Г. П. КОМИНА, А. В. САУЦ
ПОЛУЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОГАЗА в решении задач энергосбережения и экологической безопасности
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2017
УДК 628.473.2:547.11
Рецензенты: докт. техн. наук, профессор В.Л. Горохов (Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, точной механики и оптики); докт. техн. наук, профессор Т.А. Дацюк (Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет).
К.т.н, директор Балткотломаш(Санкт-Петербург), В.Ю. Безруких
Комина, Г.П.
Получение и использование биогаза в решении задач энергосбережения и экологической безопасности: учеб. пособие / Г. П. Комина, А. В. Сауц; СПб. гос. архит.-строит. ун-т. – СПб., 2017. – 112 с.
ISBN
В настоящем учебном пособии приведена история развития биогазовых технологий, использование биогаза РФ и за рубежом. Рассмотрены условия образования, классификация, физико-химические свойства биогазов различного происхождения, исходное сырьё, конструктивные характеристики биогазового оборудования, технологии очистки биогаза от примесей, методики расчёта характеристик биогазового оборудования, сопровождаемые соответствующими примерами. Уделено внимание экологическим и экономическим аспектам использования биогазовых технологий.
Учебное пособие предназначено для студентов строительных, энергетических, экологических специальностей высших учебных заведений.
Табл.18. Ил. 23. Библиогр.: 32 назв.
Рекомендовано Редакционно-издательским советом СПбГАСУ в качестве учебного пособия.
© Г.П. Комина, А.В. Сауц, 2017
ISBN © Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет, 201
Введение
В период сокращения мировых запасов природного газа и нефти, увеличению рыночных цен на них, альтернативным видам топлива уделяется большое внимание. Поэтому поиск дополнительных источников, дающих возможность экономить традиционные виды топлива, является необходимым и вполне своевременным. Наиболее перспективным газообразным топливом, получаемым в результате анаэробной ферментации органической биомассы, является биогаз, интерес к использованию которого в последние годы возрастает.
Увеличение выбросов парниковых газов, потребления воды, её загрязнение, снижающееся плодородие земель, неэффективная утилизация отходов и растущие проблемы с обезлесиванием являются частями неустойчивой системы использования природных ресурсов. Биогазовые технологии являются одним из важных компонентов в цепи мер по борьбе с вышеуказанными проблемами.
В настоящем учебном пособии приведена история развития биогазовых технологий, использование биогаза РФ и за рубежом. Рассмотрены условия образования, классификация, физико-химические свойства биогазов различного отделения, исходное сырьё, конструктивные характеристики биогазового оборудования, технологии очистки биогаза от примесей, методики расчёта характеристик биогазового оборудования, сопровождаемые соответствующими примерами. Уделено внимание экологическим и экономическим аспектам использования биогазовых технологий.
Учебное пособие предназначено для студентов строительных, энергетических, экологических специальностей высших учебных заведений.
История развития биогазовых технологий
Отдельные случаи использования примитивных биогазовых технологий были зафиксированы в Китае, Индии, Ассирии и Персии, начиная с XVII в. до н.э. Однако систематические научные исследования биогаза начались только в XVIII в. н.э.
Рис. 1.1. Простейшая китайская биогазовая установка
В XVII в. Ян Баптист Ван Гельмонт обнаружил, что разлагающаяся биомасса выделяет воспламеняющиеся газы. Алессандро Вольта в 1776 г. пришёл к выводу о существовании зависимости между количествами разлагающейся биомассы и выделяемого газа.
В 1764 г. Б. Франклин в своем письме Дж. Пристли описал эксперимент, в ходе которого он смог поджечь поверхность мелкого заболоченного озера в Нью Джерси, США.
Первое научное обоснование образования воспламеняющихся газов в болотах и озерных отложениях дал А. Вольта в 1776 г., установив наличие метана в болотном газе. После открытия химической формулы метана Дж. Дальтоном в 1804 г. европейскими учеными были сделаны первые шаги в исследованиях практического применения биогаза.
В 1808 г. сэр Хэмфри Дэви обнаружил метан в биогазе.
В 1859 г. была построена первая задокументированная биогазовая установка в Бомбее, Индия.
Свой вклад в изучение биогаза внесли и российские ученые. Влияние температуры на количество выделяемого газа изучил Попов в 1875 г. Он выяснил, что речные отложения начинают выделять биогаз при температуре около 6 °С. С увеличением температуры до 50°С, количество выделяемого газа значительно увеличивалось, не меняясь по составу: 65 % метана 30 % углекислого газа, 1 % сероводорода и незначительное количество азота, кислорода, водорода и закиси углерода. В.Л. Омельянский детально исследовал природу анаэробного брожения и участвующие в нем бактерии.
В 1881 г. начались опыты европейских ученых по использованию биогаза для обогрева помещений и освещения улиц.
В начале XX в. были продолжены исследования в области повышения количества биогаза путем увеличения температуры брожения. Немецкие ученые Имхофф и Бланк в 1914-1921 гг. запатентовали ряд нововведений, заключавшихся во введении постоянного подогрева емкостей. В период Первой мировой войны в связи с дефицитом топлива началось распространение биогазовых установок в Европе. Хозяйства, где имелись такие установки, находились в более благоприятных условиях, хотя установки были ещё несовершенные и в них использовались далеко не оптимальные режимы.
Первый крупномасштабный завод по производству биогаза был построен в 1911 г. в английском городе Бирмингеме и использовался для обеззараживания осадка сточных вод этого города. Получаемый биогаз использовался для производства электроэнергии. Таким образом, английские ученые являются пионерами практического применения этой технологии. Уже к 1920 г. они разработали несколько типов установок для переработки сточных вод. Первая биогазовая установка для переработки ТБО объемом 10 м3 была разработана Неманом и Дюселье и построена в Алжире в 1938 г.
В 1930 г. с развитием микробиологии, были обнаружены бактерии, участвующие в процессе производства биогаза.
Одним из важнейших научных шагов в истории развития биогазовых технологий являются успешные эксперименты Бусвелла по комбинированию различных видов органических отходов с навозом в качестве сырья в 30-х годах XX в.
В 1939 г. в США была построена и успешно эксплуатировалась более 30 лет первая биогазовая установка по переработке животноводческих отходов.
В годы Второй мировой войны, когда энергоносителей катастрофически не хватало, в Германии и Франции был сделан акцент на получение биогаза из отходов сельскохозяйственного производства, главным образом из навоза животных. Во Франции к середине 40-х годов эксплуатировалось около 2 тыс. биогазовых установок для переработки навоза. В Венгрии существовали установки для производства биогаза. Это отмечали солдаты Советской Армии, освобождавшие Венгрию и удивлявшиеся, что в крестьянских хозяйствах навоз скота не лежал в кучах, а загружался в закрытые емкости, откуда получали горючий газ.
В 1954 г. был построен первый завод по переработке коммунальных отходов с получением биогаза в Форт-Додже штата Айова США. Биогаз подавался в двигатель внутреннего сгорания для выработки электроэнергии при мощности электрогенератора 175 кВт.
В 1948-1954 гг. в СССР была разработана и построена первая лабораторная установка. На протяжении существования СССР в исследованиях участвовали институты системы Академии наук, а прикладные исследования проводились в Академии коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова, Всесоюзном институте электрификации сельского хозяйства, Украинском научно-исследовательский и проектный институт агропромышленного комплекса и др.
Применение технологии метанового сбраживания к сельскохозяйственным отходам в СССР было начато Г. Д. Ананиашвили в 1948 г. В Тбилисском филиале ВИЭСХ, впоследствии ГрузНИИ МЭСХ (ГИМЭ). Там в 1948-1954 гг. была разработана и построена первая в СССР лабораторная и производственная биоэнергетическая установка. Производственный вариант установки был рассчитан на утилизацию навоза от 10 коров. Переработка проводилась при мезофильном режиме (32–34 °С). Установка обеспечивала удельный выход 1 м3 газа с 1 м3 реактора. Однако технология не получила широкого распространения из-за дешевизны энергоресурсов и отсутствия крупных животноводческих хозяйств.
В Индии развитие простых биогазовых установок для сельских усадеб началось в 50-х годах XX в., хотя еще в 1859 г. в Бомбее была построена первая биогазовая установка на базе колонии больных проказой для переработки твердых и жидких отходов. Большое увеличение числа биогазовых установок, обеспеченное правительственной поддержкой, наблюдалось в 70-х годах.
Первые попытки развития биогазовой энергетики КНР сделала еще в 1958 г., когда появилась программа комплексного использования биогаза для утилизации навоза и улучшения санитарных условий в селе.
Рис. 1.2. Мао Цзэдун и первые биогазовые инициативы
Однако первые серьезные шаги правительства КНР, осознавшего выгоды от использования биогаза как механизма модернизации сельского хозяйства, были сделаны в середине 1970-х годов. Именно тогда в сельских районах КНР стали появляться установки переработки канализационных стоков, получившие название «китайский купол» (рис 1.3). Всего было построено более 6 млн. таких установок, некоторые из них можно встретить и сегодня.
Рис. 1.3. Принципиальная схема «Китайского купола»
Новым импульсом для их развития стал энергетический кризис 70-х годов XX в., когда началось внедрение биогазовых установок в странах юго-восточной Азии. Высокая плотность населения и интенсивное использование всех пригодных для возделывания сельскохозяйственных культур площадей земли, достаточно тёплый климат, необходимый для использования биогазовых установок в самом простом варианте, т.е. без искусственного подогрева сырья, легли в основу различных национальных и международных программ по внедрению биогазовых технологий.
В середине 70-х годов в СССР в сельском хозяйстве стали применяться интенсивные технологии, было создано много крупных животноводческих комплексов, которые столкнулись с проблемой утилизации навозных стоков. В этой связи интерес к биогазовым технологиям возрос, и в 1981 г. при Госкомитете по науке и технике СССР была создана специализированная секция по программе развития биогазовой отрасли. Предложения по развитию микробиологической анаэробной технологии вошли в директивные документы СССР, но не получили достаточного финансирования и остались невыполненными. За это время была создана научная основа технологий микробиологической анаэробной переработки биомассы. Было построено несколько опытных установок, одна из которых в совхозе «Огре» Латвийской ССР (1982 г., 75 м3).
Вопросы для самоконтроля
1. Где и когда впервые человечество использовало биогаз?
2. Какие учёные внесли свой вклад в исследования процессов образования биогаза?
3. Как в быту и на промышленном уровне люди получали и использовали биогаз?
