Для проведения процесса анаэробной ферментации различных отходов требуется соблюдение определённых технологических параметров. Активность метанообразующих бактерий сильно зависит от температурных условий сбраживания. Чаще всего действующие биогазовые установки работают в мезофильном (температура сбраживания 30-35 °С) или термофильном (температура 50-55 °С) режиме. Для подогрева свежего субстрата и компенсации теплопотерь через ограждающие конструкции необходима энергия, которую целесообразно получать, используя биогаз и низкопотенциальное тепло сброженного субстрата. Выход товарного биогаза существенно возрастает с увеличением содержания абсолютно сухого вещества в исходном субстрате и длительности сбраживания. Однако на многих крупных комплексах по откорму свиней и крупного рогатого скота для удаления навоза применяется гидросмыв, что увеличивает влажность исходного навоза до 96-98 % и значительно снижается потенциальный выход газа. Однако даже в условиях самой высокой влажности исходного субстрата и коротком цикле сбраживания биоустановка становится энергообеспеченной в климатических условиях средней полосы РФ уже при продолжительности сбраживания 4-5 сут.
Рассмотрим один из возможных вариантов утилизации биогаза на примере биогазовой установки, предназначенной для переработки жидких стоков крупного откормочного свинокомплекса производительностью 23 тыс. голов в год. Выход навоза составляет 500 м3/сут. при влажности 97-98 %. Принципиальная схема установки с указанием основных расчётных параметров теплоносителя системы теплоснабжения представлена на рис. 6.3.
Рис. 6.3. Принципиальная схема утилизации биогаза: 1 – биореактор; 2 – подогреватель свежего субстрата; 3 – компрессор; 4 – емкость со сжиженным газом; 5 – контактный теплообменник; 6 – влагоотделитель; 7 – фильтры-поглотители сероводорода; 8 – теплообменники системы регенерации поглотителя; 9 – насос системы регенерации; 10 – газгольдер среднего давления; 11 – регулятор давления «до себя»; 12 – регулятор давления «после себя»
Брожение протекает в мезофильном режиме при температуре 35 °С в двух металлических цилиндрической биореакторах 1 объёмом 1360 м3, работающих с периодической загрузкой свежего навоза в 2 раза в сутки. Объёмы реакторов рассчитаны на пятисуточное сбраживание стоков. Выход биогаза в таком режиме составит 2500 м3/сут., что эквивалентно тепловому потоку 673 кВт. Обогрев биореактора производится путём размещения по периметру наружных стенок теплообменников в виде спирали с 5 витками труб Æ57×3. Для лучшего обогрева биореактора можно использовать «тепличный эффект». Для этого над куполом устанавливают деревянный или легкий металлический каркас и покрывают полиэтиленовой пленкой. Теплоизоляция – пенополиуретан толщиной 100 мм.
В качестве теплоносителя используется горячая вода, для нагрева которой предусмотрен контактный теплообменник 5. Температура воды на входе в спиральный теплообменник принята 60 °С, т.к. метаногенные микроорганизмы очень чувствительны к резкому повышению температур и вблизи труб теплообменника при более высоких температурах их деятельность прекращается. Кроме того, при повышенных температурах происходит налипание твердых частиц субстрата на теплообменную поверхность, что ухудшает теплообмен. Свежий субстрат нагревается до температуры процесса в специальном подогревателе типа «ёмкость в ёмкости», куда подается два раза в сутки. Во внутренний цилиндрический резервуар подогревателя Æ5000 высотой 7,6 м поступает субстрат, кольцевой зазор между наружным и внутренним цилиндрами заполняется свежим субстратом. Наружный резервуар Æ7000 имеет высоту 8 м. Для обогрева свежего субстрата в холодный период года (при температуре наиболее холодных суток) требуется тепловой поток 608 кВт. Данная конструкция подогревателя позволяет около 15 % требуемого количества тепла получать от сброженного субстрата.
Передача основного количества тепла свежему субстрату на подогрев до температуры 35 °С осуществляется через теплообменник, выполненный из труб Æ109×4, в виде змеевика из 17 витков или регистре из 35 вертикальных труб. Перемешивание содержимого подогревателя не требуется вследствие подвижности субстрата и достаточно продолжительного срока выдержки (12 часов), обеспечивающего теплопередачу за счет естественной конвекции.
Подогретый до температуры режима субстрат подается в биореакторы 1 для сбраживания. Выделяемый в процессе брожения биогаз накапливается в верхней части реактора под давлением до 4 кПа. Объём реакторов рассчитан так, чтобы при максимальном заполнении часть объема (до 15 %) использовалась как совмещённый газгольдер. С целью предотвращения обратного перетекания газа предусматриваются регуляторы давления «до себя».
Далее биогаз проходит через узел обработки, в котором происходит осушка во влагоотделителе 6, очистка от сероводорода и повышение давления в компрессорной установке 3 до 50 кПа с последующим накоплением биогаза в газгольдере 10 среднего давления. Необходимость очистки вызвана довольно высоким содержанием сероводорода (до 30 %). Для очистки предусматривается каталитический способ, основанный на реакции с активированным углем, протекающей в двух фильтрах-поглотителях сероводорода 7. Реакционная способность катализатора восстанавливается методом тепловой регенерации, для этого в контур регенерации включены теплообменники 8, циркуляция осуществляется с помощью насоса 9. Образующаяся элементарная сера утилизируется.
От узла обработки часть подготовленного к использованию биогаза через регулятор давления 12 поступает в газогорелочное устройство водоподогревателя 5. Испарительная установка сжиженного газа 4 включена в газовый контур для обогащения биогаза и обеспечения работы установки при временном его отсутствии.
Для нагрева воды служит контактный теплообменник 5, имеющий КПД 100 % по низшей теплоте сгорания. Применение других способов нагрева воды, без использования продуктов сгорания, привело бы к тому, что не менее 20 % теплоты сгорания биогаза терялось бы с отходящими газами. Сжигание биогаза производится в выносной горизонтальной топке. Продукты сгорания поступают во внутренний объём водяной камеры, а затем на омывание теплообменной насадки (кольца Рашига).
В состав водонагревательного блока входит 5 таких теплообменников Æ300 с высотой насадки 0,6 м, что обеспечивает нагрев 2,5 м3/ч воды от 22 до 61 °С.
Нагретая до 60 °С вода поступает в трубчатые теплообменники подогревателя субстрата и биореакторов. Охлажденная вода вновь поступает в теплообменник. Постепенно происходит насыщение воды углекислотой, т.к. при контактном нагреве происходит поглощение СО2 из продуктов сгорания. Поэтому в водяном контуре следует предусмотреть возможность периодического раскисления (химического или за счет частичной замены воды в контуре).
В наиболее холодный период года практически весь полученный биогаз используется для энергообеспечения установки. В остальное время появляется избыток газа, который используется для обогрева теплиц с одновременной утилизацией углекислого газа для подкормки растений.
При производстве биогаза образуются субпродукт – органические удобрения. Ежедневный органический потенциал переработки навоза единицы крупного рогатого скота составляет 0,25 кг азота, 0,13 кг оксида фосфора, 0,3 кг оксида калия и 0,25 кг оксида кальция и сравним с 1 кг комплексных удобрений.
