Конкурс молодежных творческих работ по применению возобновляемых источников энергии в городской среде

Биогазовые технологии на службе городу

ВУЗ:
Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева
Номинация:
Название проекта:
Биогазовые технологии на службе городу
1
  • Egor Lebedev
    Ирина! Вы правильно отмечаете, что биомасса является наименее популярным альтернативным источником энергии, хотя определенным потенциалом она, безусловно, обладает. я бы вам посоветовал более четко расставить акценты на преимуществах и новизне вашего проекта, и, возможно, уменьшить объем - в описании много чисел, фактов, и т.п., за которым теряется суть вашей идеи. Постарайтесь сделать проект более наглядным и понятным.
  • Ирина Козлова
    Буду рада получить комментарии, выслушать мнения участников и жюри
Название проекта

Конкурс молодежных творческих работ по применению

возобновляемых источников энергии в городской среде

«Энергия Знания»

 

 

 

 

Направление «Персональные решения»

 

 

 

Проект:

«Биогазовые технологии на службе городу»

 

 

 

 

Работа выполнена в

ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический

университет имени Т.Ф. Горбачева»,

г. Кемерово

 

 

 

Авторы:

ст. гр. ХТб-121

Козлова И.В.

 

ст. гр. ХТб-131

Квашевая Е.А.

 

 

 

Научный руководитель:

К.т.н., доцент

Ушаков А.Г.

 

 

 

 

 

 

2015 г.

 

 

Введение

 

Проблема переработки органических веществ является одной из актуальных, поскольку продолжается накопление промышленных, бытовых и сельскохозяйственных загрязнений.

 Органические отходы многих предприятий (ОАО «Кемвод», Кемеровская птицефабрика) и сельского хозяйства (стоки ферм, фекальные массы). При разложении органических отходов образуются вредные вещества, влияющие отрицательно на здоровье человека; поэтому утилизация отходов - одна из кардинальных проблем экологии.

Проблемы никогда не исчезнут полностью, но благодаря хорошему планированию и менеджменту вред, наносимый окружающей среде, может быть значительно уменьшен.

Цель проекта – получение альтернативной энергии путем переработки органических веществ в газообразное топливо, включающее стадии получения биогаза и термохимической переработки сброженного остатка.

Выполнение глобальной цели в процессе выполнения работы достигалось рассмотрением локальных задач:

  • изучить физико-химические свойства исследуемого сырья, наработать опытные образцы биогаза и газообразного топлива;
  • разработать установку пиролиза сброженного остатка и испытать ее в лабораторных условиях.

 

 

 

1 Биогазовые технологии на службе городу

 

1.1«Из отходов в доходы»

 

Отходы промышленного животноводства и особенно птицеводства сильно загрязняют окружающую среду. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), навоз и сточные воды  предприятий могут быть фактором передачи более 100 возбудителей инфекционных и инвазионных болезней, в том числе зоонозов. К тому же, сами органические отходы служат благоприятной средой для развития и длительной выживаемости патогенной микрофлоры, могут содержать пестициды, медикаментозные препараты, семена сорных растений и другие загрязнения.

Птицефабрика на 400 тыс. несушек получает в год такое количество помета, что при разложении его выделяется около 700 т биогаза, в том числе 450 т метана (65%), 208 т углекислого газа (30%), 35 т водорода, индола, скатола, сероводорода, аммиака и других соединений (5%). Ущерб экосистеме от такого выброса велик, поэтому как никогда актуален вопрос об утилизации таких отходов.

 

1.2 Отходы, как источник энергии

 

Основаниями для разработки настоящего проекта является необходимость решения острой и актуальной проблемы образования больших количеств органических отходов городских станций очистки воды (избыточный активный ил и животноводческих предприятий (навоз, помет, биомасса). На данный момент существует метод анаэробного сбраживания (метановое сбраживание), который позволяет решить не только экологические проблемы, которые имеются в животноводческих хозяйствах, но и увеличить рентабельность предприятия за счет получения высококачественных органических удобрений и биогаза, пригодного для получения тепла и электроэнергии..

Метановое брожение протекает при средних (мезофильное) и высоких (термофильное) температурах. Наибольшая производительность достигается при термофильном метановом брожении. Особенность метанового консорциума позволяет сделать процесс брожения непрерывным. Для нормального протекания процесса анаэробного сбраживания необходимы оптимальные условия в реакторе: температура, анаэробные условия, достаточная концентрация питательных веществ, допустимый диапазон значений рН, отсутствие или низкая концентрация токсичных веществ.

После переработки органических веществ, получаемая после сбраживания биомасса создает большие сложности:

- трудности транспортировки сырья к местам потребления;

- большие затраты на реализацию товара.

Рассмотренный выше метод анаэробного сбраживания, не дает полной переработки органических веществ, так как на выходе получаем всего 10% биогаза, все остальное это сброженный остаток. Если использование всей этой биомассы в качестве удобрения не представляется возможным, то применение метода анаэробного сбраживания не рационально.

Сброженный остаток – это отличное сырье для технологий зеленой энергетики, из него возможно получение альтернативной энергии взамен традиционному углю и природному газу.

Мы предлагаем решение проблемы утилизации органических отходов путем создания линии для максимально полной переработки органических веществ в газообразное топливо. Тем самым, мы улучшаем экологическую обстановку и на 99% перерабатываем органические отходы в газообразное топливо, кроме этого огромное количество площадей занимаемое органическими отходами будут освобождены.

В данном проекте продуктом является энергоэффективная комплексная биогазовая линия, состоящая из последовательно соединённых метантенка, сушильного шкафа и пиролезной печи червячного типа.

Данная линия включает в себя весь технологический процесс от загрузки исходного сырья до получения газообразного топлива и возможных вариантов его использования (рис. 1)

 

 

 

Рисунок 1. Схема энергоэффективной линии

 

Разработанная конструкция пиролизной печи червячного типа имеет несколько температурных зон. Ее можно смонтировать на уже работающих биогазовый установках для решения проблемы утилизации и использования больших количеств сброженного остатка.

 

1.3 Основные технические параметры линии

 

Линия начинает работать по истечении 6-10 дней после заполнения биореактора сырьем. В дальнейшем комплекс работает с ежедневной загрузкой нового и выгрузкой отработанного сырья, без остановки процесса. Очистка внутренних поверхностей составляющих комплекса проводится не менее чем два раза в год.

Комплекс не предполагает оборудование объемных метантенков. В качестве реактора используется полипропиленовая емкость 8-10 м³ (для мелких и средних фермерских хозяйств).

Размещение реактора непосредственно в здании повышает надежность процесса жизнедеятельности бактерий за счет возможности поддержания стабильности температурных режимов.

Существенным отличительным признаком данного проекта будет введение в линию переработки отходов пиролизной печи червячного типа, а также его конструкция и технологические параметры процесса пиролиза (время, температура, скорость вращения вала газификатора).

Полученные характеристики биогаза и пирогаза:

  • Из тонны навоза получается 50-65 м³ биогаза с содержанием метана 60% об.
  • Из 1 кг сухого вещества – о т 300 до 500 литров биогаза.
  • Калорийность биогаза – около 6000 ккал (25000 МДж)/м³

Физические свойства биогаза позволяют судить о возможностях его практического использования и необходимых для этого приемах. Теплота сгорания  определяется в основном содержанием СН4, поскольку незначительные количества Н2 и H2S на этот показатель практически не влияют. Соответственно температура воспламенения и предел воспламеняемости тоже зависят от содержания СН4. При выяснении возможности сжижения газовой смеси необходимо учитывать критические значения давления и температуры отдельных ее компонентов. Эти значения показывают, что сжижение биогаза практически нецелесообразно. При использовании биогаза следует учитывать разность в плотности отдельных его компонентов. В проходных невентилируемых помещениях это может привести к опасному для жизни людей накоплению СО2 и H2S в нижних слоях воздуха. Кроме того, скопление СН4 связано с опасностью взрыва.

Вопреки ожиданиям, биогаз не является легковоспламеняемым или взрывным. Биогаз сам по себе, как и другие горючие газы, не загорается, лишь в тех случаях, когда есть смесь из газа и воздуха в пределах воспламенения, иными словами, когда есть соответствующее соотношение из газа и воздуха.

 

1.4 Области применения

 

Предполагаемый целевой рынок продукции –  крупные предприятия (животноводческие), городские станции очистки воды, так и частные хозяйства, различного рода организации, деятельность которых каким-либо образом связана с содержанием скота или птицы и не обязательно, что это является основной целью предприятия.

Одна из главных проблем таких организаций – необходимость переработки и утилизации органических отходов. Существуют различные технологии для решения данной проблемы:

- получение компоста, используемого в качестве удобрения;

- получение кормов путем его брикетирования или экструзии;

- прямое сжигание органических отходов для получения тепла;

- вермикультивирование;

Однако данные технологии имеют существенные недостатки:

- выделение в окружающую среду парниковых и имеющих характерный неприятный запах газов. Данный недостаток является наиболее существенным, так как наносит значительный ущерб экологии;

- отведение больших площадей под склад (при компостировании);

- потенциальная опасность попадания навозных стоков в поверхностные и подземные воды при размывании отходов водой при выпадении осадков;

- уменьшение массы навоза в процессе жизнедеятельности червей (вермикультивирование);

- затраты на постоянный контроль и поддержание необходимой среды для эффективной жизнедеятельности червей (вермикультивирование).

Заявляемая технология лишена отмеченных недостатков. Ее преимущества заключаются в следующем:

- отсутствие необходимости в переработке образующегося после сбраживания твердого остатка;

- улучшение условий труда и быта обслуживающего персонала и жителей близлежащих населенных пунктов (изолирование органосодержащих отходов от сообщения с окружающей средой);

- отсутствие отходов производства.

Известно, что аналоги предлагаемой технологии существуют, и что в ряде стран широко освещены перспективы применения биогазовых технологий и их преимущества. Но вопрос энергоэффективного использования образующего остатка после процесса сбраживания подробно не рассматривается. Главных акцент сделан на получении удобрений.

Из прямых конкурентов, реализующих только биогазовые технологии с получением удобрений, известны:

1. Комплекс БУГ-1, который производят по адресу г. Вологда, ул. Хорхоринская, д.4. Предлагается широкий спектр услуг по переработке отходов животноводства, в продаже имеется жидкие удобрения "КОУД".

2. Биогазовые установки ZORG, которые реализует немецкая фирма, имеющая свое представительство на Украине (г. Киев).

3. АБЭУ-7 производства ЗАО «Сигнал», ЗАО «Экорос» г. Москва.

 

 

2 Термохимическая переработка сброженной биомассы методом пиролиза

 

В общем технологическая схема получения биогаза, пирогаза и нефтесорбента представлена на рис. 2.

 

Рисунок 2. Технологическая схема термохимической переработки сброженной биомассы методом пиролиза: 1, 3 – шнековый смеситель; 2 – реактор-метантенк; 4 – барабанный гранулятор; 5 – барабанная сушилка; 6 – реактор-пиролизатор; 7 – холодильник; 8 – трехходовой клапан; 9 – насос высокого давления; 10 – баллон высокого давления; 11 – газовый электрогенератор; 12  – установка для получения углекислоты из дымовых газов

 

Пиролиз – это термическое разложение органических и многих неорганических соединений. В узком смысле, разложение органических природных соединений при недостатке кислорода (древесины, нефтепродуктов и прочего). В более широком смысле – разложение любых соединений на составляющие менее тяжёлые молекулы, или элементы под действием повышения температуры.

Для сброженной биомассы проводят предварительную обработку, включающую измельчение биомассы до получения частиц размером 1-6 мм и высушивание сырья до влажности 10-20 вес.%. В дальнейшем биомассу, как органическое связующее, добавляют к древесным опилкам. Затем смесь для формирования помещают в барабанный гранулятор, для получения формованных гранул по технологии гранулирования методом окатывания. Суть метода заключается в получении шарообразных гранул определенного гранулометрического состава при вращении на наклонной (тарельчатый или барабанный гранулятор) или на неподвижной поверхности (роторный гранулятор). После влажные формованные гранулы отправляют для сушки в барабанную сушилку. После этого осуществляют пиролиз биомассы с помощью технологии быстрого пиролиза, при температуре слоя пиролиза 500°C.

Пиролиз проводился на экспериментальной установке, представленной на рис. 3.

 

Рисунок 3. Схема экспериментальной пиролизной установки: 1- трубчатая печь; 2-реактор-пиролизер; 3-система охлаждения и газоочистке; 4-блок управления; 6- датчик температуры; 7- баллон с активирующим агентом.

 

Основные узлы экспериментальной пиролизной установки: трубчатая электропечь, реактор-пиролизер, система охлаждения и очистки парогазовой смеси, баллон с инертным агентом (СО2) для охлаждения полученного карбонизата.

Реактор-пиролизер представлял собой стальную емкость цилиндрической формы (диаметр внутренний – 27 мм, длинна – 820 мм) полезным объемом 4,7·10- 4 м 3 , снабженную штуцерами с двух концов: для ввода инертного газа и отвода парогазовой смеси. К одному штуцеру реактора-пиролизера через блок управления подсоединен баллон с инертным агентом (СО2). Второй штуцер соединяет реактор-пиролизер с системой охлаждения и очистки парогазовой смеси. Система охлаждения (рисунок 3) и очистки парогазовой смеси состоит из водяного конденсатора для охлаждения парогазовой смеси, приемника для сбора сконденсированных продуктов (пиролизных вод), тканого фильтра для очистки пирогаза от несконденсированных веществ, газового штуцера для отвода пирогаза.

В общем случае пиролиз формованных гранул может быть выражен следующим уравнением материального баланса:

 

 

 

Пирогаз – состоит из метана, пропана, водорода, оксида углерода и т.д. Теплотворная способность газа составляет до 20 МДж/м3. Пирогаз в полном объеме используется для реализации технологии пиролиза, ректификации синтетического топлива и выработки электроэнергии. В случае необходимости пирогаз может быть подвергнут очистке. Следует отметить, что состав газа во многом зависит от вида древесины, в результате обработки которой было получено вторичное сырье.

В топливном балансе, газообразное топливо занимает существенное место. С каждым годом его по­требление возрастает в крупномасштабных городах. Газообразное топливо имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с другими ви­дами топлива: оно широко распространено, дешево, име­ются его большие запасы, легко осуществляется дозиров­ка, регулировка с воздухом, возобновляемость из органических отходов. Многие газы обладают вы­сокой тепловой ценностью. При сгорании они развивают высокую температуру, полностью сгорают с небольшим коэффициентом избытка воздуха, не содержат коррозионно-агрессивных веществ. Газообразное топливо очень удобно в использовании: в помещениях сохраняется чис­тота, так как при его сгорании не выделяются копоть и смолы, не остается золы, а продукты сгорания почти не содержат веществ, вредных для окружающей живой при­роды. При загазованности в крупных горах этот вариант является оптимальным благодаря своим характеристикам. Хранение газообразного топлива централизованно, что удобно для потребления в городах: не нужны индивидуальные складские помещения, специальные хранилища. Использование газовых магистралей особенно важно для тех районов, где нет запасов твердого и жидкого топлива.

Смола пиролиза включает в себя нерастворенную смолу и растворенную в воде смолу. Количество растворимой смолы с повышением температуры процесса уменьшается. В состав нерастворенной смолы входят фенолы (до 25 % мас.), олефинопарафиновая (29 % мас.) и ароматическая фракции. Смолу перегоняют для получения различных масел и пека , используют для получения термобрикетов, бездымного топлива, растворителей полимеров и эластомеров, бензина и топочного масла, электродных связующих, фенолов, парафинов и т. п. Пиролизная смола, полученная на стадии первичного фракционирования используется для получения технического углерода.

В подсмольной воде содержится уксусная кислота, метанол, ацетон и другие кетоны, фурфурол, производные фурана и т. д., поэтому при дальнейшей переработке воды можно получить соответствующие чистые химические продукты.

 Карбонизат обладает высокой химической чистотой и отличается от каменных углей и кокса чрезвычайно низким содержанием серы, фосфора и других зольных элементов. Карбонизат используют для получения сорбентов, применяемых в пищевой, фармацевтической, резиновой и в др. отраслях промышленности, а также как сорбент для очистки вод и воздушных сред.

 

 

Заключение

 

В современном мире энергетика является основой развития базовых отраслей промышленности, определяющих прогресс общественного производства. Во всех промышленно развитых странах темпы развития энергетики опережали темпы развития других отраслей.

Энергия – важнейший товар в международной экономике и один из источников неблагоприятного воздействия на окружающую среду и человека. Она влияет на атмосферу (потребление кислорода, выбросы газов, влаги и твердых частиц), гидросферу (потребление воды, создание искусственных водохранилищ, сбросы загрязненных и нагретых вод, жидких отходов) и на литосферу (потребление ископаемых топлив, изменение ландшафта, выбросы токсичных веществ).

Производство и использование основных источников тепловой энергии практически всегда сопровождаются неблагоприятными последствиями, влияющими на экосферу и на здоровье людей. Ожидаемый дальнейший рост производства и использования энергии приведет к еще большему усилению экологических проблем.

Несмотря на отмеченные факторы отрицательного воздействия энергетики на окружающую среду, рост потребления энергии не вызывал особой тревоги у широкой общественности. Производство и потребление энергии в мире, за редкими исключениями, неуклонно росли, в особенности в последние десятилетия. Загрязнение воздуха сжиганием нефти, угля и газа, неблагоприятно влияет на экосистемы и здоровье людей. Кислотные осадки, возникающие как следствие функционирования тепловых электростанций, наносят ущерб экосистемам – озерам, рекам, лесам, а также и урожаю, строениям, памятникам материальной культуры. Современная энергетика является важнейшим фактором накопления в атмосфере парниковых газов и, следовательно, наиболее важной причиной антропогенного изменения климата.

Помимо парникового эффекта, ответственность за который, частично лежит на энергетике, на климат планеты оказывает влияние ряд естественных причин, к числу важнейших из которых относятся солнечная активность, вулканическая деятельность, параметры орбиты Земли, автоколебания в системе атмосфера-океан. Корректное решение проблемы возможно лишь с учетом всех факторов, при этом, разумеется, необходимо внести ясность в вопрос, как будет вести себя мировое энергопотребление в ближайшем будущем, действительно ли человечеству следует установить жесткие самоограничения в потреблении энергии с тем, чтобы избежать катастрофы глобального потепления.

Таким образом, предлагаемые нами источники энергии являются экологически чистыми продуктами и выгодными экономически. А тщательно продуманная и составленная линия производства – это еще один шаг к безотходному производству и «чистому завтра»!