниска.

Важни реакции по време на етапа на образуване на киселини са превръщането на глюкозата до ацетат, както и превръщането на етанол и бикарбонат до ацетат.
Процесът на образуване на метан (метаногенеза) е реакция, при която разтворимите вещества се превръщат в метан с помощта на микроорганизми.

Две трети от общото количество метан се получава чрез трансформиране на оцетна киселина или чрез ферментация на алкохоли (например метанол) във втората фаза на процеса. Другата една трета от произведения метан се получава в резултат от намаляването на въглеродния диоксид в сместа посредством водород.

Температурен профил на процеса
По отношение на температурата, при която се извършва процеса на анаеробно разграждане, се идентифицират следните видове процеси:
• психрофилни процеси (средна температура 20 °C);
• мезофилни процеси (средна температура 38 °C);
• термофилни процеси (средна температура 55 °C).

Мезофилните и термофилните процеси са най-разпространените в индустриален мащаб. Мезофилната технология изисква строго дефинирана температура от порядъка на 38 °С, която е характерна температура за мезофилните метаногенни бактерии, и добивите на биогаз са големи. Времето за ферментация обикновено е 5 седмици. Трябва да се има предвид, че температурата във вертикалните ферментатори на повърхността е около 41 °С, докато в ниската му част, която в някои конструкции е подземна, е 35 °С.

Термофилната технология предвижда строго дефинирана температура от порядъка на 55 °С, която е характерна температура за термофилните метаногенни бактерии, при които добивите на биогаз са по-големи. Времето за ферментация е по-късо и степента на деградация на торовата маса е по-голяма.

Допълнително предимство на тази технология е, че не е нужно да се подгряват пастьоризатори за хигиенизация на остатъчната торова маса. Ферментаторите и другите елементи по тази технология са по-скъпи, защото изискват по-добра топлоизолация и имат по-голям разход на енергия, въпреки че в тях престоят на торовата маса е по-малък. Такива системи изискват също по-прецизен контрол защото рискът от отделяне на високо количество амоняк е по-голям, което може да доведе до унищожаване на бактериите и до забавяне на ферментацията.

Концентрацията на водородни йони или рН показателя оказва влияние върху жизнената дейност на микроорганизмите. Най-добре протичат жизнените процеси при рН = 7.2 – 7.4. В началото на ферментацията образуващите бактерии са доминиращи и са с високо рН. След около 15 дни метаногенните бактерии се развиват и се получава бавно спадане на киселинността, защото киселините се превръщат в метан.

Тогава рН на средата се намира между 7 и 8 (средно и леко алкална). Ако за средата рН е 9, то развитието на метаногенните бактерии се увеличава, но за сметка на това развитието на ацидогенните бактерии намалява. Поддържането на оптимално рН на средата се постига чрез строго спазване на технологичния процес. Ако рН падне под 6,2, средата ще има токсичен ефект върху бактериите.

Възможна е корекция чрез внасяне на алкално действащи вещества по време на ферментационния процес, но не е желателно. Бактериалната храна има основни съставки органичен въглерод С (въглерод) и органичен азот N (Азот). Затова входящите суровини, торовата суспензия например следва да имат подходящо съотношение на азота под формата на протеини и на въглерода под формата главно на въглехидрати. Въглехидратите определят енергията, която получават бактериите, а на протеините се дължи растежът им.

Съотношението на въглерода и азота в суспензията се смята за оптимално, ако е C/N = 30. Най-доброто съотношение е 14:19, което съответства на суспензия, съставена почти изцяло от животинска тор, съпътстващи отпадъци от животни и вода. При това отношение ферментаторите работят много стабилно. Тяхната работа се влошава в два случая: когато C/N < 10 и е когато C/N > 60.

Ако азотът е сравнително много (случай 1), то въглеродът бързо ще бъде изконсумиран, а азотът ще остане неоползотворен напълно, което води до отделяне на миризливи и негорими амонячни газове. Ако въглеродът е относително много, то азотът бързо ще бъде изконсумиран, а въглеродът ще остане неоползотворен напълно, което ще доведе до забавянето на отделянето на метан.

Отношението C/N на торовата маса може да се увеличи чрез добавяне на въглеродосъдържаща биомаса, но при условие че то се запази по-малко или равно на 30. Ролята на добавките е не само за интензификация на газоотделянето, но и до пряко нарастване на енергийния добив, тъй като към потенциала на животинския тор се прибавя и потенциалът на добавките.

Присъствието на тежки метали, антибиотици, миещи препарати и други елементи, използвани в селското стопанство, може да има забавящ ефект върху ферментационния процес. Този ефект настъпва при концентрации на мед Cu (10 - 250 mg/l); калий Ka (8000 mg/l); натрий Na (8000 mg/l); магнезий Mg (3000 mg/l); никел Ni (100-1000 mg/l); цинк Zn (350-100 mg/l) и други.

Процесът на получаване на биогаз е сложен многостепенен последователен разпад на различните биополимери в анаеробни условия (отсъствие на въздух). Бактериологичната среда на процеса все още не е достатъчно изучена, което затруднява в известна степен управлението на процеса. Особено важни са температурните условия. За благоприятна температура за протичане на процеса се смята температура между 35 и 70 °С. Особено важна е херметичността, за да не прониква въздух в активната зона.

Съоръжения за производство на биогаз
Сред най-често използваните съоръжения за производство на биогаз са херметичните реактори-резервоари, наричани обикновено биореактори или метан-танкове. Биореакторите представляват цилиндрични стоманобетонни резервоари с конични дъна и куполни покривни конструкции.

Техни основни елементи са стоманобетонният корпус, помпената станция, системи за разбъркване, както и системи за отвеждане на остатъчните продукти и система за отвеждане на газа метан. В повечето случаи управлението на целия комплекс е автоматизирано. За събирането на отделилия се газ обикновено метан-танковете имат предвидена цилиндрична камера с похлупак. Обемът на камерата и площта на похлупака се определят в зависимост от очакваното количество на отделящия се газ от метан-танка.

Технологиите за производство на биогаз са най-често използваните технологии за стабилизиране на първични и вторични утайки от пречиствателните станции за отпадни води, при обработка на отпадни води от различни производствени процеси от хранително-вкусовата, пивоварната и други промишлености, при третиране на органичните фракции от твърдите битови отпадъци.

Съответно, в зависимост от съдържанието на сухо вещество в субстрата биогазовите инсталации се подразделят на биогазови инсталации, работещи с течни субстрати, съдържанието на сухо вещество в които е под 30%, и инсталации, работещи с твърди битови отпадъци, където съдържанието на сухо вещество в отпадните субстрати е над 35%.

Инсталациите за производство на биогаз в зависимост от режима на зареждане на реактора могат да бъдат разделени на инсталации с периодично зареждане и инсталации с непрекъснато зареждане и периодично извличане на биошлама.

При инсталациите с периодично производство реакторът се зарежда напълно и след точно определено време, обикновено времето, за което се извършва пълно ферментиране на биомасата, той се изпразва. Всяка инсталация за производство на биогаз, както и всякакъв тип суровина, се приемат за подходящи за инсталациите с периодично производство.

Условието е инсталацията да включва газхолдери с голям обем или няколко реактора, за да може да се осигури непрекъснатост по отношение на доставянето на биогаз. Днес тази схема на работа на инсталацията не намира широко приложение, тъй като се приема за недостатъчно ефективна и подходяща предимно за малки биогазови стопанства.

Инсталациите с непрекъснат цикъл на работа се зареждат непрекъснато, а биошламът се извлича периодично. В този случай също няма специфични изисквания към инсталацията по отношение на проектирането, но използваната суровина е добре да бъде еднородна и в течно състояние. Производството на биогаз е постоянно, а количествата произведен газ са по-големи в сравнение с инсталациите с периодично зареждане.

Това са по-често изгражданите инсталации днес, тъй като се характеризират със сравнително висока ефективност и равномерно подаване на биогаз. Възможна е и комбинирана работа на инсталацията. Ако се използват например едновременно слама и течни животински отпадъци, бавно изгниващата слама се използва като периодичен товар, с който реакторът се зарежда два пъти в годината, докато течните отпадъци се подават и отвеждат постоянно.

Последното технологично нововъведение при процеса на анаеробно разграждане е свързано с използването на серия от биореактори. В действителност, в резултат на верижната реакция, която води до производството на метан от комплексни органични вещества, се получават междинни метаболити, които могат да имат отрицателно влияние върху другите етапи на процеса.

По-специално в първите етапи на хидролиза се образуват големи количества летливи мастни киселини, които забавят образуването на метан от бактериите. В тази връзка физическото сепариране на входящите материали (биоотпадъците) на различни етапи от процеса може да подобри общото функциониране/протичане на процеса.

Този процес се извършва чрез многоетапни технологии с две или повече серии биореактори по концептуално различен начин от едноетапните технологии, където целият процес се осъществява в един-единствен биореактор (или няколко такива, включени паралелно). При многоетапните технологии може да бъде постигнато 10-20% увеличение на производството на биогаз в сравнение с едноетапните заедно с осъществяване на по-лесен контрол на биологичния процес.

Освен това, в случай на поява на грешки в един от реакторите е възможно временно да се пропусне изпълнението на един от етапите на процеса, без да се прави компромис с цялото производство. От друга страна, предимствата на едноетапните технологии са в това, че са по-евтини и изискват по-малко пространство от многоетапните.

В България функционират 12 инсталации за биогаз
В момента в страната функционират 12 инсталации за производство на биогаз по данни на Фондацията за околна среда и земеделие, изнесени по време на пресконференция в началото на годината. Според експертите биогаз инсталациите се изплащат за 10 години.

“Освен устойчивост, производството на биогаз у нас може да доведе до спиране на обезлюдяването на малките населени места и създаване на нови работни места”, заявиха от фондацията, която заедно с 8 европейски организации е партньор по международния проект “Устойчив газ”.

Проектът стартира през 2012 г. и ще приключи през март т. г. Целта му е да се повиши информираността на биопроизводителите за предимствата от изграждане на подобни инсталации.

“Инвестицията за производство на 1 kWh енергия e между 1500 и 2000 евро, докато цената му е само 10 евроцента. Вложените средства в подобна инсталация могат да се възвърнат за около 10 години, докато например капиталовложенията за изграждането на една атомна централа се връщат в рамките на 40-50 години”, коментира Борислав Сандов, координатор по проекта “Устойчив газ”.

“Фермерите могат да се сдружават, за да създават по-лесно инсталации за биогаз. Вече има подобни примери на кооперативи - край град Лом и в село Зимница. Един от най-големите производители на оранжерийни краставици в Пазарджишко също изгражда подобна инсталация. У нас към момента обаче липсва експертна оценка за това какъв е капацитетът на производството на биогаз”, обясни Албена Симеонова, председател на Фондацията за околна среда и земеделие и съпредседател на асоциация Биопродукти.



Етикети:   биогаз   биомаса   ферментация   хидролиза   ацидогенеза   метаногенеза  

Други статии от рубрика ВЕИ енергетика


« Назад
Via Expo
BPVA
Екология и Инфраструктура
 
TLL Media
WebDesignBG            © 2019 TLL Media        Начало   |   Политика за поверителност и защита на личните данни   |   Права за ползване   |   XML    
TLL Media
TLL Media