Энергетика. Газообразное топливо

Биогаз

В.Баадер, Е.Доне, М.Бренндерфер

Биогаз: теория и практика

Перевод с немецкого и предисловие инженера М. И. Серебряного

Рекомендована к изданию Всесоюзным научно-исследовательским институтом электрификации сельского хозяйства

МОСКВА  «КОЛОС»  1982

Рациональное использование отходов сельскохозяйственного производства —большая и важная проблема   современности. Она связана,  с  одной  стороны,  с  возможностью   использования   огромного энергетического потенциала биомассы для получения  жидкого и  газообразного топлива (биогаза), с другой — с необходимостью предотвратить   загрязнение водоемов, заражение почвы болезнетворными  бактериями и гельминтами, содержащимися в навозных стоках  животноводческих ферм. Оба эти аспекта стали объектом исследований и экспериментов как в зарубежных  странах,  так  и в Советском Союзе; с каждым годом   растет число действующих биогазовых установок, в особенности в странах с теплым и жарким климатом. В книге обобщен опыт исследований и эксплуатации биогазовых установок за  последние  20 лет в ФРГ и  других  странах. Авторы   охватывают   важнейшие   проблемы,   связанные   с   теорией метанового   брожения,  технологическими  приемами  получения   биогаза  и его использования. Определенный  интерес представляет методика   оценки   экономичности   биогазовых   установок   в   условиях сельскохозяйственных   предприятий   с  учетом   комплексного  использования   биогаза   для   энергетических   целей   и   удобрений   в   полеводстве.

Последняя треть XX века характеризуется невиданными темпами роста производительных сил в большинстве стран мира, что привело к резкому увеличению потребления всех видов энергии, в особенности заключенной в ископаемом топливе — угле, нефти и природном газе. В результате этого в ряде стран стала ощущаться нехватка традиционных видов топлива, главным образом такого универсального и удобного, как нефть. Энергетический кризис, захвативший многие капиталистические государства, вызвал огромный рост цены на нефть, превышающей в настоящее время 200 долл. за тонну. Создавшаяся ситуация усилила стремление поставить на службу человеку так называемые нетрадиционные источники энергии — солнечную, ветровую, геотермальную.

Хотя солнечная энергия представляет собой практически неисчерпаемый источник и могла бы удовлетворить энергетические потребности всего населения земли на многие века, ее непосредственное применение связано с большими трудностями. Другой путь — сегодня более перспективный — использовать солнечную энергию, запасенную в биомассе в результате фотосинтезной деятельности растений, для получения жидкого и газообразного топлива. Этому пути уделяется сейчас большое внимание как в промышленно развитых, так и в развивающихся странах. Доля биомассы в энергопотреблении разных стран колеблется в широких пределах. Если в США, например, она еще совсем невелика (~2,5%), то в некоторых развивающихся странах биомасса служит основным источником энергии для  отопления  жилищ  и  приготовления пищи.

Наиболее распространенный способ получения энергии из биомассы — анаэробное (без доступа кислорода) сбраживание отходов сельскохозяйственного производства. Получающиеся в результате этого процесса продукты— биогаз и перебродившая полужидкая масса — представляют собой большую ценность как газообразное топливо и органическое удобрение.»

Не менее важная сторона применения биогазовых установок — предотвращение загрязнения воздушного и водного бассейнов, почвы и посевов благодаря утилизации и дезодорации навозных стоков крупных животноводческих ферм и комплексов, получению обеззараженных высокоэффективных органических удобрений.

Все это объясняет большой интерес, проявляемый советской наукой к проблемам метанового сбраживания навозных стоков и других органических отходов. В СССР научно-исследовательские и экспериментальные работы по этой теме велись в таких научных учреждениях, как ГрузНИИМЭСХ, Институт физики АН Молдавской ССР, в Запорожском филиале ВИЭСХа и др. Так, на острове Хортица учеными и специалистами Запорожского филиала ВИЭСХа еще в 1959 г. была сооружена биогазовая установка, рассчитанная на переработку навоза от 150 коров и 20 свиноматок с поросятами. Помимо самой установки, в которую входили бродильные камеры, газгольдер и хранилище для перебродившей массы (шлама), были построены насосная станция для перекачки шлама на поля и электростанция, работающая на биогазе. Десятилетняя эксплуатация установки, включавшая в себя эксперименты по подбору наилучшего состава биомассы и оптимальных режимов брожения, необходимых для получения биогаза, по обеззараживанию навоза, изучению удобрительных свойств получаемого шлама, дала положительные результаты и послужила основой для разработки ряда проектов биогазовых установок для ферм и комплексов с различным поголовьем скота.

Необходимость в развитии нетрадиционных источников энергии, создании новых энергосберегающих технологий, подчеркнутая в решениях XXVI съезда КПСС, проблема обеззараживания и утилизации огромных масс навозных стоков животноводческих ферм и комплексов, имеющая важнейшее природоохранное значение, требуют усиления внимания к современным способам переработки органических отходов. С этой точки зрения предлагаемая читателю книга западногерманских ученых, обобщающая опыт исследований и эксплуатации биогазовых установок в ФРГ и других западных странах за два последних десятилетия, может принести немалую пользу советским специалистам, работающим в данной области. Кроме основ теории метанового брожения, технологических приемов получения биогаза и его использования в сельском хозяйстве, книга содержит экономический анализ производства биогаза и эксплуатации биогазовых установок. Хотя данные этого анализа относятся к условиям частных предприятий и, естественно, не могут непосредственно быть использованы в нашей практике, методика расчетов и некоторые относительные показатели представляют определенный интерес, так как рентабельность эксплуатации биогазовых установок — многосторонняя проблема, имеющая определяющее значение при решении вопроса о сооружении таких установок в условиях конкретных регионов нашей страны.

В списке литературы по тематике книги приводится 150 названий работ авторов из ФРГ и других западных стран за период, оканчивающийся 1977 г. Читателям, интересующимся этой проблемой, рекомендуем обратиться к следующим статьям советских ученых и специалистов, опубликованным в журнале «Механизация и электрификация сельского хозяйства»: П. Н. Листов, Л. Г. Прищеп и П. А. Кучер «Эффективное использование навоза в сельском хозяйстве» — № 1 за 1976 г., с. 21; А. Н. Хитров «Сельскохозяйственная биомасса как источник энергии» —№ 4 за 1980 г., с. 57; И. Г. Васильева «Энергетический потенциал отходов сельскохозяйственного производства» —№ 7 за 1981 г., с. 57. Кроме того, в последнем из перечисленных номеров журнала приводится аннотированный список зарубежной литературы по биогазу и биогазовым установкам, опубликованной в 1979... 1980 гг.

М. И. Серебряный

ПРЕДИСЛОВИЕ К НЕМЕЦКОМУ ИЗДАНИЮ

ВВЕДЕНИЕ

Часть I. ТЕХНОЛОГИЯ МЕТАНОВОГО БРОЖЕНИЯ

Процессы биохимических превращений

Метаболическая активность и репродуктивная способность микроорганизмов

Состав исходного материала

Размеры твердых частиц

Максимальный выход газа

Особенности технологии

Загрузка рабочего пространства

Технологическое время брожения (время пребывания массы в реакторе)  

Интенсивность перемешивания

Состав газа

Свойства газа

Перебродивший субстрат (шлам)

Загрязнение окружающей среды

Технологические схемы биогазовых установок

Биореактор

Нагревательные устройства

Устройства для перемешивания субстрата

Подогрев сбраживаемой массы

Компенсация тепловых потерь

Механическая энергия

Насосы

Покрытие потребности в энергии

Вторичное использование теплоты

Прочие источники энергии

Часть II. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОГАЗА. Аккумулирование газа

Подземное газохранилище кавернозного типа

Газгольдеры

Правовые вопросы

Подготовка биогаза к использованию

Использование биогаза

Используемые аппаратура и машины

Использование биогаза

Потребности сельскохозяйственных предприятий в энергии, которые могут быть покрыты с помощью биогаза

Крестьянские хозяйства ФРГ

Растениеводство

Животноводство

Модельные хозяйства

Использование биошлама

Экономичность биогазовой установки

Итоги и перспективы