Проект «Биогаз-альтернативный источник энергии»

Министерство образования Пензенской области

ГАПОУ ПО «Пензенский агропромышленный колледж»

ПРОЕКТ

«Биогаз – альтернативный источник энергии»

Преподаватель: Г.М. Солдатова

Пенза, 2017

Содержание

Введение...…………………………………………………………...3

1.Теоритический этап……………………………………………...5

1.1. Состав биогаза…………………………………………………..5

1.2. Сырье для получения биогаза...………………………………..6

2. Практический этап ….. .…………… …………………….........7

2.1. Биогазовая установка…………………………………………...7

2.2. Функциональное назначение биогазовых установок………...8

2.3. Принцип работы биогазовой установки…………....................9

2.4. Надежность и техника безопасности при работе с биогазовой установкой………………………………………………………………11

2.5. Условия, требуемые для функционирования биогазовой установки………………………………………………………………..11

2.6. Пример расчета параметров биогазовой установки для заказа…………………………………………………………………….12

2.7. Преимущества биогазовых установок……………………….12

2.8. Результаты исследования……………………………………..13

Заключение……………………………………………………......14

Список литературы………………………………………............16

Введение.

Сейчас, во времена становящихся все выше цен на энергию и исчезающих запасов нефти и газа, все большее распространение получают альтернативные источники электропитания. Биогаз стал одним из видов топлива, применяемый для получения электричества.

Рост выбросов парниковых газов, увеличение потребления воды, ее загрязнение, истощение земель и запасов природных энергоресурсов вынуждают искать новые источники энергии. Одним из них являются биогазовые технологии.

Биогазовая установка в настоящее время является характерным элементом современного, безотходного производства во многих областях сельского хозяйства и пищевой промышленности. Если на предприятии есть отходы сельского хозяйства или пищевой промышленности, появляется реальная возможность с помощью биогазовой установки не только значительно сократить расходы на энергию, но и повысить эффективность предприятия, получить дополнительную прибыль.

Для ряда предприятий, получения биогаза позволяет частично решить не только энергетическую проблему, но также экологическую и экономическую. Данная проблема особенно актуальна для сельского хозяйства, пищевой промышленности, коммунального хозяйства, где имеется большое количество органических отходов. Оборудование для получения биогаза дает возможность получить горючий газ непосредственно на предприятиях, сжигать его в котлах предприятия для получения промышленного пара или употреблять его на другие нужды.

Биогазовая энергетика - надежная и экономически выгодная альтернатива магистральному природному газу и централизованному энергоснабжению, а также источник дешевых, экономически чистых органических удобрений, сопоставимых по органической ценности с комплексными удобрениями. Значение этого фактора будет возрастать по мере роста тарифов на газ и связанного с этим удорожанием минеральных удобрений.

Данная проблема актуальна на сегодняшний день и процесс переработки органических отходов имеет большую практическую ценность, как для экономики, так и для научного прогресса в целом.

Цель исследования:

заключается в том, что отходы сельского хозяйства и промышленности перерабатывались на биогаз, а биогаз с высокой эффективностью использовался для получения тепловой и электрической энергии для обогрева и освещения теплиц.

Задачи:

изучить литературу, интернет-ресурсы о биогазовых установках и оборудование;

максимально выработать биогаз путем создания оптимальных режимов непрерывного сбраживания биомассы;

разработать рекомендации по биогазовом топливе;

разработать рекомендации биогаз - альтернативный источник энергии и тепла для теплиц.

1. Теоретический этап

Биогаз – общее название горючей газовой смеси, получаемой при разложении органичнеских субстанций в результате анаэробного микробиологического процесса (метанового брожения).

Для эффективного производства биогаза из органического сырья создаются комфортные условия для жизнедеятельности нескольких видов бактерий при отсутствии доступа кислорода. Принципиальная схема процесса образования биогаза представлена ниже:

1.1. Состав биогаза.

 

 

Так как биогаз на 2/3 состоит из метана – горючего газа, составляющего основу природного газа, его энергетическая ценность (удельная теплота сгорания) составляет 60-70% энергетической ценности природного газа, или порядка 7000 ккал на м3. 1м3 биогаза также эквивалентен 0,7 кг мазута и 1,5 кг дров.

1.2. Сырье для получения биогаза.

Современные технологии позволяют перерабатывать в биогаз любые виды органического сырья. Это навоз, птичий помет, зерновая и меласная послеспиртовая барда, свекольный жом, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки и пр.), бытовые отходы. Используются также отходы молокозаводов (соленая и сладкая молочная сыворотка) и предприятий по производству соков (фруктовый, ягодный, овощной жом, виноградная выжимка), технический глицерин от производства биодизеля из рапса. Можно производить биогаз из отходов переработки картофеля (очистки, шкурки, гнилые клубни и пр.), различных энергетических культур (силосной кукурузы, рапса, подсолнечника, овса, сахарной и кормовой свеклы вместе с ботвой, зерновых), а также травяного силоса, смеси клевера с другими травами и пр.

Качество сырья характеризуется влажностью (чем она ниже, тем лучше), выходом биогаза и содержанием в нем метана (чем выше, тем лучше). В среднем из тонны навоза крупного рогатого скота получается 50–65 куб.м. биогаза с содержанием метана 60%, из различных видов энергетических растений — 150–500 куб.м. с 70% метана. Максимальное количество биогаза —1300 куб.м. с содержанием метана до 87 % — можно получить из животного жира.

При использовании биотехнологий для переработки отходов животноводческих и птицеферм, предприятий АПК вы всегда обеспечены сырьем и его несложно, собрать. Биогазовые установки на навозе — самые простые по конструкции. Микроорганизмы, участвующие в процессе брожения, попадают в навоз уже из кишечника животных, поэтому их не нужно добавлять к отходам для ускорения процесса разложения (как, например, в случае с некоторыми видами растительного сырья). Также не нужно оснащать установку реактором гидролиза (как с птичьим пометом).

Рис.1. Сырье для получение биогаза

2. Практический этап.

2.1. Биогазовая установка.

Биогазовая установка — это комплекс по переработке сельскохозяйственных, производственных и бытовых отходов, очищающий предприятие от грязи, вырабатывающий электричество, тепло и высококачественные удобрения. После очищения биогаза получается биометан, который используют для освещения, отопления и заправки автомобилей.

Поскольку каждая установка, как и каждый клиент, имеет индивидуальные требования, биоэнергетическая станция создается по методу модульного строительства.

Это позволяет найти индивидуальные и гибкие решения, от небольшой установки, до управляемых компьютерными системами, мощностью в диапазоне мегават.

Большинство животноводческих хозяйств сооружают биогазовые установки для получения электроэнергии и тепла. Из 1 куб.м. биогаза при сжигании в когенерационной установке (оборудование для комбинированного производства электроэнергии и тепла), можно добыть 2 кВт/час электроэнергии. Выход же самого биогаза зависит от вида используемого сырья. К примеру, из тонны навоза крупного рогатого скота образуется 50–65 куб.м. биогаза, из различных видов энергетических растений — 100–500 куб. м. Обычно БГУ производит гораздо больше электроэнергии (примерно в 1,5–2 раза), чем нужно предприятию, соответственно, излишки можно продавать. К примеру, большая молочная ферма на 4 тыс. коров, используя биогазовую установку, производит 12 МВт электроэнергии в сутки, тогда как потребляет всего 6–7 МВт. Сама биогазовая система весьма экономна: потребляет всего 10–15% от производимой энергии зимой и 3–7% летом. А вырабатываемого ею тепла достаточно не только для обогрева коровника, свинофермы или птичника, но и для текущих хозяйственных нужд: получения пара, кипяченой воды, сушки соломы, семян, дров и пр. Возле биогазовых установок выгодно ставить теплицы — излишки тепла могут идти на поддержание нужной температуры. В себестоимости тепличных огурцов, помидоров, цветов 90% затрат — это тепло и удобрения. Получается, что возле биогазовой установки теплица может работать совершенно бесплатно, с максимально высокой рентабельностью.
Обычным навозом или другими отходами удобрять почву нет смысла — они должны «вызреть» в течение трех–пяти лет. Если вы производите биогаз, одновременно получаются уже готовые к применению удобрения — это сопутствующий продукт любой биоустановки. В обычных отходах (например, навозе) минеральные вещества химически связаны с органикой, и растения не могут их «переварить». В переброженной биомассе минералы отделены от органики, поэтому легко усваиваются. Кроме того, получается экологически чистый продукт, лишенный нитритов, семян сорняков, болезнетворной микрофлоры, специфических запахов. Как показывает практика, при использовании жидких или твердых биоудобрений урожаи увеличиваются на 40–50%. Причем расход составляет от одного до пяти тонн вместо 60 т необработанного навоза для 1 га земли.

Производство биогаза не только гарантирует прибыль, но и улучшает экологию: позволяет предотвратить выброс метана в атмосферу. В процессе разложения навоза выделяется метан, способствующий образованию парникового эффекта в 21 раз больше, чем углекислый газ. Свою позитивную экологическую функцию исполняют и биоудобрения, они позволяют снизить применение химических аналогов, а также сократить нагрузку на грунтовые воды. Что немаловажно, наличие биогазовой установки позволяет уменьшить санитарную зону (расстояние от предприятия до жилой территории) с 500 до 150м.

2.2. Функциональное назначение биогазовых установок.

Переработка отходов в биогазовой установки позволяет получить:

1. Газ.

2. Электроэнергию.

3. Тепло. Тепло от охлаждения генератора или от сжигания биогаза можно использовать для обогрева теплиц, получение пара, сушки семян, в технологических целях.

4. Топливо для автомобилей.

5.Производство жидких биоудобрений в суточных объемах примерно разных суточным объемам загрузки подготовленного сырья.

Основным продуктом биогазовой установки по своей ценности является биоудобрение. Оно является основной для ведения «экологического» земледелия. Продукция, выращенная только с использованием биоудобрений, является экологически чистой и имеет рыночную стоимость существенно выше продукции, выращенной с использованием различных искусственных химических удобрений и пестицидов. Урожайность выражаемых культур с применением биоудобрений выше на 20-100%, чем без них.

2.3. Принцип работы биогазовой установки.

Рис. 3. Работа биогазовой установки

1. Животноводческие корпуса, оборудованные самосплавной системой навозоудаления.

Заготовка и доставка органического сырья, предназначенного для производства биогаза, осуществляется непосредственно в животноводческих корпусах, оснащенных самосплавными системами навозоудаления.

2. Приемный контейнер, в котором сырьевая масса подготавливается к переработке.

Хранение массы, приведение показателей сырья в соответствие с установленными нормами обеспечивается в приемном резервуаре.

3. Биогазовая установка.

В биогазовой установке ведется производство биогаза - микробиологический процесс, в ходе которого происходит разложение органического сырья при отсутствии кислорода. Центральные элементы процесса - продукция брожения и сам производимый биогаз.

4. Резервуар для сбора биогаза (газгольдер).

Произведенный в биогазовой установке газ хранится в отдельном газгольдере в течение продолжительного либо кратковременного срока.

5. Углекислотная разделительная колонка.

Полученный в биогазовой установке газ на 30–45 % состоит из углекислого газа (СО2) и на 55–70 % - из метана (CH4). При помощи разделительной колонки производится сепарация биогаза на технически чистые углекислый газ и метан.

6. Газгольдер с метаном.

Отделенный при помощи разделительной колонки метан поступает в отдельный газгольдер и хранится в нем в течение продолжительного либо кратковременного срока. При помощи данного газгольдера удается также обеспечить выравнивание потребления метана.

7. Газгольдер с углекислым газом.

Отделенный при помощи разделительной колонки углекислый газ поступает в отдельный газгольдер и хранится в нем в течение продолжительного либо кратковременного срока. Из газгольдера углекислый газ поступает на участок культивирования водоросли хлореллы, где участвует в метаболических процессах ее клеток.

8. Участок, на котором культивируется одноклеточная зеленая водоросль хлорелла в целях получения биологического витаминного концентрата.

На данном участке обеспечивается культивирование водоросли хлореллы и производство из нее биологического витаминного концентрата, который можно вводить в любые режимы кормления животных и применять для изготовления гранулированных комбикормов.

9. Газогенератор.

Метан из отдельного газгольдера поступает в газосжигающую систему и используется в качестве топлива для выработки энергии и тепла теплиц.

10.Удаление полученных азотных удобрений и вывоз их на поля.
Образующийся в реакторе осадок удаляется примерно дважды в год и в качестве удобрений вносится в почву. Объемы осадка зависят от объемов перерабатываемой биомассы, содержания сухих веществ в базовом сырье.

11. Электронасос.

Автоматика управляет включением/выключением электронасоса.

12. Теплица, отапливаемая биогазом.

Один из наиболее целесообразных и экономически состоятельных способов использования биогаза - отопление объектов тепличного хозяйства.

13. Самоходная круговая система орошения.

Посредством многофункционального оборудования системы орошения обеспечивается внесение удобрений, проращивание культур, полив и регулирование степени минерализации грунта.

14. Внесение вывезенных азотных удобрений в грунт.

Произведенные в биогазовых установках азотные удобрения являются основой «экологически чистого» земледелия. Выращенные с применением биологических удобрений культуры имеют более высокую рыночную стоимость.

Таким образом, производство биогаза представляется как наиболее привлекательный для инвесторов сектор биоэнергетики. Биогаз – не только один из перспективных сегодня возобновляемых источников энергии, способный обеспечить отопление и освещение различных сельскохозяйственных объектов, ежедневные эксплуатационные потребности хозяйств. Биогазовая установка позволяет создать замкнутое безотходное производство и обеспечивает стабильный доход.

2.4. Надежность и техника безопасности при работе с биогазовой установкой.

Основные узлы установки выполнены из полимеров, работающих при постоянной температуре и давлении. Они не подвержены коррозии, и поэтому практически вечные. Узлы, подверженные износу, такие, как мех гальгольдера, миксеры, нагреватели легко могут быть заменены в случае выхода из строя.

Гидравлическая и пневматическая система биогазовой установки сконструированы таким образом, что защита от превышения допустимого давления заложена в самой схеме реактора, а потому обеспечивается абсолютная надежность и безаварийность работы.

2.5. Условия, требуемые для функционирования биогазовой установки.

Для размещения установки нужна ровная площадка 15-30 кв.м. Для установки реактора нужна подстилка из досок. Для приготовления субстрата ежесуточно нужно 100-300л воды, желательно с температурой около 25С. Для функционирования автоматики необходимо электропитание напряжением 220В и максимальным током 5А. Для работы электрического обогрева добавляется еще ток для обогревателей из расчета 2,7А на 1 куб.м. объема реактора. Для сбора биоудобрений необходима лагуна (яма с бетонированными стенками). Можно применять и яму со стенками, укрепленными досками, ветками или другим способом, но при этом часть биоудобрений просочится в почву. Вреда от этого не будет, но только останется меньше биоудобрений для использования.

2.6. Пример расчета параметров биогазовой установки.

Допустим, что в хозяйстве есть 3 коровы, 10 свиней и 30 кур. Согласно общепринятой статистике, корова в сутки выделяет в сутки до 36кг. Навоза с влажностью 65% и плотностью 950кг./куб.м. Свинья выделяет 4кг. Навоза влажностью 65% и плотностью 600кг./куб.м. Курица выделяет 0,16кг. Помета с влажностью 75% и плотностью 1100кг./куб.м. Готовый субстрат должен иметь влажность около 90%. При условии, что соберете все отходы, это ежесуточно 108кг. навоза КРС, 40кг свиного навоза и 3,2кг куриного помета. Расчеты показывают, что понадобится 354л. воды в сутки для приготовления субстрата. Полученный субстрат будет иметь плотность 940кг./куб.м. и объема 537л.

Цикл брожения (оптимальная длительность) составит около 15 суток. Реактор биогазовой установки должен быть заполнен на 80%. Поэтому требуемый объем реактора составит 10куб.м. Поскольку вряд ли удастся собирать все отходы без потерь, то достаточно будет реактора объемом 8куб.м. Объем емкости подготовки должен быть на треть больше, чем суточный объем субстрата, чтобы можно было перемешивать субстрат без опасности разбрызгивания, т.е. около 700л.

Суммарная мощность электрических нагревателей составит 4,8кВт. В холодное время года она будет работать до 6 часов в сутки. С учетом затрат на автоматику и перемешивание это составит около 48кВт/ч. в сутки, или 1440кВт/ч. в месяц. Это самые худшие возможные условия. На самом деле такое потребление возможно только в зимнее время. Кроме того, эти расчеты не учитывают собственный разогрев реактора в результате брожения. На самом деле в холодное время года на подогрев реактора пойдет в 1,5-2 раза меньше электроэнергии. В теплое время года затраты на электроэнергии будут существенно меньше.

Такая биогазовая установка будет вырабатывать около 10-14куб.м. биогаза в сутки. Также она будет производить около 430л. жидких биоудобрений в сутки. Норматив использования биоудобрений-400-2000л./га за период вегетации. Значит, эта установка обеспечит удобрениями на год от 80 до 400га посевных площадей.

2.7. Преимущества биогазовых установок

 

1. Доступность сырья для работы установки.

2. Непрерывность технологического цикла.

3. Технологическая гибкость: использование биогаза дает возможность получения одновременно нескольких видов ресурсов – газа, моторного топлива, электроэнергии, тепла.

4. Территориальная гибкость: при использование системы компримировния и транспортировки сжатого газа когенерационные установки могут быть размещены в любом районе и не требуют строительств дорогостоящих газопроводов и сетевой инфраструктуры.

2.8. Результаты исследования

С точки зрения утилизации энергии биогаза можно выделить следующие основные направления его использования:

- для покрытия собственных энергетических нужд БГУ (в наиболее холодный период года практически весть потенциал биогаза используется для энергообеспечения установки);

- в качестве топлива для получения горячей воды или пара на покрытие технологических нужд очистных сооружений или сельскохозяйственных производств;

- в качестве топлива для получения теплового воздуха или горячих газов на сушку сельхозпродукции или обогрева сельскохозяйственных зданий;

- в теплицах для отопления и подкормки растений углекислым газом;

- для замены мазута при термической переработки отходов;

- в качестве горючего для двигателей транспортных средств;

- для получения электроэнергии.

 

Заключение.

В ходе работы был изучен вариант использования биогаза как альтернативного источника энергии и рассмотрен принцип работы биогазовой установки.

По результатам исследования можно утвердить, что эффективность использования биогаза очень высока. Биогаз в качестве альтернативного источника энергии имеет большой потенциал для развития не только на уровне сельского хозяйства, но и для всей страны.

Собственная биоэнергетическая станция.

Правильная утилизацию органических отходов. Отходы в доходы!

Биоудобрения.

При использовании удобрений, полученных на биогазовых установках, урожайность может быть повышена на 30-50%. Обычный навоз, барду или другие отходы нельзя эффективно использовать в качестве удобрения 3-5 лет. При использовании же биогазовой установки биоотходы перебраживают и, переброженная масса тут же может использоваться как высокоэффективное биоудобрение. Переброженная масса - это готовые экологически чистые жидкие и твердые биоудобрения, лишенные нитритов, семян сорняков, патогенной микрофлоры, яиц гельминтов, специфических запахов. При использовании таких сбалансированных биоудобрений урожайность значительно повышается.  

Электроэнергия. Установив био­газовую установку, предприятие бу­дете иметь свою, по сути, бесплатную электроэнергию, а значит, существен­ное снижение себестоимости продук­ции, что в свою очередь позволит пос­леднему получить дополнительные конкурентные преимущества. 

Тепло. Тепло от охлаждения генератора или от сжигания биогаза можно ис­пользовать для обогрева предпри­ятия, теплиц, технологических целей, полу­чения пара, сушки семян, сушки дров, получения кипяченой воды для содер­жания скота. Предприятие получает газ, электроэнергию, тепло, удобрения и обеспечивает замкнутый цикл производства. Проект окупается за счет уменьшения себестоимости производимой предприятием продукции, поскольку снижаются затраты на покупку газа, электроэнергии, горячей воды и удобрений.  

Дополнительная прибыль может быть направлена на погашение кредита и на развитие производства. Уменьшение энергетической зависимости, умень­шение выбросов парниковых газов, уменьшение загрязнения окружа­ющей среды отходами сельскохозяйс­твенного производства, отсутствие на предприятии неприятного запаха.

Строительство био­газовой установки актуально не только для вновь создаваемых ферм, но и для старых. Ведь часто старые лагуны пе­реполнены, и их ремонт требует значи­тельных средств. Если некоторые отхо­ды можно просто хранить в отстойниках, то на утилизацию некоторых (например, на отходы бойни) необходимо затрачи­вать энергию и средства. Требования к площадке. Установка может располагаться на месте отстойников, лагун или ста­рой свалки. Средние размеры площад­ки под установку 40х70 м.  

Список литературы

1. Баадер В. Биогаз: теория и практика. – М: Колос, 2011

2. Малофеев В.М. Биотехнология и охрана окружающей среды: Учебное пособие. М.: Издательство Арктос, 2011

3. Стребков Д.С., Ковалев А.А. Биогазовые установки для обработки отходов животноводства. Техника и оборудование для села №11, 2006.

4. Четошникова Л.М.Нетрадиционные возобновляемые источники энергии: учебное пособие. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2010.

5. Шомин А. А. Биогаз на сельском подворье. — Балаклея: Информационно-издательская компания "Балаклійщина", 2010

6. Интернет-ресурс: http://ru.wikipedia.org/wiki /Биога