6. Биогаз, основные характеристики и технология получения

Процесс превращения биомассы в энергию был открыт в 1776 году ученым-физиком Вольта, который установил наличие метана в болотном газе.

Биогаз получают из органического сырья в ходе биометаногенеза в результате разложения сложных органических субстратов различной природы при участии микробной ассоциации. Он представляет собой смесь из 6570% метана и 2030% углекислоты, а также незначительных количеств сероводорода, азота, водорода. Теплотворная способность биогаза зависит от соотношения метана и углекислоты и составляет 57 Ккал/м³; 1 м³ биогаза эквивалентен 4 кВт·ч электроэнергии; 0,6 л керосина, 1,5 кг угля и 3,5 кг дров.

Неочищенный газ используется в быту для обогрева жилищ и приготовления пищи, а также применяется в качестве топлива в стационарных установках, вырабатывающих электроэнергию. Компримированный газ можно транспортировать и использовать в качестве горючего для двигателей внутреннего сгорания. Очищенный газ аналогичен природному газу. При получении биогаза решаются проблемы не только воспроизводства энергии, но и экологические. Это обусловлено утилизацией и переработкой отходов различных производств и технологий, включая сельскохозяйственные и промышленные.

В сложных процессах деструкции органических субстратов и образования метана участвует микробная ассоциация различных микроорганизмов. Они вызывают гидролиз сложной органической массы с образованием органических кислот (масляной, пропионовой, молочной), а также низшего сорта спиртов, аммиака, водорода; ацетогены, превращающие эти кислоты в уксусную кислоту, водород, окислы углерода и, наконец, собственно метаногены – микроорганизмы, восстанавливающие водородом кислоты, спирты и окислы углерода в метан. Это происходит по схеме:

СОН СН₄

Р и с. 3.1.

Субстратами для реализации восстановительных реакций являются водород и углекислота, а также окись углерода и вода, муравьиная кислота, метанол и др.

4Н₂ + СО₂ СН₄ + 2Н₂О

4СО + 2Н₂О СН₄ + 3СО₂

4НСООН СН₄ + 3СО₂ + 2Н₂О

4СН₃ОН 3СН₄ + СО₂ +2Н₂О

7. Типы и структура биореакторов для получения биогаза

Установки для биометаногенеза с учетом их объемов и производительности подразделяют на следующие типы: реакторы для небольших ферм сельской местности (1-20 м³); реакторы для переработки промышленных стоков (спиртовой, сахарной промышленности) (500-10000 м³) и реакторы для переработки твердого мусора больших свалок (1-20·10⁶ м³). Конструкции и детали этих установок несколько варьируют, что связано с типом перерабатываемого сырья.

Иногда классификацию реакторов производят по наличию в субстрате твердых веществ.

Различают реакторы для биогазификации:

а) жидких концентрированных субстратов (содержание твердых веществ до 28%);

б) разбавленных субстратов (менее 2% твердых веществ);

в) субстратов с содержанием 60-70% твердых веществ (твердофазное производство биогаза).

Биореакторы для концентрированных жидких субстратов используются для переработки сточных вод промышленности и сельскохозяйственного производства. Они обеспечивают 35-40%-ную конверсию субстрата в СН₄, что соответствует суточному выходу биогаза 0,31,3 м³/м³ объема субстрата (рис. 3.2).

Обычно это неперемешиваемые чаны или бетонированные бродильные ямы. Процесс интенсифицируется при перемешивании содержимого биореактора (механическая мешалка, продувка газа) и при разделении его внутреннего объема на секции неполными перегородками.

Д ва типа реакторов для биогазификации концентрированных субстратов представлены на рис. 3.2 (а – с механическим перемешиванием, б – двухсекционный с частичным разделение стадий).

а) б)

Р и с. 3.2

Более эффективная конверсия субстрата реализуется в аппаратах с иммобилизованными микроорганизмами. Чаще всего иммобилизация осуществляется по принципу адсорбции на заполняющем аппарат пористом материале, например, полиуретане, керамике, полихлорвиниле, пленках, натянутых вдоль всего объема реактора, или частицах песка, окиси аммония. Аппараты с фиксированными на пористом материале микроорганизмами получили название анаэробных фильтров.

Твердофазная биогазификация получила распространение на мусорных свалках больших городов типа Нью-Йорка. В этих установках мусор прикрывают пленкой. Выделяющийся в анаэробных условиях биогаз собирают с помощью помещенных в мусор перфорированных труб. Дальнейшее развитие технологии биогазификации связано с повышением эффективности метаногенеза при использовании генноинженерных разработок.

Таким образом, сформулированы основные положения биоэнергетики. Рассмотрены технологии получения энергии с помощью фотосинтеза, получения спирта из биомассы, биотопливные элементы. Подробно освещены технологии получения биогаза, типы и структуры биореакторов.

26