Біоенергетика. Перспективи використання біогазу на Старовижівщині

Управління освіти і науки Волинської облдержадміністрації

Волинське відділення МАН України

Загальноосвітня школа І-ІІІ ступеня с. Любохини

 

 

 

 

 

Відділення: фізики й астрономії

Секція: теоретична фізика

 

 

 

 

 

 

 

 

Біоенергетика. Перспективи використання біогазу на Старовижівщині 

 

 

Роботу виконала:

Кривець Лілія

учениця  9 класу

ЗОШ І-ІІІ ступеня

с. Любохини

 

 

 

Науковий керівник:

Цьось Ю. А.

вчитель фізики

ЗОШ І-ІІІ ступеня

с. Любохини

 

 

 

Любохини – 2013

Зміст

 

Вступ.............................................3

Розділ 1. Загальна характеристика біоенергетики...............5

1.1. Анаеробне зброджування.............................5

1.2. Конструкція біогазових установок......................9

 

Розділ 2. Добування біогазу в домашніх умовах……………………….15

2.1. Розрахунки біоенергетичного потенціалу біогазу.....……….……. 15

2.2. Установки для отримання біогазу в домашніх умовах……………17

2.2.1. Біогазова установка з періодичним завантаженням реактора…..17

2.2.2. Біогазова установка з реактором безперервного завантаження...19

2.3 Енергетичний потенціал сільськогосподарських відходів......20

Висновки..........................................23

Список використаних джерел............................24

Додатки ...........................................25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вступ

Головною проблемою України та багатьох інших країн у наш час стає пошук перспективних джерел енергії. Джерела енергії, які використовує людство, поділяються на відновлювані й невідновлювані. Відновлювані не порушують теплового балансу Землі, оскільки під час їх використання відбувається лише перетворення одних видів енергії на інші. Зате використання невідновлюваних спричинює додаткове нагрівання атмосфери й гідросфери. Безперечно людству потрібна енергія, причому потреби в ній збільшуються з кожним роком, так наша держава забезпечена власним вугіллям на 95%, нафтою – на 8% і природним газом – на 22% , тобто  запаси традиційних природних палив скінченні. Скінченні також і запаси ядерного палива - урану, з якого можна отримувати в реакторах плутоній. Практично невичерпні запаси термоядерного палива – водню, проте керовані термоядерні реакції поки не освоєні. Залишаються два шляхи: сувора економія при витрачанні енергоресурсів і використання альтернативних джерел енергії.

Альтернативна енергетика включає в себе енергію вітру, сонця, припливів, морських хвиль, геотермальну енергію та біомасу.

Біомаса вважається одним із ключових поновлюваних енергетичних ресурсів майбутнього. Людство використовує біомасу для задоволення енергетичних потреб з часів Палеоліту, коли первісні люди запікали м'ясо убитих тварин, використовуючи тепло лісових пожарищ. На сьогоднішній день головним джерелом біомаси є відходи сільського та лісового господарств,  тверді побутові відходи, каналізаційні стоки. Біомаса - це органічна сировина для виробництва біогазу, інтерес до використання якого в останні роки не тільки не зменшується, а й продовжує зростати. Його отримання – ефективний спосіб утилізації відходів сільського господарства.

Актуальність роботи полягає у тому, що:

•      пошук альтернативних екологічно чистих джерел енергії є одним з пріоритетних напрямків фізики;
•                  біоенергетика, зокрема біогаз, являє собою екологічно чистий  вид енергії, який  може замінити значну частину традиційної енергії .

Новизна наукової роботи полягає в тому, що ми вперше дослідили економічну доцільність використання біогазових установок на  Старовижівщині та перспективи отримання біогазу в районі .

Метою наукової роботи є ознайомлення з сучасним положенням розвитку біоенергетики та способами отримання біогазу, а також  отримання біогазу на основі відходів сільського господарства та методи його підрахунку.

Мета роботи передбачає розв’язання таких завдань:

•      описати процес анаеробного зброджування та конструкції біогазових установок;
•      окреслити перспективи використання біомаси та відходів сільського господарства для добування біогазу в нашій місцевості;
•      оцінити вихід біогазу з різних  типів відходів.

Об’єктом дослідження являється біоенергетика як вид альтернативної енергії.

Предметом дослідження є відходи сільського господарства як джерело  біогазу.

Практичне значення цієї роботи полягає в можливості використання її результатів на уроках фізики, факультативах, гуртках, секціях МАН.

Джерельною базою наукової роботи є матеріали, зібрані членами секції, досліди, теоретичні підрахунки та дані, взяті з огляду літератури.

Теоретичну базу дослідження становлять наукові праці, які використовувалися під час дослідження, огляд літератури.

 

 

 

 

 

Розділ 1. Загальна характеристика біоенергетики

 

Останнім часом все більшу увагу привертають нетрадиційні з технічної точки зору джерела енергії: сонячне випромінювання, морські приливи і хвилі та багато іншого. Деякі з них, наприклад вітер, знаходили широке застосування і в минулому, а сьогодні переживають друге народження. Одним із «забутих» видів сировини є і біогаз, що використовувався ще в Стародавньому Китаї і знову «відкритий» у наш час. Схема біогазової установки (БГУ), яка використовувалася в Стародавньому Китаї, наведена в додатку А.

Постійно зростаючі об’єми сільськогосподарських та промислових відходів створюють цілий ряд проблем щодо їх збору, транспортування, зберігання, переробки. Їх присутність створює також несприятливу екологічну обстановку, пов’язану із забрудненням навколишнього середовища, ґрунтових вод та ґрунту.

Найперспективнішим вирішенням цієї проблеми є утилізація сільськогосподарських відходів в біогазових установках з отриманням біогазу та рідких високоякісних органічних добрив. Одночасно установка може бути використана для переробки стоків побутової каналізації та індивідуальних господарств. Схема переробки органічних відходів на біогазових установках та основні  джерела видобутку біогазу  подані у додатку Б.

1.2. Анаеробне зброджування

В основу роботи біогазової установки  закладено біологічний  процес анаеробного зброджування, який можна застосовувати до практично будь-якого виду біоенергетичних ресурсів. Проте най­більш поширеним є їх пристосування до ресурсів з високим вміс­том вологи.

Газ, що утворюється на основі анаеробного розкладу органічної речовини, був відкритий Ширлі у 1667 році та отримав назву «бо­лотного газу» через його велику кількість у товщі застійних вод.

У 1884р. У. Гайон, учень Л. Пастера, представив результати досліджень, що були присвячені процесу ферментації і під час яких було встановлено, що газ, отриманий у процесі ферментації, може бути використаний як енергетичний ресурс для виробітку теплової та електричної енергії.

У першій половині XX століття вивчалися різноманітні техноло­гії ферментації, зокрема вплив різних видів сировини, мікрофло­ри. Вивчалися й температурні режими протікання процесу генера­ції метану.

Значне привертання уваги світового суспільства до процесу анаеробної ферментації органічних відходів, як до джерела отри­мання енергетичного ресурсу, почалося під час нафтових криз у ка­піталістичних країнах (перша з них сталася у 1973 році).

І нарешті, в останні десятиріччя слід значення розширення використання біогазу для запобігання викидів парникових газів в атмосферу.

Біогаз являє собою суміш газів, більшу частину якої складають метан (СН₄) та двоокис вуглецю (С0₂). Також як домішки до складу біогазу входять сірководень (H₂S), азот (N₂), водень (Н₂), моноокис вуглецю (СО) та ін.

Основними характеристиками біогазу як енергетичного ресурсу є вміст метану та його теплотворна здатність. Вміст метану в складі біогазу залежить від використаного біоенергетичного ресурсу, а та­кож від технології його отримання.

Теплотворна здатність, що має тісний зв'язок із вмістом мета­ну, коливається найчастіше від 17 до 25 МДж/м³. У разі застосування технологій очищення біогазу від домішок, які були перераховані вище, теплотворна здатність може сяга­ти до 35 МДж/м³.

З технологічної точки зору, в процесі анаеробної ферментації (метаногенезу) вирізняють певні стадії:

стадія гідролізу — вихідний субстрат, що вміщує полімерні сполуки, розкладається до мономерів. Для різних субстратів (целюлоза, крохмаль, пектин, білки) гідроліз проводиться різ­ними мікроорганізмами;

стадія ацидо- та сольвентогенезу — перетворення продуктів гідролізу в суміш жирних кислот та нейтральних розчинників. Спостерігається виділення водню, двоокису вуглецю, сірковод­ню, аміаку. На даній стадії втілюються різноманітні види бро­діння — спиртове, маслянокисле та ін. Перетворення здійснюється за допомогою гідролізерів та «мікрофлори розсіювання», що поглинає продукти гідролізу та забезпечує їх зброджування;

 ацетогенна стадія – тісно пов'язана з метаногенною, тому що остання використовує водень, що утворюється за ацетогенезу;

метаногенна стадія — перетворення в метан та двоокис вугле­цю отриманої сировини: 1) суміші двоокису вуглецю та водню; 2) ацетату; 3) форміату; 4) метанолу; 5) метиламінів; 6) монооксиду вуглецю. Всього існує 13 видів метанобактерій, які між собою поділяються за використовуваною сировиною. [1]

Відомо 3 термічні режими метаногенезу:

психрофільний (+5 °С — +20 °С);

мезофільний (+30 °С — +42 °С);

термофільний (+54 °С — +56 °С).

На практиці найчастіше застосовуються мезо- і термофільний режими. Взагалі, можна сказати, що при переході від одного режи­му до іншого ефективність процесу зростає приблизно в 1,5-2 рази, що виражається, зокрема, в часі, який необхідний для зброджування сировини. [2]

У технологіях виробництва біогазу можна виділити:

•                  неконтрольоване виробництво біогазу на звалищах;

•                  зброджування біогазу в реакторах.

Виробництво біогазу на звалищах здійснюється на порівняно значній глибині в товщі звалища (близько 5 метрів та глибше). Звалища являють собою величезні реактори з виробництва біогазу. Проте проблемою є те, що ми не можемо контролювати процес метаногенезу. Як наслідок, по-перше, біогаз звалищ твердих побутових відходів виробляється незалежно від того, бажаємо ми цього чи ні. Тому використання біогазу звалищ є одним з основних пріоритетів у розвитку біоенергетики. По-друге, склад біогазу є дуже нестабільним та містить велику кількість домішок. Як результат, необхідно встановлювати додаткове обладнання для очищення біогазу.

Для інших типів біоенергетичних ресурсів використовується технологія зброджування відходів у реакторі. Існують два основні типи реакторів: з періодичним завантаженням – сировина завантажується у реактор, знаходиться там протягом певного часу (зазвичай це 2-3 тижні), потім замінюється новою. Іншим типом є реактори безперервного завантаження — субстрат рухається з досить повільною швидкістю по реактору і під час його доходження до кінця шляху в реакторі стає вже збродженою сировиною. Загальна схема процесу контрольованого виробництва біогазу подана на рисунку 1.

Рис.1. Загальна схема процесу контрольованого виробництва біогазу

 

Виробництво теплової енергії з біогазу було одним з основних способів використання біогазу у другій половині XX століття. Про­те для цього застосовувались інші види сировини — осад стічних вод, відходи тваринництва. Навіть у містах України (зокрема, у Харкові) відомі приклади генерації біогазу з осаду станцій очи­щення стічних вод з метою забезпечення власних потреб у тепловій енергії, а також для створення локальних теплових мереж для опалення будинків. [3]

Виробництво електричної енергії є найбільш популяр­ним способом утилізації біогазу в розвинених країнах. На думку вітчизняних експертів, цей спосіб переробки є оптимальним для застосування в разі відсутності поблизу потенційних споживачів біогазу для опалення.

Вироблення теплової та електричної енергії за принципом когенерації є найбільш ефективним способом переробки біогазу — ККД при цьому складає близько 85 %.

 

1.2. Біогазова установка (БГУ)

Біогазова установка складається з трьох основних елементів: вхідний резервуар, вихідний резервуар та сам реактор. Зверху реактор закритий рухомою кришкою, у яку вмонтована труба для біогазу. Зовнішня кришка встановлюється рухомою, тому що раз на рік біогазовий реактор необхідно повністю прочищати, аби уникнути накопиченню твердих часток на дні реактора. [4]

Біогазовий реактор може бути виготовлений із будівельних матеріалів, таких як цегла, камінь, бетон, а також з металевої цистерни, яка була у вжитку. (додаток В)

Він може бути розташований над поверхнею землі на фундаменті, закопаний у землю або встановлений усередині приміщення, в якому знаходяться тварини. Важливою вимогою до реактора є забезпечення герметичності і корозійної стійкості.

Розміри реактора визначаються індивідуально для кожного господарства на основі наявного поголів’я домашніх тварин і з врахуванням його можливого збільшення. У випадку, коли невідома точна добова кількість відходів, для визначення необхідного об’єму реактора рекомендується використовувати дані, наведені в таблиці:

 

Таблиця 1.

Об’єм реактора в залежності від кількості гною,

отриманого від однієї тварини

Види тварин		Об’єми реактора, м3
ВРХ	Теля до року	0,45-0,75
	Теля віком від одного до двох років	1,05-1,75
	Теля від двох років і більше, корова	1,5-2,5
	Племінний бик	1,8-3,0
Свині	Порося до 12 кг	0,02-0,03
	Порося від 12 до 20 кг	0,03-0,05
	Порося від 20 до 45 кг	0,09-0,15
	Свиня 45-60 кг (відгодівля)	0,24-0,4
	Племінна свиня понад 60 кг	0,5-0,83
Коні	Жеребець і кінь до трьох років	1,05-1,75
	Кінь від трьох років і більше	1,65-2,75

 

Головний критерій при виборі конструкції реактора – це можливість реалізувати її на практиці та зручність з точки зору обслуговування та експлуатації. [5]

При наявності металевої цистерни достатнього об’єму необхідно перевірити внутрішню і зовнішню поверхні стінок на предмет наявності раковин, якості зварки, наявності отворів та інших пошкоджень, які повинні бути усунені. Тоді ці поверхні треба очисти і пофарбувати.

Робота біогазової установки передбачає щоденне завантаження сировини і вивантаження збродженого гною.

Найпростішим способом завантаження і вивантаження є спосіб переливу, який полягає в тому, що при завантаженні свіжого гною рівень сировини в реакторі піднімається і через з’єднану з ним переливну трубу така ж кількість збродженої сировини вивантажується в ємність для збору.

Для забезпечення герметичності реактора в процесі завантаження і вивантаження вхідна і вихідна труби розташовані під нахилом до вертикальної осі таким чином, щоб нижній кінець труби був розташований нижче рівня рідини. Завдяки цьому створюється гідравлічний затвор, який перешкоджає проникненню повітря в реактор Для рівномірного розподілу свіжої сировини по всьому об’єму реактора та ефективності видалення переробленого шламу труби завантаження і вивантаження розташовані на протилежних сторонах реактора.

Маса, яка завантажується, може містити тверді частинки достатньо великих розмірів, наприклад, підстилковий матеріал, стебла рослин, а також сторонні предмети. Для того, щоб труби не забивались, їх діаметр повинен бути не менше 300 мм. Завантажувальна труба має бункер для попередньої підготовки сировини.

Зброджена маса видаляється з реактора автоматично переливом через вивантажувальну трубу в момент завантаження свіжої сировини. З реактора зброджена маса потрапляє в спеціальну ємність, яка слугує для тимчасового зберігання переробленої сировини. Ця й інша ємності можуть бути виготовлені з бетону чи металу.

Інший спосіб завантаження – пневматичний, коли підготовлена сировина завантажується в реактор під тиском біогазу.

Для покращення виділення біогазу необхідно підтримувати постійну температуру, тобто в реактор необхідно вмонтувати систему підігріву зброджувальної речовини.

Найпоширенішою схемою є система опалення від водонагріваючого котла, який працює на біогазі, електриці або твердому паливі. В якості нагріваючих елементів застосовують теплообмінники у вигляді змійовиків або паралельно зварених труб, де теплоносієм служить гаряча вода температурою біля 60˚С. Вища температура підвищує ризик налипання зважених частинок на поверхні теплообмінника.

Теплообмінники рекомендується розташовувати в зоні дії перемішуючого пристрою, що допомагає уникнути осадженню твердих частинок на його зовнішній поверхні.

При монтуванні системи опалення важливо забезпечити умови, необхідні для природної циркуляції рідини в системі. Для цього треба забезпечити подачу гарячої води у верхню точку системи і повернення охолодженої води в нижню точку.

На трубопроводах опалення повинні бути встановлені вентилі для випуску повітря з верхніх точок, а на системі підігріву устаткування – розширювальний бачок для компенсації зміни об’єму води. Для контролю температури всередині реактора повинен бути встановлений термостат

Перемішування сировини в реакторі підвищує ефективність роботи біогазової установки, запобігає осадженню твердих частинок на теплообмінники і дно реактора, перешкоджає утворенню кірки на поверхні. Перемішування може бути постійним або періодичним в залежності від режиму роботи реактора.

Перемішування в основному може бути зведено до наступних способів: механічними мішалками, біогазом, який пропускається через товщину сировини, і перекачуванням сировини з верхньої зони в нижню.

Механічні мішалки з ручним приводом найпростіші у виготовленні та експлуатації при використанні в реакторах невеликих установок з незначним виходом біогазу.

Конструктивно вони представляють собою горизонтально або вертикально встановлений вал всередині реактора паралельно чи співвісьно центральній осі. На валу закріплені лопаті чи інші елементи з гвинтовою поверхнею, які забезпечують переміщення сировини, збагаченої метановими бактеріями, від місця вивантаження до місця завантаження. Це дозволяє збільшити швидкість утворення метану і скоротити час перебування сировини в реакторі.

Після установки реактора в робоче положення монтується система відбору біогазу. Система повинна виготовлятися із стальних труб з внутрішнім діаметром не менше 15 мм і зварними з’єднаннями. Для запору газової системи в момент запуску реактора обов’язковим є встановлення напівоборотного крана.

Для відведення накопиченої вологи в трубопроводах служить збірник конденсату, який встановлюється в найнижчій точці газовідводу з реактора. Біогаз, який утворюється в реакторі, містить велику кількість водяних парів, які можуть конденсуватися на стінках трубопроводів, що призводить до їх закупорювання.

Отвір для відбору біогазу з реактора повинен бути розташований у його верхній частині. Відразу за збірником конденсату встановлюється запобіжний клапан, виповнений у вигляді ємності з водою, яка забезпечує пропускання газу в одному напрямку.

Всередині ємності вхідний кінець трубопроводу опущений у воду, а вихідний – розташований над водою. Це дозволяє попередити проникнення атмосферного повітря через газову систему в реактор і уникнути зворотного удару полум’я через систему газорозподілення.

Клапан повинен бути встановлений перед розгалуженням системи у напрямку до руху газу для того, щоб весь біогаз, який утворюється, проходив через клапан.

Спосіб накопичення біогазу залежить від того, для яких цілей буде використовуватися біогаз. Якщо передбачено пряме згорання у пальниках котлів двигунів внутрішнього згорання, то великі газгольдери не потрібні. У цьому випадку вони необхідні для вирівнювання нерівномірності газовиділення та покращення тим самим умов горіння.

В умовах невеликих БГУ в якості накопичувачів біогазу можуть бути використані великі автомобільні або тракторні камери. Для накопичування великих об’ємів біогазу використовуються сталеві балони малого і середнього об’єму, розраховані на тиск до 200 кг/см², або інші ємності з достатньою товщиною стінки і міцністю. Газ в такі газгольдери закачується за допомогою компресора.

Трубопроводи для подачі біогазу від установки до споживачів повинні бути захищені від пошкодження. Необхідно використовувати якісні оцинковані або поліетиленові труби і по можливості прокладати їх під землею на глибині не менше 25 см.

Схему найпростішої БГУ подано на рисунку 2.

Рис. 2. Схема найпростішої біогазової установки з ручним завантаженням без перемішування і без підігріву сировини в реакторі

1 – реактор; 2 – бункер завантаження; 3 – люк для доступу в реактор;

4 – водяний затвор; 5 – вивантажувальна труба; 6 – відвід біогазу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Розділ 2. Добування біогазу в домашніх умовах

В індивідуальних та фермерських господарствах завжди знаходяться відходи великої рогатої худоби (ВРХ), свиней, птиці, а також відходи рослинного походження. Зазвичай після розкладання, їх використовують як органічне добриво. Однак мало хто знає, яка кількість біогазу та тепла виділяється при ферментації. Адже ця енергія теж може послужити гарну службу сільським мешканцям.

Для отримання біогазу в домашніх умовах можна використовувати рослинні та господарські відходи, гній, стічні води і т. п. У процесі ферментації рідина в резервуарі має тенденцію до поділу на три фракції. Верхня - кірка, утворена з великих частинок, які захоплюються та піднімаються бульбашками газу. Через деякий вона час може стати досить твердою і буде заважати виділенню біогазу. У середній частині ферментатора накопичується рідина, а нижня, грязеподібна, фракція випадає в осад. [6]

Бактерії найбільш активні в середній зоні. Тому вміст резервуара необхідно періодично перемішувати - хоча б один раз на добу, а бажано - до шести разів. Перемішування може здійснюватися за допомогою механічних пристроїв, гідравлічними засобами або за допомогою різних методів самоперемішування.

Оскільки розкладання органічних відходів відбувається за рахунок діяльності певних типів бактерій, істотний вплив на нього робить навколишнє середовище. Так, кількість газу, що виробляється, значною мірою залежить від температури: чим тепліше, тим вища швидкість і ступінь ферментації органічної сировини. Однак застосування надійної теплоізоляції, а іноді і підігрітої води дозволяє освоїти будівництво генераторів біогазу в районах, де температура взимку опускається до -20°С. Існують певні вимоги і до сировини: вона повинна бути придатною для розвитку бактерій, містити органічну речовину, яка здатна до біологічного розкладу, і воду у великій кількості (90-94%). Бажано, щоб середовище було нейтральним і без речовин, які заважають дії бактерій: наприклад, мила, пральних порошків, антибіотиків. [7]

 

2.1. Розрахунки біоенергетичного потенціалу біогазу

Для того щоб зробити розрахунки по виходу біогазу з певного виду сировини і доцільність використання біогазових установок на Старовижівщині ми провели досліди в лабораторних умовах  за допомогою саморобного міні-реактора (рис.1).

Рис.1 Міні-реактор для отримання біогазу

1. Колба

2. Біомаса, залита водою

3. Пробка

4. Скляна трубка

5. Резинова трубка з затиском

6.  Балон для збору газу

У колбу на 1000 мл завантажували 30г  подрібнених відходів рослинництва, кожен шар злегка пересипали гумусним ґрунтом у кількості 15-20г для розвитку метаноутворюючих організмів. Потім цю суміш заливали теплою водою у співвідношенні 1:1 за об'ємом. Колбу щільно закрили гумовою пробкою, кінець якої в колбі розташовується над водою (для виходу газу). До скляної трубки приєднали гумову  трубку, яка через скляний перехідник з'єднується з м'яким балоном для приймання газу. Герметичність усіх з'єднань і пробки з колбою забезпечували ізоляційною стрічкою. Систему ставили в тепле приміщення біля батареї, щоб  температура середовища була приблизно 30-35°С.

Виділення газу простежували протягом 2-х тижнів по наповненню гумової камери. Об’єм скупченого в гумовій камері газу, що видно по збільшенню балона, визначаємо за формулою:  V=4/3 πr3. Такі самі досліди проводили із  відходами тваринництва. Результати дослідів наведені у таблиці 2.

Таблиця 2

Результати отримання біогазу з відходів сільського господарства

 

№ п/п	Назва відходу	m,  г	mводи, г	τ, доба	t, ° С.	r кулі, м середнє значення	Vкулі, м3
1	Картопляні лушпиння	30	30	14	20-30	0,13	0,009
2	Жом цукрового буряка	30	30	14	20-30	0,12	0,007
3	Гній ВРХ	30	30	14	20-30	0,08	0,002

 

2.2. Установки для отримання біогазу в домашніх умовах

Існують два основні типи реакторів: з періодичним завантаженням сировини та реактори безперервного завантаження.

2.2.1. Біогазова установка з періодичним завантаженням реактора

         

Рис 2. Схема біогазової установки

з періодичним завантаженням реактора

Отримують біогаз за допомогою установок які називаються генераторами біогазу. Такі генератори мають різну будову і конструктивні дедалі.

На рисунку 2а ферментатор знаходиться в ямі діаметром близько 4 м і глибиною 2 м, об’єм якої приблизно 25 м³, викладеній зсередини покрівельним залізом, звареним двічі: спочатку електричним зварюванням, а потім, для надійності, газовим. Для антикорозійного захисту внутрішня поверхня резервуара покрита смолою. Зовні верхньої кромки ферментатора зроблена кільцева канавка з бетону глибиною приблизно 1 м, що виконує функцію гідро затвору. В цій канавці, заповненій водою, ковзає вертикальна частина дзвону, що закриває резервуар. Дзвін заввишки близько 2,5 м - з листової двоміліметрової сталі. У верхній його частині і збирається газ.  Збирання газу на відміну від інших установок відбувається за допомогою труби, що знаходиться всередині ферментатора. Крім того, вода в канавці гідрозатвору проточна, що запобігає замерзанню в зимовий час.

Ферментатор завантажується приблизно 12 м³ свіжого гною, поверх якого виливається коров'яча сеча або тепла води. Генератор починає працювати через 7 днів після наповнення.

На рисунку 2б схоже компонування має ще одна установка для отримання біогазу в домашніх умовах. Її ферментатор зроблений в ямі, що має квадратний поперечний перетин розміром 2х2 і глибиною приблизно      2,5 м. Яма облицьована залізобетонними плитами товщиною 10-12 см, обштукатурена цементом і покрита для герметичності смолою. Канавка гідрозатвору глибиною близько 50 см також бетонна, дзвін зварений з покрівельного заліза і може на чотирьох «вушках» вільно ковзати по чотирьох вертикальних напрямних, встановлених на бетонному резервуарі. Висота дзвону приблизно 3 м, з яких 0,5 м заглиблені в канавку.

При першому наповненні у ферментатор було додано 8 м³ свіжого коров'ячого гною, а зверху залито приблизно 400 л коров'ячої сечі. Через 7 днів установка вже повністю забезпечувала власників газом.

Для зберігання біогазу поряд з ферментатором укладені і приєднані до нього, за допомогою Т-подібного шланга, три великі тракторні колеса, з'єднані і між собою. У нічний час, коли біогаз не використовується і накопичується під дзвоном, виникає небезпека, що дзвін через надлишковий тиск може перекинутися. Гумовий резервуар у такому випадку служить додатковою ємністю. Ферментатора розміром 2х2х1 цілком достатньо для роботи газової плитки і колонки, а при збільшенні корисного об’єму установки до 10 м³ можна отримати кількість біогазу, достатню для обігріву житла. (додаток Г)

 

2.2.2. Біогазова установка з реактором безперервного завантаження

 

 

Рис. 3. Схема біогазової установки з газгольдером, механічною підготовкою, пневматичним завантаженням, перемішуванням і підігрівом сировини в реакторі для селянських господарств

 

1 – приймач гною; 2 – водонагріваючий котел; 3 – бункер завантаження; 4 – реактор; 5 – водяний затвор; 6 – запобіжний клапан; 7 – манометр електроконтактний;

8 – компресор; 9 – мішалка газова; 10 – ресивер; 11 – сховище для біодобрив; 12 – труби для завантаження в транспорт; 13 – газгольдер; 14 – редуктор газовий.

Дана біогазова установка (рис.3.) призначена для середніх і великих селянських господарств. Об’єм реактора від 5 до 100 м³. Установка призначена для  отримання біодобрив та біогазу. Вона може працювати без підігріву і перемішування в психрофільному температурному режимі від 5˚С до 20˚С. Для більш інтенсивного і стабільного процесу зброджування встановлена система підігріву реактора і перемішування зброджувальної речовини, за  допомогою якої установка може працювати в мезофільному і термофільному режимі. Перемішування виробляється стиснутим біогазом. Відбір біогазу виробляється автоматично. Біогаз зберігається в  газгольдері. Також установка оснащена спеціальною ємністю для підготовки сировини, звідки вона подається за допомогою вакуумного насоса в бункер завантаження, а потім за допомогою стиснутого біогазу – в реактор установки. Дана біогазова установка є досить перспективною для використання в індивідуальних селянських господарствах і має гарні технічні та економічні показники  які наведені в додатку Д.

З розглянутих нами біогазових установок бачимо, що установка з періодичним завантаженням реактора є досить простою у конструюванні і має невелику собівартість. В той час як  установка з неперервним завантаженням є складнішою і  дорожчою, але більш економічно вигідною у використанні.

2.3. Енергетичний потенціал сільськогосподарських відходів

Для того, щоб підрахувати біоенергетичний потенціал виходу біогазу, ми вирішили підрахувати енергетичні потенціали біоенергетичних ресурсів.

Для підрахунку біоенергетичного потенціалу відходів сільського господарства розглянемо його окремо для відходів тваринництва і рослинництва.

Опрацювавши відповідну літературу і  спираючись на власні дослідження, ми склали дані про кількість біогазу, що утворюється з одного кілограма сухої органічної речовини, які наведені в таблиці 3.

 

 

 

Таблиця 3

Вихід біогазу з різних видів сировини

Сировина	Вихід біогазу (м3) з одного кілограма сухої речовини	Кількість метану з однієї тонни сировини, м3	Біомаса, яка є в достатній кількості на Старовижівщині
Відходи тваринництва
Гній ВРХ	0,34	221	+
Свинячий гній	0,58	406	+
Пташиний послід	0,62	372
Кінський гній	0,3	180	+
Овечий гній	0,62	434
Відходи господарств
Стічні води, фекалії	0,74	518
Овочеві відходи	0,5	350	+
Картопляне бадилля	0,49	367	+
Гичка буряків	0,5	425	+
Фітомаса рослин
Пшенична солома	0,3	180	+
Солома жита	0,3	177	+
Ячмінна солома	0,3	177	+
Вівсяна солома	0,31	182,9	+
Льон	0,36	212,4
Конопля	0,36	212,4
Конюшина	0,49	289,1
Лучна трава	0,63	441	+
Листя дерев	0,29	168,2	+

Оцінюючи вироблення  кількості енергії що може бути генерована Е_б, МДж біогазовою установкою з різним об’ємом бачимо, що це є функція, яка залежить від багатьох факторів:

E_б = f (Q_CH4 , V_CH4, V_б, OP, k, L_пит), МДж,

– Q_CH4 – питома теплота згорання метану, Q_CH4 =21-35 МДж/м³;

– V_CH4 – процентний вміст метану в біогазі, V_CH4 = 60 %;

– V_б – об’єм біореактора, V_б = 10 … 200 м3;

– ОР – вміст органічної речовини в субстанті, ОР = 85 %;

– k – коефіцієнт збродження органічної маси, k = 0,4;

– Lпит – питомий вихід біогазу з органічної речовини, м³/кг (табл.3).

Необхідність в енергії для кожного індивідуального господарства визначається виходячи з суми майбутніх споживчих ситуацій, таких як приготування їжі, освітлення, виробництво енергії.

Необхідний об'єм біогазу для приготування їжі може бути визначений на підставі часу, який щодня витрачається на приготування їжі. Необхідна кількість біогазу для приготування однієї порції їжі для однієї людини складає 0,15-0,3 м³ біогазу. Для кип'ятіння 1 літра води необхідно 0,03 - 0,05 м³ біогазу. Для опалювання 1 м² житлової площі необхідно близько 0,2 м³ біогазу в добу. Побутові пальники споживають 0,20 - 0,45 м³ за годину.

Таким чином, отриманий за допомогою біогазової установки газ можна використати для генерування електричної та теплової енергії, використовуючи газовий двигун та електрогенератор. Якщо утилізувати теплоту, що утворюється при роботі газового двигуна, то ККД такої установки може бути аж до 90 %, при ККД електрогенератора 35 ÷ 40 %.

Звичайно, якщо порівнювати біогаз кількісні характеристики якого майже подібні до характеристик природного газу, хоча в середньому біогаз дещо поступається природному (Табл. 4).

Таблиця 4

Порівняльна характеристика складу природного та біогазу

Газ	Хімічна формула	Об'ємна частка в біогазі, %	Об'ємна частка в природному газі, %
Метан	CH4	40…70	71…98.9
Вуглекислий газ	CO2	30…60	0…2
Інші гази	-	1…5	0,9…28
Водень	H2	0…1	0…0,5
Сірководень	H2S	0…3	0…0,3

Протягом останніх років було розроблене обладнання для відбору вуглекислого газу СО₂ з біогазу. Після очищення біогаз може містити більше ніж 97 % метану.

Висновки

У Старовижівському районі є великі перспективи використання біогазу, як альтернативного джерела енергії.

В районі є значна кількість окремих видів біомаси, які являються перспективною сировиною для отримання біогазу.

На основі експериментальних досліджень встановлено, що у промисловості можливо отримати з 1 т картопляного лушпиння – 308м3, з 1т жому цукрового буряка - 233м3.

Теплотворна здатність одного кубометра біогазу становить залежно від вмісту метану 20-25 МДж/м3, що еквівалентно згорянню 0,6-0,8 літра бензину, 1,3-1,7 кг дров або використанню 5-7 кВт електроенергії.

Використання на Старовижівщині біогазових установок з безперервним завантаженням реактора, дало б змогу покращити не лише енергетичну ситуацію в районі, а й економічну. Адже використання біогазу з відходів біомаси є економічно вигідним не лише для нашого району регіону, але й для України в цілому.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список використаної літератури.

1. Бурдейний Д. М. Основи біогазової галузі / Збірник тез доповідей моло­дих вчених XIV Міжнародної науково-практичної конференції «Технічний про­грес у сільськогосподарському виробництві»./М. Д. Бурдейний. - Глеваха: ННЦ "ІМЕСГ", 2007. - С. 20-25.
2. Мхитарян М. Энергетика нетрадиционных и возобновляемых источников. Опыт и перспективы./М. Михтарян.- Наукова думка, 1999.-345с.
3. Калетнік Г. М. Енергозабезпечення України та можливості задіяння потенційних джерел відтворювальної енергії /М. Г. Калетнік// Вісник аграрної науки. – 2008. - № 10. – С. 52-55.
4. Гринюк І. Біоенергетика: минуле, сьогодення і майбутнє / І. Гринюк // Агросектор. - 2009. - № 1. - С. 30-34.
5.  Биомаса  как источник энергии / Под ред. С. Соуфера // Пер. с англ.   А. П. Чочиа. – М.: Мир, 1985 р. -368 с.
6. Рахметов Д.Б. Фещенко В.П. Інтродукція рослин та біоекоконверсія землеробства Полісся . Монографія/ Д.Б. Рахметов, В.П. Фещенко  - К: 2006.
7.   Дубровский В.С., Внестур У.Э. Метановое сбраживание сельскохозяйственных отходов./ В.С. Дубровский,  У.Э. Внестур  – Рига, 1988.
8.         Энергосберегающие технологии на животноводческих фермах Ч.3 / Под ред. акад. Городова М.И. – Симферополь, 1992.
9. Енергетична стратегія України на період до 2030 року. Розпорядження Кабінету Міністрів України від 15.03.2006 р. № 145-р
10. http://www.ae-systems.com.ua/ua
11.  http://www.energy-village.in.ua/
12.  http://www.energo.uz.ua
13.  http://navigator.rv.ua

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Додатки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Додаток А

 

 

Біогазові установка сконструйована в стародавньому Китаї

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Додаток Б

 

 

Форми реакторів біогазових установок

а – циліндричний реактор з верхнім завантаженням

б - циліндричний реактор з нижнім завантаженням

в – циліндричний двосекційний реактор

г – похилий реактор

д – траншейний реактор з плавальним покриттям

е – горизонтальний секційний реактор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Додаток В

 

 

 

 

 

Додаток Г

 

 

Отримання біогазу в домашніх умовах

Змішати 1,5 тонни коров’ячого гною и 3,5 тонни перегнилого листя, бадилля й інших відходів.

Добавити в суміш води до 60 - 70 відсотків вологості.

Закласти суміш в яму і за допомогою змієвика розігріти до 35 градусів. Далі суміш почне бродити і без доступу повітря сама розігріється до 70 градусів.

Термін виробництва біогазу із гною  - 2 тижні.

Для того щоб дзвін не злетів з ями, до нього за допомогою тросів необхідно прикріпити противовагу

У день установка виробляє до 40 м³ "блакитного палива". П’ять тонн суміші вистачає на шість місяці.

 

Газпром кузнеца Давыдова  попахивает навозом //Газета комсомольская правда от 18 ноября 2000 года.

http://www.kp.ru/Arxiv/Izbran/2000/Nov/18112000.htm

 

Матеріал взято з сайту http://www.akclub.narod.ru/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Додаток Д

 

ЕКОНОМІЧНІ ПОКАЗНИКИ ФЕРМЕРСЬКИХ БІОГАЗОВИХ УСТАНОВОК З ГАЗГОЛЬДЕРОМ, МЕХАНІЧНОЮ ПІДГОТОВКОЮ, ПНЕВМАТИЧНИМ ЗАВАНТАЖЕННЯМ І ПЕРЕМІШУВАННЯМ СИРОВИНИ, З ПІДІГРІВОМ СИРОВИНИ В РЕАКТОРІ

 

 

		Об’єм реакторів
Показники		5м3	10м3	15 м3	25 м3	100 м3
Біодобрива	тонн у рік	100	250	360	550	2400
	тонн у добу	0,3	0,7	1	1,6	6,6
Біогаз	м3 у рік	5400	12600	18000	28800	118800
	м3 у добу	15	35	50	80	330
Вартість БГУ	Грн.	22000	30000	37000	50000	180000
Вартість біодобрив у рік	Грн.	50000	125000	18000	27500	120000
Вартість біогазу в рік	Грн.	1080	2520	3600	5760	23760
Вигоди в рік	Грн.	51080	127500	18300	28076	122376
Термін окупності	місяці	6-7	4-5	3-4	2-3	1-2

 

 

Орієнтовна вартість біодобрив на ринку України – 500 грн./ т.

Орієнтовна вартість біогазу на ринку України – 0,2 грн/м³.