- Доставка и хранение субстрата
- Подготовка субстрата для брожения
- Проведение процесса метанового брожения
- побочный продукт
- Использование биогаза производится
- суммирование
Вступление в силу поправки к Закону о возобновляемых источниках энергии от 22 июня 2016 года и введение финансовой поддержки сельскохозяйственных биогазовых установок в виде синих сертификатов привело к интенсивному развитию установок такого типа в Польше.
Согласно реестру производителей биогаза в сельском хозяйстве, подготовленному Агентством сельскохозяйственного рынка на 01/04/2017, в Польше насчитывается 97 биогазовых установок общей электрической мощностью 101 314 МВт. Новые, благоприятные после 1 июля 2016 года условия поддержки означают, что многие инвестиции в настоящее время находятся на начальной стадии подготовки документации, или старые проекты снова «вакуумированы». Предполагается, что в ближайшие несколько лет в Польше может начаться строительство до 1000 установок, а в конечном итоге до 2030 года - даже 2500.
Общая мощность этих установок может успешно заменить атомную электростанцию, запланированную на севере Польши. Однако следует помнить, что биогазовые установки представляют собой установки, которые используют процесс биологической ферментации метана для производства энергии. Следовательно, его правильная работа зависит от обеспечения надлежащих технологических условий (окружающей среды и процесса) и использования соответствующих технических средств от подачи самого субстрата, посредством его подготовки, ферментации, до управления варочной пульпой.
Это снизит риск, связанный с остановкой производства биогаза и метана, и, как следствие, с большими финансовыми потерями.
Доставка и хранение субстрата
В типичных сельскохозяйственных биогазовых установках в Европе субстратом может быть биомасса различного происхождения, включая кукурузный силос, травяной силос и свекла. Однако они являются дорогостоящими субстратами, поэтому они окупаются на рынках с высокой поддержкой энергии из биогаза (например, в Германии). В Польше в последние годы наблюдается тенденция использования отходов биомассы и отходов агропродовольственной промышленности для производства биогаза.
Отходы, образующиеся при производстве продуктов питания из растительных и животных материалов, часто являются обременительными для окружающей среды, а их хранение и утилизация требуют высоких финансовых затрат. Следовательно, преобразование побочных продуктов этого типа в биогаз, сопровождаемое электричеством и теплом, является экономически эффективным и в то же время очень полезным для окружающей среды. Особое внимание следует обратить здесь на продолжительность периода поставки субстрата биогазовой установки.
Долгосрочный контракт на поставку субстрата для биогазовой установки выгоден обеим сторонам, поскольку позволяет снизить риск ограничения производства энергии на биогазовой установке из-за нехватки сырья, а компания обеспечивает бесперебойную утилизацию биологических отходов. Подписание такого контракта должно предшествовать лабораторным испытаниям выхода биогаза, которые позволяют оценить количество произведенного биогаза и метана из 1 Мг массы свежего субстрата. Они также позволяют устранить возможный эффект ингибирования процесса ферментации метана из-за содержания, например, антибиотиков или агрессивных моющих средств.
В отсутствие собственных субстратов, годовой запас сырья для биогазовой установки в сельском хозяйстве очень важен для обеспечения непрерывности работы биогазовой установки (после запуска биогазовой установки она должна работать без перерыва даже около десятка лет). В этом случае контроль поставляемого материала важен для выставления счетов и документирования. Масса партии должна быть точно записана и периодически отбираться для анализа основных физико-химических параметров (например, pH, проводимости, сухого вещества, сухой органической массы, содержания аммиачного азота), что позволит избежать снижения качества получаемого биогаза, вызванного внезапным снижением качества самого субстрата.
В случае сельскохозяйственных биогазовых установок с электрической мощностью выше 0,5 МВт также очень важно обеспечить достаточное пространство для хранения. Стоит отметить, что установка мощностью 1 МВт требует ежедневной доставки примерно 40-50 мг кукурузы на силос, более 100 мг куриного помета или примерно 60-90 мг смешанных пищевых отходов. Размер складской площади должен соответствовать ожидаемому количеству материала и срокам компенсации.
Подготовка субстрата для брожения
Надлежащая подготовка (предварительная обработка) материалов для процесса ферментации метана может быть ключом к повышению эффективности биогаза и метана и, следовательно, к увеличению доходов от продажи произведенной электроэнергии и тепла. Он используется, в частности, для лигноцеллюлозных субстратов, которые благодаря своей сложной структуре довольно устойчивы к процессу ферментации.
В настоящее время применяются четыре типа лечения: физическое (включая воздействие высокой температуры и / или давления, например, с использованием экструдеров или кавитации), химическое (с использованием кислот и щелочей или ферментов), биологическое (с использованием соответствующих бактериальных консорциумов или грибов и дрожжей). ) и смешанный (объединяющий, среди прочего, два ранее упомянутых метода). Примером смешанного метода может быть использование польского технического решения - специализированной биогазовой установки (биотехнологический ускоритель), предлагаемой Dynamic Biogas.
Это устройство позволяет ускорить процесс биоразложения биологических отходов (даже примерно на 40-50%) по отношению к широко используемым на рынке технологиям и повысить эффективность ферментации метана (на 15-30% в зависимости от используемого субстрата).
Проведение процесса метанового брожения
Процесс ферментации метана представляет собой биохимический процесс, состоящий из четырех последовательных стадий: гидролиза, ацидогенеза, ацетогеногенеза и метаногенеза. В первом из них сложные органические соединения, то есть углеводы, белки и жиры, расщепляются гидролитическими бактериями на простые соединения (простые сахара, аминокислоты и жирные кислоты). Затем в ходе ацидогенеза продукты первой стадии превращаются в органические кислоты, спирты и газы (диоксид углерода и водород). В фазе ацетогенеза эти продукты превращаются в ацетаты.
Последней стадией ферментации является метаногенез, когда метан вырабатывается метаногенными бактериями. Однако важно, чтобы все эти этапы проходили гладко, когда в ферментационном резервуаре обеспечиваются соответствующие параметры и условия процесса. Следует также добавить, что процесс ферментации метана является анаэробным процессом, а полученный метан является горючим газом, поэтому биогазовая установка находится под наблюдением UDT и должна быть газонепроницаемой. Отсутствие надлежащего технологического надзора и основных параметров работы установки часто приводит к снижению производства биогаза.
Одним из наиболее важных параметров, который необходимо контролировать во время работы установки, является температура (оптимальная для мезофильной ферментации составляет 40-41ºC). Этот фактор существенно влияет на рост микроорганизмов и стабильное и эффективное производство биогаза. В результате любой отказ системы отопления должен быть устранен как можно скорее. В противном случае производство биогаза может прекратиться.
Другим, не менее важным параметром процесса ферментации метана является рН. Каждая камера ферментации на биогазовой установке должна быть оснащена рН-метром. Оптимальное значение этого фактора для всех метановых ферментационных бактерий находится в диапазоне 7,3-7,5. Падение pH в типичных биогазовых установках ниже 6,8 приводит к остановке процесса ферментации и подкислению резервуара. Это связано с необходимостью перезапуска биогазовой установки, которая может длиться даже несколько месяцев - и убытками, исчисляемыми сотнями тысяч злотых. Следовательно, также очень важно правильно и периодически калибровать рН-метр и рассматривать его показания как чрезвычайно важные для обеспечения стабильности процесса.
Кроме того, чтобы обеспечить правильные условия для развития бактерий, должны быть предоставлены все необходимые микро- и макроэлементы (углерод, азот, фосфор, сера, никель, кобальт, вольфрам, железо, селен и молибден). Правильное соотношение двух наиболее важных элементов (углерода и азота) должно быть в диапазоне 20-35. Следует также помнить, что вещества, которые могут ингибировать весь процесс, не вводятся в реактор ферментации при низких концентрациях. Эти вещества могут быть доставлены в резервуар вместе с субстратами, в том числе с дезинфицирующими средствами, средствами защиты растений, растворителями и антибиотиками.
Сами бродильные чаны, благодаря разработке новых строительных технологий и использованию долговечных материалов (кислотостойкая сталь, глазурованная сталь, пластик и т. Д.), Строятся с использованием новых решений. Несколько лет назад бетонные и железобетонные резервуары были самыми популярными. Их преимуществом является способность выполнять довольно недорогой способ - даже самостоятельно.
Однако следует помнить, что внутри резервуара происходят процессы (например, химическая коррозия), влияющие на резервуар. Следовательно, внутренняя часть реактора должна быть защищена соответствующими материалами, и следует использовать бетон с соответствующими свойствами. В последние годы резервуары из кислотоустойчивой стали или пластмасс стали набирать популярность. Это связано с их высокой устойчивостью к погодным условиям и коррозии, а также герметичностью и долговечностью. Их дополнительным преимуществом является возможность сборки без использования тяжелой техники.
побочный продукт
Одним из побочных продуктов процесса ферментации метана является ферментационная пульпа, которая может быть отличным удобрением, которое не несет экологических рисков. Этот продукт характеризуется значительно меньшей загрузкой ХПК и БПК5 по сравнению с материалом перед поступлением в биогазовую установку (например, ликеро-водочный завод или шлам). Другим методом управления дигестатом может быть его сушка и производство твердого биотоплива (брикеты или пеллеты). Эти виды топлива имеют теплотворную способность около 15-17 МДж / кг, благодаря чему они могут использоваться для экологического отопления домов или ферм.
Использование биогаза производится
Из-за высокой эффективности (около 87%) наиболее часто используемым способом использования биогаза, получаемого в процессе ферментации метана, является его сжигание в когенерационных двигателях. В результате этой деятельности получается электричество (используется для собственных нужд установок и ферм, а излишки продаются в электросеть) и тепло. Управление отработанным теплом в настоящее время является одним из способов улучшить экономический баланс инвестиций в биогаз. Он также может быть использован в качестве источника тепла для близлежащих ферм или сушилок.
Вторым методом управления биогазом может быть его очистка от углекислого газа, сероводорода и аммиака и закачка в местную газовую сеть. Для этого необходимо выполнить условия подключения, указанные оператором распределительной системы. Процедуры подключения биогазовой установки к газовой сети регулируются в Постановлении министра экономики от 24 августа 2011 года о подробном объеме обязательства по подтверждению данных о производстве биогаза в сельском хозяйстве, вводимых в газораспределительную сеть.
Другим решением для использования биогаза, производимого в установке, является его использование в качестве топлива для автомобилей или сельскохозяйственных тракторов. В этом случае также необходимо очищать биогаз до содержания метана выше 90% (хотя, например, Mercedes для своей модели Sprinter Biogas требует биогаз с содержанием метана всего 80%). Двигатели, работающие на метане, производят меньше шума, а топливо сжигается полностью, благодаря чему это топливо считается экологически чистым и безопасным для здоровья человека и животных.
суммирование
Процесс ферментации может быть энергоэффективным и экономически выгодным способом управления побочными продуктами сельского хозяйства и агропродовольственной промышленности. Однако следует помнить, что конечный выход производства биогаза зависит от многих факторов (в том числе рН, температуры), которые ежедневный контроль вместе с соответствующим технологическим надзором имеет решающее значение для успеха инвестиций. На этапе планирования и проектирования инвестиций также необходимо учитывать типы субстратов, которые могут быть использованы в биогазовой установке для правильного проектирования места для хранения, типы материалов, используемых для строительства бродильных чанов, способы управления варкой пульпы и производимым биогазом.
Камил Козловский
доктор хаб. Eng. Яцек Дач, проф. Associate.
