Основными элементами биогазовой установки являются: камера сбраживания (реактор, метантенк); устройства поддержания постоянной температуры в реакторе; устройство, обеспечивающее перемешивание субстрата в реакторе; устройство накопления и хранения биогаза (газольдер).
Характеристика этих элементов приведена в работе [8]. Поэтому рассматриваются наиболее рекомендуемые схемы биогазовых установок (БГУ) для нужд сельского хозяйства.
На рис. 4.17 приведена принципиальная схема установки, предназначенная для фермерских хозяйств [105]. Схемой предусмотрено подогрев и перемешивание субстрата, что повышает эффективность процесса брожения. Субстрат подогревается за счет части теплоты, вырабатываемой котлом. Котел работает на биогазе и используется для теплоснабжения систем отопления, горячего теплоснабжения, запаривания кормов. Некоторое количество газа можно использовать для бытовых газовых плит. Масса, находящаяся в реакторе, перемешивается механической мешалкой с электроприводом.
Рис. 4.17. Схема фермерской биогазовой установки мого субстрата используется в качестве удобрений.
Для более крупных хозяйств рекомендуется установка, схема которой изображена на рис. 4.18. В этой установке биогаз используется также в качестве топлива для электростанции с двигателем внутреннего сгорания. Схемой предусмотрена установка для очистки биогаза от сероводорода и СО2. Подобная БГУ вырабатывает тепловую и электрическую энергию.
В крупных сельскохозяйственных и птицеводческих предприятиях, расположенных в районах, где целесообразно пользоваться энергией солнца и (или) ветра, рекомендуется комбинированная биогазовая установка, принципиальная схема которой приведена на рис. 4.19 [105].
Более универсальной является биоэнергетическая установка, изображенная на рис. 4.20 [106]. Схемой предусмотрено наличие компрессора, благодаря чему установка позволяет накапливать биогаз вне зависимости от его потребления. Такие установки более удобны в эксплуатации, в особенности при выработке тепловой и электрической энергии, графики потребления которых могут не совпадать во времени.
Одна из возможных схем фермерской биогазовой установки приведена на рис. 4.21. Другой возможный вариант биогазовой установки показан на рис. 4.22 [107].
Рис. 4.18. Схема энергокомплекса с биогазовой установкой для средних и крупных сельскохозяйственных предприятий
Рис. 4.19. Схема энергокомплекса с биогазовой установкой и газокомпрессорной станцией для крупных сельскохозяйственных предприятий
Рис. 4.20. Солнечно-биогазовая установка:
1,9 — теплообменники; 2 — метантенк; 3, 7,8,5 — насосы; 4 — предохранительный клапан; 6 — отстойник; 10 — котел; 11,12,13,15 — вентили; 14 — регулирующий клапан; 16 — компрессор; 17 — газгольдер; 18 — солнечный коллектор; 19 — подача навоза; 20 — в атмосферу; 21 — сброженный навоз; 22 — к потребителю биогаза; 23 — дизельная электростанция; 24 — электроэнергия к потребителю; 25 — ветродвигатель;--------------------- о------------------------------------------------ трубопровод навоза; в трубопровод теплоносителя; г газопровод; а—
------ трубопровод антифриза
Рис. 4.21. Технологическая схема биоэнергетической установки:
1 — ферма; 2 — насос; 3 — приемная емкость навоза; 4 — центробежный насос с измельчителем НЦИ-Ф-100; 5 — виброгрохот ГБН-100; 6 — емкости; 7 — насосы ФГ-57,5/9,5б; 8 — выдерживатель; 9 — реактор; 10 — газовые клапаны; 11 — водокольцевой вакуум-насос ВВН-1,5М; 12 — конденсатосборник; 13 — компрессор отбора газа УК-1М; 14 — газосчетчик барабанный ГСБ-400; 15 — навозохранилище
Более перспективной является установка, в которой применяется двухстадийное брожение субстрата. Она предназначена для подготовки исходной биомассы (измельчение, гомогенизация, нагрев) к брожению, аэробного (кислотного) брожения и, наконец, анаэробного (метанового) брожения и состоит из следующих основных блоков (рис. 4.23):
— блок подготовки — он включает: приемник исходной биомассы, оборудованный измельчителем 1 длинноволокнистых включений; теплообменник-рекуператор 2 «исходная биомасса — сброженное удобрение»; насос загрузки и датчики уровня массы;
Рис. 4.22. Технологическая схема производства биогаза:
1 — ферма; 2 — навозоприемник; 3 — насос; 4 — метантенк; 5 — газгольдер;
6 — теплообменник; 7— котел; 8 — навозохранилище
Рис. 4.23. Технологическая схема БЭУ
- блок брожения — он включает: выдерживатель 3 (реактор первой стадии — кислотной и реактор 7 второй стадии — метановой); теплообменники 4 нагрева и компенсации теплопотерь массы; насос-дозатор 5 для загрузки массы в реакторы; запорную и регулирующую арматуру в;
- энергоблок — он включает: котел газовый 9 и мотор-генератор 10 для получения теплоты и электроэнергии; компрессор биогаза 16; очиститель биогаза 15; газгольдер 13, оборудованный преобразователем давления газа 11 и свечой сброса излишков биогаза 12; клапаны 14 обратные и для регулирования биогаза; датчики уровня, давления и температуры теплоносителя, расходомеры и другую измерительную и исполнительную аппаратуру;
- автоматическая система управления (АСУ) 8.
Краткая техническая характеристика установки (базовой): рабочий объем реактора — 125 м3;
число реакторов — 2;
пропускная способность по перерабатываемому навозу влажностью 86...96 % — 30...50 м3/сут;
степень разложения органического вещества — до 40 %; выход биогаза (расчетный) — до 750 м3/сут;
объем биогаза, используемого на покрытие энергетических потребностей хозяйства — не менее 250 м3/сут.
В настоящее время в рамках проекта технической помощи правительства Королевства Нидерландов в Украине сооружается демонстрационная биогазовая установка (рис. 4.24). Она предназначена для переработки 80 м3/сут свиного навоза. Производительность — 3300 нм3/сут биогаза.
Из произведенного биогаза по проекту должно быть выработано: товарной электроэнергии « 1,09 ГВт-ч (номинальная мощность 160 кВт); теплоты « 0,5 ГВт· ч (номинальная мощность 300 кВт).
Для повышения эффективности работы БЭУ целесообразно сочетать ее с другими возобновляемыми источниками энергии. Возможный вариант комплексного использования энергии ветра и солнца с биогазовой энергией приведен на рис. 4.20.
Рис. 4.24. Биогазовая установка, сооруженная по проекту Голландии
Центром «Экономии ресурсов окружающей среды» под руководством Е.С. Панцхавой разработан проект комбинированного автономного модуля биогаз-ветро-солнечной ТЭС для типовой животноводческой формы КРС на 100 голов.
Основные характеристики установки следующие:
установочная мощность — 60 кВт (тепловых) и 10... 15 кВт (электрических);
количество компрепированного биогаза при давлении 10...30 атм — 10...30 м3/мин;
площадь солнечных коллекторов — 36 м2;
количество подогретой воды при t = 60 °C — 2000 л/сут;
мощность ветроэлектрогенератора — 8... 10 кВт.
При условии реализации произведенного установкой удобрения (72 т/год) вся система окупится менее чем за 0,5 года.
