9.4.2. Биохимические процессы переработки биомассы.
К этим процессам относят: спиртовую ферментацию и анаэробное сбраживание.
Спиртовая ферментация – процесс получения жидкого топлива в виде этилового спирта (С2Н5ОН), представляющего собой летучее жидкое вещество, имеющее крепость 96%. После очистки спирта посредством специальных "молекулярных сит" получается спирт, имеющий крепость 99,6% - этанол. Из тонны ржи получается 375л спирта, из 1 т проса – 510 литров. Средний современный биозавод по производству этанола может произвести до 150 мил. литров топлива в год. Одно из направлений использования этанола – топливо для автомобилей. Сейчас в мире различными компаниями разработаны 36 моделей автомобилей имеющих совмещенную систему заправки (FFV), в которые можно заливать как этанол, так и бензин или их смесь. По дорогам США уже сейчас ездят более 6000000 автомобилей использующих в качестве топлива смесь Е85 (85% этанола и 15% бензина).
В Европе используется популярная смесь Е10 (10% этанола и 90% бензина). Для работы на такой смеси не требуется вводить в конструкцию двигателя никаких изменений.
В Бразилии на этаноловой смеси работают не только 40% автомобилей, но и летают самолеты местной авиакомпании.
Добавка 10% этанола способствует лучшему сгоранию топлива, увеличивая его октановое число на 3 единицы, уменьшает выброс в атмосферу парниковых газов на 20% и изменяет процентный состав отработавших газов, т. е. увеличивая в отработавших газах содержание СО2 с одновременным уменьшением количества СО.
Стоимость спиртового топлива уже сейчас опустилась ниже 0,5 долл. за литр (при себестоимости 0,15 – 0,20 долл.). Современное мировое производство этанола составляет: 4 млн. м3 – пищевой этанол, 8 млн. м3 – этанол для химической промышленности и 20 млн. м3 – топливный этанол.
Республиканской программой энергосбережения на 2006 - 2010 годы предусмотрено создание инфраструктуры по производству в Республике Беларусь этанола для использования его в качестве топлива.
Анаэробное сбраживание – процесс получения газообразного топлива из биомассы с помощью микроорганизмов. В замкнутых емкостях без доступа кислорода развиваются анаэробные бактерии, которые преобразуют углерод и его соединения в биогаз. За счет их деятельности углерод делится на полностью окисленный диоксид углерода СО2 и полностью восстановленный метан СН4. Получаемая смесь газов называется биогазом.
Биогаз представляет собой смесь 55 – 75% метана и 25 – 45% двуокиси углерода. КПД процесса анаэробного сбраживания составляет 90%. Его теплота сгорания составляет от 21 до 27 МДж/м3. Из 1 тонны свежих отходов крупного рогатого скота (при влажности 85%) можно получить от 45 до 60 м3 биогаза. По своей энергетической ценности 1 м3 биогаза эквивалентен: 0,8 м3 природного газа, 0,7 кг мазута или 1,4 кВт∙ч электроэнергии.
На рисунке 9.10 представлена принципиальная схема процесса производства биогаза в биогазогенераторной установке.
Биогазогенератор работает следующим образом: субстракт (навоз) накапливается в приемном бункере 1 и по мере накопления необходимой массы подается в биогазогенератор 2, где он нагревается до температуры 40 – 50оС и происходит процесс анаэробного сбраживания. Метановое брожение происходит в реакторе в течение 5 ─ 15 суток. Образовавшийся биогаз собирается в водяном газгольдере 5. Для поддержания оптимального температурного режима в биогазогенераторе используется котел-подогреватель 4, работающий на производимом биогазе. Отходы, образовавшиеся в биогазогенераторе, в дальнейшем могут быть использованы в качестве удобрения.
Рисунок 9.10. Принципиальная схема получения биогаза:
1 – приемник органических отходов; 2 – биогазогенератор; 3 – приемник продуктов переработки; 4 – котел-подогреватель биомассы; 5 – газгольдер;
СБ – субстракт; БГ – Биогаз; ВД – горячая вода.
Получение биогаза возможно в установках самых разных масштабов. Оно особенно эффективно на агропромышленных комплексах, где целесообразно добиваться реализации полного экологического цикла. В таких комплексах навоз подвергают анаэробному сбраживанию с последующей аэробной обработкой в открытых бассейнах. Биогаз используют для освещения, приведения в действие механизмов, транспорта, электрогенераторов, для обогрева. В бассейнах можно выращивать водоросли, идущие на корм скоту. После аэробной ферментации полностью обработанные отходы до того как быть использованными в качестве удобрений, могут подаваться в рыбные садки и пруды для разведения водоплаваюшей птицы. Успех реализации подобных схем прямо зависит от качества системной проработки всего проекта, степени стандартизации конструкций, регулярности обслуживания [31].
Получение биогаза из органических отходов имеет следующие особенности:
1) осуществляется санитарная обработка сточных вод (особенно животноводческих и коммунально-бытовых), в которых содержание органических веществ снижается в 10 раз;
2) анаэробная переработка отходов животноводства, растениеводства приводит к минерализации и связыванию основных компонентов удобрений (азота и фосфора) и их сохранению (в отличие от традиционных способов приготовления органических удобрений методами компостирования, при которых теряется до 30-40% азота);
3) биогаз с высокой эффективностью может быть использован для получения тепловой и электрической энергии, а также в двигателях внутреннего сгорания;
4) биогазовые установки могут быть размещены в любом регионе страны и не требуют строительства дорогостоящих газопроводов.
Биогазовые технологии позволяют наиболее рационально и эффективно конвертировать химическую энергию органических отходов в энергию газообразного топлива и высокоэффективные органические удобрения, применение которых, в свою очередь, позволит существенно снизить производство минеральных удобрений, на получение которых расходуется до 30% электроэнергии, потребляемой сельским хозяйством.
В последние годы биогазовые технологии были детально оценены в Дании, которая стала первой страной, успешно продемонстрировавшей коммерческие биогазовые заводы по переработке отходов животноводства и других сельскохозяйственных отходов для получения тепловой и электрической энергии. Вклад биогаза в энергетический баланс страны составляет 12%.
Для широкого распространения биогазовой технологии особое значение имеют следующие факторы:
— стоимость установки;
— удельная производительность;
— полнота переработки сброженной массы и биогаза в наиболее ценные продукты по сравнению с исходным сырьем;
— эффективность в решении задач, связанных с охраной окружающей среды;
— высокая эксплуатационная надежность и простота обслуживания.
В Республике Беларусь еще в 1992 году в Брестской области введена в строй первая в РБ биогазовая установка «Кобос». Она, перерабатывая 50 м3 навоза в сутки, производит 500 м3 биогаза. На ее основе создана более крупная биогазовая установка — ежесуточной мощностью до 200 м3 биогаза. В скором времени в РБ будут смонтированы новые биогазовые установки. В частности, в селекционно-гибридном центре "Западный" на Брестчине, на Гомельской птицефабрике и под Минском, на племптицезаводе "Белорусский".
Всего в республике можно получать примерно 2 миллиарда кубометров биогаза.
При комплексной биохимической переработке эти отходы способны обеспечивать те же животноводческие и птицеводческие комплексы, как высококачественными удобрениями, кормодобавками, так и электроэнергией, не говоря уже об экологических преимуществах такой технологии. Уже достигнута договоренность с несколькими немецкими фирмами на поставку аналогичных комплексов в РБ. Одна из моделей такой установки позволяет изготавливать не только 460 тыс. м3 биогаза в год (из 6500т жидкой биомассы), но и получать 910 МВт∙ч тепловой энергии. В зависимости от объема переработки исходного сырья можно получать за год до 630 тыс. м3 биогаза, и свыше 1 миллиона кВт∙ч электроэнергии.