Технологічні процеси виробництва біогазу

Вихідні дані:

Тваринницький комплекс на 500 голів ВРХ.

Процес виробництва біогазу здійснюємо згідно з технологічною схемою, запропонованою на рисунку 4.12.

Розраховуємо вихід відходів від худоби відповідно до таблиці 1.

   Таблиця 1 – Середній вихід відходів від сільськогосподарських тварин

Отримуємо: вихід відходів складає 25 тонн на добу в зимовий період і 8 тонн на добу в літній період. 

Для зберігання тридобової кількості відходів використовуємо збірник 15 об’ємом 100 м³. В збірнику відбувається підготовка субстрату до бродіння і початкові стадії бродіння в аеробних умовах. У збірник 15 подаємо гарячу воду для розбавлення відходів до концентрації сухих речовин у 8%. Необхідна кількість води для розбавлення відходів в холодний період складе 15 м³. Подаємо воду теплою, рівномірно розмішуючи субстрат для отримання однорідної маси. Температура води не повинна перевищувати 50 ºС.

Теплову потужність системи нагріву визначимо згідно рекомендацій підрозділу 3.2. Для компенсації теплових втрат і підігріву субстрату необхідна потужність складе 40…50 кВт в холодний період і 20…25 кВт в теплий період.

Рекомендована добова порція субстрату, що підводиться в кожний реактор, складає  10 % від об'єму такого реактора. Загальний об'єм реакторів виберемо згідно рекомендованого заповнення у 60…70 %. При заповненні початковою масою в об’ємі 100 м³ об’єм реактора приймемо 200 м³. Верхній конус 2 реактора 1 буде використовуватися як проміжний газгольдер. 

Процес анаеробної ферментації є складним багатостадійним процесом біологічної конверсії органічних речовин, який здійснюється за участю декількох груп мікроорганізмів, що тісно взаємодіють, і перебігає в певній послідовності.

Жорсткість середовища повинна бути для нормального процесу бродіння в межах 1500…5000 мг СаСО₃ на 1 літр субстрату, а значення рН в межах 6,5…7,5. До речовин, що сповільнюють процес бродіння, належать солі важких металів, антибіотики, аміак, розчинники, лужні метали, поверхнево-активні речовини, що містяться у пральних засобах. Субстрат для анаеробного бродіння є суспензією з концентрацією сухої речовини 2…12%. Довжина стебел соломи, що може знаходитися в ньому, не повинна перевищувати 3 см. Більш великі значення наведених речовин призведуть до збільшеної в’язкості середовища, а відповідно до ускладнень при перемішуванні і утворенні бульбашок газу.

Процес утворення метану відбувається у три основні стадії   (див. рис. 1.1): на першій стадії ферментативні бактерії гідролізують органічну речовину субстрату з утворенням кінцевих продуктів  у вигляді оцтової кислоти і інших ненасичених жирних кислот, СО₂ і водню.

На другій стадії ацетогенні бактерії виробляють водень і оцтову кислоту з кінцевих продуктів першої стадії. Третя стадія – розклад метаногенними бактеріями оцтової кислоти,  СО₂ і водню в метан. У процесі розкладу важливе значення має наявність водню в системі.

Перемішування в реакторах виконується для рівномірного розподілу твердих ча­стинок і рідкої фази. Існують різні види перемішування: механічне, гідравлічне, за до­помогою отриманого біогазу. Для реакторів даного комплексу доцільно використову­вати локальний барботаж теплообмінної поверхні або лопатеву мішалку з електроприводом.

В результаті анаеробного зброджування в реакторі виділяється горюча суміш га­зів – біогаз є багатокомпонентним газом, склад якого варіюється  залежно від вихідної сировини, умов та часу бродіння. Основними компонентами біогазу є метан (50…70%), вуглекислий газ (25…45%). Також до складу входять сірководень та водень, загальна частка яких не перевищує 3%. Рівень баластових домішок в біогазі досягає рівня 50%, які не тільки перешкоджають використанню газу, але і шкодять обладнанню, трубопроводам та газгольдерам. Теплота згорання   20...25 МДж/м³.

Доцільно використовувати для двигунів суміш 15 – 20 % рідкого палива і 80 – 85 % очищеного біогазу.

З реакторів через збірний колектор біогаз підводиться до блоку очищення біогазу від сірководню 5 і вуглекислого газу 6. Найпростіше очищення проводити в скруберах, заповнених металевою стружкою під шаром води. Стружка піддається іржі, а холодна вода  додаткового абсорбує діоксид вуглецю.  Фільтри розраховані на тижневу робо­ту. Після чого слід проводити регенерацію стружки в умовах навколишнього середо­вища із відділенням твердих частинок відновленої сірки.

Після пристроїв очищення біогаз надходить на газгольдер 7, де зберігається і відкачується на потреби господарства по трубопроводу 8 і на потреби БГУ – по трубопроводу 9.

Блок автоматичного керування, що працює відповідно до програми, складеній на базі теорії нечіткої логіки, здійснює моніторинг і управління системою. Блок регулює тиск  газу в реакторах та газго­льдері, температуру шарів субстрату в реакторі, рівень субстрату в реакторах,  подачу теплоносія та захист калорифера від замерзання, температуру у збірнику сировини.

Заброджену органічну масу використовують як високоякісне орга­нічне добриво, що поновлює живильний шар ґрунту і збільшує врожайність культур на 40…60 %.