Биогазовые установки: состав и принцип работы

Что такое биогазовая станция ZORG™

Биогазовая станция ZORG™ производит путем бескислородного брожения (анаэробного сбраживания) биогаз и биоудобрения из биоотходов сельского хозяйства, пищевой промышленности, а также из специально выращенных энергетических культур.

Промышленная биогазовая станция - это строительный объект, в котором доля оборудования составляет 50-60%. Принципиально - это закрытые реакторы (или ферментеры, дигестеры, метантенки, биоректоры) выполненные из монолитного железобетона или стали с покрытием. Большинство видов сырья можно смешивать. Различие лишь в устройствах загрузки сырья. Для твердых видов сырья - это шнековые загрузчики, для жидких - приемные резервуары с насосной станцией. Конструкция модульная с диаметром от 8 м до 24 м в диаметре и до 9 м высотой. При увеличении мощности увеличивается количество реакторов.

Схема биогазовой установки

Принцип работы биогазовой установки ZORG™

Жидкие биоотходы перекачиваются на биогазовую установку фекальными насосами по бардопроводу или трубопроводу навозоудаления. Канализационная насосная станция (КНС) находится в специальном технологическом помещении. Твердые отходы (например, навоз, помет) доставляются по транспортерной ленте, а с хранилища помета или навоза трактором. Жидкие отходы попадают не прямо в реактор, а в предварительную емкость. В этой емкости происходит гомогенизация массы и подогрев (иногда охлаждение) до необходимой температуры. Обычно объем такой емкости на 2-3 дня. Твердые отходы могут сгружатся в емкость с жидкими отходами и перемешиваться с ними. Либо твердые отходы загружаются в специальный шнековый загрузчик.

Из емкости гомогенизации и загрузчика твердых отходов биомасса (навоз или помет или барда) поступает в реактор (другое название биореактор, метантенк, ферментатор). Реактор (биореактор, метантенк, ферментатор) является газонепроницаемым, полностью герметичным резервуаром из кислотостойкого железобетона. Это конструкция теплоизолируется слоем утеплителя. Толщина утеплителя рассчитывается под конкретные климатические условия. Внутри реактора (метантенка, ферментатора) поддерживается фиксированная для микроорганизмов температура. Температура в реакторе мезофильная (30-41°С). В отдельных случаях применяются реакторы с термофильным режимом (около 55°С). Перемешивание биомассы внутри реактора производится несколькими способами. Способ перемешивания выбирается в зависимости от типа сырья, влажности и других параметров. Перемешивание производится наклонными миксерами, миксерами типа "падл-гигант", погружными мешалками. Материал всех перемешивающих устройств - нержавеющая сталь. В отдельных случаях перемешивание не механическое, а гидравлическое. Т.е. масса раздается насосами по трубкам в слой, где живут колонии бактерий. Реакторы бывают бывают с деревянным или железобетонным сводом. Срок службы реактора более 25-30 лет.

Подогрев реактора ведется теплой водой. Температура воды на входе в реактор 60°С. Температура воды после реактора около 40°С. Система подогрева - это сеть трубок находящихся внутри стенки реактора, либо на ее внутренней поверхности. Если биогазовая установка комплектуется когенерационной установкой (теплоэлектрогенератором), то вода от охлаждения генератора используется для подогрева реактора. Температура воды после генератора 90°С. Теплая вода с температурой 90°С смешивается с водой 40°С и поступает в реактор с температурой 60 °С. Вода специально подготовленная и рециркуляционная. В зимний период биогазовой установке требуется до 70% вторичного тепла отведенного от теплоэлектрогенератора. В летний - около 10%. Если биогазовая установка работает только на производство газа, тогда теплая вода берется от специально установленного водогрейного котла. Затраты тепловой и электрической энергии на нужды самой установки составляют от 5 до 15% всей энергии, которую дает биогазовая установка.

Среднее время гидравлического отстаивания внутри реактора (в зависимости от субстратов) – 20–40 дней. На протяжении этого времени органические вещества внутри биомассы метаболизируются (преобразовываются) микроорганизмами. Для кукурузного силоса период брожения состваляет 70-160 дней. Период брожения определяет объем реактора.

Всю работу по сбраживанию отходов проделают анаэробные микроорганизмы. В биореактор микроорганизмы вводятся один раз при первом запуске. Дальше никаких добавок микроорганизмов и дополнительных затрат не требуется. Введение микроорганизмов производится одним из трех способов: 1) введение концентрата микроорганизмов; 2) добавление свежего навоза или 3) добавление биомассы с другого действоющего реактора. Обычно используется 2 и 3 способ из-за дешевизны. В навозе микробы присутствуют и попадают в него еще из кишечника животных. Эти микроорганизмы полезны и не приносят вреда человеку или животным. К тому же реактор - это герметичная система. Поэтому реакторы, а точнее их назвать ферментерами, располагаются в непосредственной близости от фермы или производства.

На выходе имеем два продукта: биогаз и биоудобрения (компостированный и жидкий субстрат).

Биогаз сохраняется в емкости для хранения газа - газгольдере. Здесь в газгольдере выравниваются давление и состав газа. Газгольдер ZORG™- это 3-х слойная конструкция, из специальных PVC, PE ткани и EPDM. Материал купола стоек к солнечному свету, осадкам и испарениям в реакторе. Срок службы газгольдера 15 лет. Газгольдер герметически накрывает реактор сверху. Над газгольдером накрывается дополнительно тентовое накрытие. В пространство между газгольдером и тентом закачивается воздух для создания давления и теплоизоляции. В отдельных случаях газгольдер представляет собой много-камерный мешок. Такой мешок в зависимости от проектного решения может крепиться сверху бетонного свода ремнями либо в специальной бетонной емкости. Запас объема газгольдеров обычно 0,5-1 день.

Из газгольдера идет непрерывная подача биогаза в газовый или дизель-газовый теплоэлектрогенератор. Здесь уже производится тепло и электричество. 1м3 газа дает 2кВт*ч электрической и 2кВт*ч тепловой энергии. Крупные биогазовые установки имеют аварийные факельные установки на тот случай, если двигатель/двигатели не работают и биогаз надо сжечь. Газовая система может включать в себя вентилятор, конденсатоотводчик, десульфулизатор и т.п.

Всей системой управляет система автоматики. Система контролирует работу насосной станции, мешалок, системы подогрева, газовой автоматики, генератора. Для управления достаточно всего 1 человека 2 часа в день. Этот человек ведет контроль с помощью обыкновенного компьютера. После 2-х недельного обучения на установке может работать человек без особых навыков, т.е. после училища.

Переброженная масса- это биоудобрения, готовые к использованию. Жидкие биоудобрения отделяются от твердых с помощью сепаратора и сохраняются в емкости для хранения биоудобрения. В Германии этот субстрат - аммиачная вода в основном используется как удобрение из-за высокой концентрации аммиака (NH₄). Твердые удобрения хранятся на специальном участке. Из емкости хранения жидких удобрений насосами масса перекачивается в бочки-прицепы и вывозится на свои поля или на продажу. Как вариант возможна комплектация биогазовой установки линией фасовки и упаковки биоудобрений в бутылочки по 0,3; 0,5, 1,0 л. Если биоудобрения не представляют никакого интереса для собственника, что вообще странно, и требуется избавится от жидкого субстрата, тогда биогазовая установка комплектуется устройствами с дополнительными степенями очистки.

В случае, когда предприятию требуется не электроэнергия, а газ для заправки автомобилей, биогазовая установка комплектуется системой очистки и метановой заправочной станцией. Система очистки биогаза - устройство по отделению CO₂из биогаза. Например, если требуется техническая углекислота, то по принципу абсорбера- десорбера. Содержание углекислого газа доводится с 40% до 10% ( и даже 1%, если требуется). Такой вариант чрезвычайно может быть интересен, ввиду дороговизны солярки.

Для отдельных видов сырья описанный выше способ требует коррекции. Например, такой способ совершенно недопустим для моносырья как послеспиртовая барда и пивная дробина. В таком случае используется двухстадийная технология с дополнительными реакторами гидролиза. Особеностью процесса является поддержание уровня кислотности в реакторах гидролиза. Технология запатентована компанией ZORG и тщательно охраняется, что делает невозможным другим компаниям, даже если им станет известно ноу-хау, использовать этот метод и устройство.

Установка на себя потребляет всего 10-15% энергии зимой и 3-7% летом. Для работы очень большой установки достаточно 1 человека 2 часа в день.

Состав оборудования и сооружений биогазовой установки
1. Приемный резервуар с насосной станцией
2. Загрузчик твердого сырья
3. Реактор (другое название биореактор, метантенк, ферментатор)
4. Мешалки
5. Газгольдер (хранилище газа)
6. Система смешивания воды и отопления
7. Газовая система
8. Насосная станция
9. Сепаратор
10. Приборы контроля
11. КИПиА с визуализацией
12. Аварийные факельные горелки и система безопасности

Фотографии частей биогазовой установки


Загрузчик твердых отходов	Насосная станция

Реактор изнутри	Сепаратор

Газгольдер	Аварийный клапан сброса биогаза

Система распределения тепла	Ко-генератор

Ко-генератор в контейнере	КИПиА

Визуализация процессов	Визуализация процессов на биогазовой станции в с. Великий Круполь

Биогазовая установка для переработки биоотходов