 |
|
Глава 1. Создание и использование в сельском хозяйстве возобновляемых источников энергии на основе биогазово – биогумусной технологии. Производство удобрений
Биоэнергетика и биогазовые установки
Учебное пособие для студентов специальности 140202
«Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии»
Научный редактор – проф., д.т.н. С.Е.Щеклеин
Екатеринбург
УГТУ-УПИ
Содержание
Введение 7
Глава 1. Создание и использование в сельском хозяйстве возобнов-
ляемых источников энергии на основе биогазаво-биогумусной тех-
ноологии. Производство удобрений 9
1.1. Классификация и производство удобрений 11
1.2. Применение минеральных удобрений 13
1.2.1. Аммиачная селитра 13
1.2.2. Суперфосфат 16
1.2.3. Карбамид 18
1.3. Характеристики некоторых производимых биоудобрений 20
1.3.1. Биоудобрение «Азотовит» 20
1.3.2. Биогумус 21
1.4. Эффективность микробных удобрений на дерново-подзолистых 22
почвах и серых лесных почвах
1.5. Потенциал биоудобрений 23
1.6. Роль биомасс в топливном балансе мира 23
Глава 2. Эволюция биогазовых технологий 25
2.1. Применение биогазовых технологий в развитых странах 27
2.2. Применение биогазовых технологий в развивающихся странах 28
2.3. Применение биогазовых технологий в СССР, СНГ и России 30
Глава 3. Мировой опыт производства биогаза и его эффективность 32
Глава 4. Теореотические основы анаэробного сбраживания 35
4.1. Микробиология анаэробного сбраживания 35
4.2. Теоретические основы метанового брожения 36
4.2.1. Микрофлора 36
4.2.2. Гидролитические бактерии (I Группа) 38
4.2.3. Гетероацетогенные бактерии (II Группа) 39
4.2.4. Метаногенные бактерии (III Группа) 40
4.2.5. Некоторые сведения о метанобразующих бактериях 40
4.3. Параметры и оптимизация процесса сбраживания 44
4.3.1. Поддержка анаэробных условий в реакторе 44
4.3.2. Соблюдение температурного режима 44
4.3.3. Питательные вещества 46
4.3.4. Время сбраживания 46
4.3.5. Кислотно-щелочной баланс 47
4.3.6. Соотношение содержания углерода и серы 48
4.3.7. Выбор влажности сырья 48
4.3.8. Регулярное перемешивание 50
4.3.9. Ингибиторы процесса 50
4.4. Типы сырья для БГУ 51
4.5. Выход газа и содержание метана 52
4.6. Проблема коркообразования 54
4.7. Состав сырья 55
Глава 5. Технология производства биогаза и его характеристики 58
5.1. Опытные биогазовые установки 60-х годов 61
5.2. Экспериментальные БГУ по программам ГКНТ И МСХ СССР 62
5.3. Опытно-промышленные БГУ 64
Глава 6. Классификации биогазовых установок 73
6.1. Классификации установок по методам загрузки сырья 73
6.2. Классификации установок по методам сбора сырья 73
6.3. Горизонтальные и вертикальные установки 77
6.4. Подземные и наземные установки 77
6.5. Классификации установок в зависимости от материала реактора 78
6.6. Использование дополнительных устройств в БГУ 79
Глава 7. Установки и системы для получения и использования биогаза 81
Приложение 1. БГУ – 500 88
Приложение 2. БГУ в Англии 90
Приложение 3. БГУ в Японии 92
Приложение 4. БГУ в КНР 94
Приложение 5. БГУ на гобаре 96
Приложение 6. БГУ совместного сбраживания навоза, помета и 98
жидких стоков со смолой
Приложение 7. БИОЭН – 1 100
Приложение 8. ИБГУ – 1 103
Библиографический список 108
Введение
Традиционное использование навоза сельскохозяйственных животных и помёта птиц в качестве органических удобрений в условиях интенсификации сельскохозяйственного производства требует принятия дополнительных мер по сохранению экологического равновесия в природе. Высокая концентрация животных и птиц приводит к резкому увеличению объёма выхода навоза, помёта, сточных вод и других органосодержащих отходов производства в расчёте на единицу земельной площади.
Ограниченная восприимчивость сельскохозяйственных угодий к повышенным дозам органических удобрений, основу которых составляет навоз сельскохозяйственных животных, часто приводит к загрязнению грунтовых вод и воздушного бассейна, создаёт благоприятную среду для биологической заражённости почвы вредными микроорганизмами. Для устранения этих негативных явлений необходима специальная технологическая обработка данных органических отходов, позволяющая повысить концентрацию питательных веществ в единице объёма навоза или помёта и одновременно устранить неприятные запахи, подавить патогенные микроорганизмы, снизить содержание канцерогенных веществ. Имеющиеся технологии переработки навоза и помёта в органические удобрения и кормовые добавки в той или иной степени позволяют решить поставленные задачи. Однако это требует дополнительных затрат энергии, что в условиях ограниченности природных энергоресурсов и неизбежного роста цен на природное топливо и электроэнергию не всегда экономически целесообразно. Перспективным направлением решения данной проблемы является анаэробная переработка органических отходов сельского хозяйства в биогаз – газовую смесь, содержащую метан, углекислый газ, сероводород и т.д., с одновременным получением более качественных органических удобрений. Благодаря высокому содержанию метана (до 70 %) биогаз может гореть, т.е. использоваться в качестве альтернативного (возобновляемого) источника энергии.
Таким образом, возникновение и обострение экологических проблем, связанных с утилизацией навоза на животноводческих фермах, рост цен на отдельные энергоресурсы, обусловили значительный интерес к использованию технологии анаэробного сбраживания навоза, при которой обеспечивается его обезвреживание, сохранение удобрительных свойств и получение энергии в виде биогаза.
В связи с энергетическим кризисом в начале 70-х годов во многих странах мира было обращено серьезное внимание на возможность получения биогаза из навоза сельскохозяйственных животных для покрытия недостатка жидкого топлива.
По экспертным оценкам специалистов многих стран мира установлено, что потенциал энергии биогаза, полученного из отходов мирового животноводства и растениеводства может на 10% покрыть потребности сельскохозяйственного производства.
Россия располагает значительными потенциальными возможностями производства биогаза из навоза сельскохозяйственных животных. Ежегодно на животноводческих фермах страны образуется 665 млн. тонн навоза, из каждой тонны которого после обработки в биогазовых установках можно получать от 10 до 20 м3 биогаза с теплотворной способностью 5600-6300 кКал/м3.
Однако в нашей стране биогаз производится в ограниченных масштабах из-за отсутствия научно-обоснованных методов построения технологических линий для его получения и рекомендаций по их использованию в системах утилизации навоза животноводческих ферм, что сдерживает вовлечение в энергобаланс страны потенциальной энергии навоза.
Поэтому разработка технологий производства биогаза является актуальной проблемой, решение которой позволит вовлечь в народное хозяйство страны энергетический потенциал навоза при одновременном снижении его отрицательного воздействия на окружающую среду.
Глава 1. Создание и использование в сельском хозяйстве возобновляемых источников энергии на основе биогазово – биогумусной технологии. Производство удобрений
Создание возобновляемых источников энергии и получение экологически чистых биоорганических удобрений с использованием биотехнологий при одновременной очистке воздуха, воды и почвы сельских населенных пунктов, животноводческих и птицеводческих ферм, свинокомплексов от канцерогенных веществ их отходов является актуальной экономической, экологической и социальной проблемой для регионов РФ. Среди множества биотехнологий наиболее приемлемой для сельскохозяйственного производства является анаэробное сбраживание отходов животноводства и птицеводства на биогаз и удобрение.
За 2003-2007 гг. поток информации по биогазово-биогумусной технологии (Б.Б.Т.) в РФ увеличился на порядок, проводились ряд научно-практических, в том числе и международных конференций. Однако достоверной, научно-подтвержденной информации о параметрах технологических процессов и конструктивных разработках в этом пот оке не более 2-3%.
Анализ информации о развитии ББТ и технологического оборудования в Европейских странах, в том числе XI международной выставки «Agritechnica 2005» в Ганновере показывают, что достигнутый уровень индустриализации переработки сельскохозяйственных отходов в Европе такова, что создание биореакторов рабочим объемом менее 200-250 м3, работающих на биосырье только одного вида и продолжительности эксплуатации менее 8000 часов в году с энергетической точки зрения экономически не выгодно.
В Евространах более тридцати фирм разрабатывают и выпускают высокоэффективное оборудование для ББТ: для предварительной подготовки биосырья к брожению; различные типы и конструкции реакторов; загрузочно-разгрузочные средства; автоматизированные средства обогрева и перемешивания биомассы в реакторе; системы контроля параметров технологического процесса; сбора, контроля качественного состава и объемного выхода биогаза; программное обеспечение технологическими процессами от сбора отходов до внесения биоудобрений в почву и т.д.
На основе всего этого лежат государственные законы и нормативные документы о возобновляемых источниках энергии, субсидии, льготы и вознаграждения, стимулирующие фермеров и фирм-производителей технологического оборудования к созданию биогазово-биогумусных установок (ББУ) и трансформации биогаза в электроэнергию.
К 2007 году доля РФ в мировом балансе потребления энергии из возобновляемых источников составлял около 0,1%. Причем сведения о промышленном потреблении биоэнергии и биоудобрений получаемых при переработке отходов сельского хозяйства нет вообще. Для РФ, с огромными малонаселенными территориями, занятыми сельхозпроизводством, биоэнергетика конкурентоспособна с привозным топливом и электроэнергетикой. Для экономически развитых, густонаселенных регионов с крупными животноводческими и птицеводческими комплексами использование возобновляемых источников энергии на базе биотехнологий может оказаться решающим фактором обеспечения экологической чистоты.
В РФ ведущими организациями по разработке и коммерциализации блочных биогумусно-биоэнергетических установок являются ЗАО Центр «ЭкоРос» с партнерами в регионах; «ВИЭСХ»; ЗАО «ВНИИКОМЖ»; ООО «СИПРИС» совместно с Омским агроуниверситетом и т.д. Суммарная численность выпущенных установок объемами реактора 1-5 м3 пока не превышает 0,1% потребного. К началу 2007 года объявленные разными фирмами стоимости биоэнергетических установок объемами реакторов 1…6 м3 ( в модульном исполнении) составлял 350-760 тыс. руб, с дополнительным оборудованием, но без средств сбора, очистки и хранения биогаза от 1,5 млн. рублей, что естественно недоступно для крестьянского подворья и мелких фермерских хозяйств, маломощны для средних и крупных сельхозпредприятий. Энергетическая составляющая ББТ (стоимость биогаза) составляет лишь 7-12%, 88-93% приходится на долю биоудобрения. Поэтому малые биогазово-биогумусные установки (БГУ) более предпочтительны для производства биоудобрений чем для энергообеспечения. Отметим некоторые результаты использования биоудобрений. Биоудобрения могут использоваться круглый год, для любых почв и видов растений, во всех климатических зонах. Повышение урожайности зерновых составляет 15-35%, кукурузы и суданки на силос, овощей, бахчевых и фруктов 2-4 раза. Повышается устойчивость растений к засухе и заморозкам. При использовании биоудобрения разбавленного 1:10 и 1:5 для высаживаемых рассад и пересаживаемых деревьев их приживаемость составляет почти 100%.