Биогаз

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене

Биогаз е горивен газ, който се получава при организирана ферментация на биологични продукти в анаеробна (без наличие на кислород) среда. Получаваният в природата при естествена ферментация газ се нарича „блатен газ“.

Тази статия се описва газ с биогенен произход, произведен технически чрез анаеробна ферментация в биогаз-инсталации.

Производство[редактиране | редактиране на кода]

В промишлен мащаб производството на биогаз се извършва в т.нар. биогаз-инсталации. Това са съоръжения, състоящи се от хранилище за субстрата, един или два последователно свързани анеробни ферментора, хранилище за биогаз и лагуна за остъците след ферментацията.

Състав и свойства[редактиране | редактиране на кода]

Биогазът се състои основно от метан, въглероден двуокис,  и малки количества вода и сероводород, следи от азот, кислород, водород (таблица 1). Този състав зависи предимно от съотношението на белтъчини, мазнини и въглехидрати в субстрата и по-малко от настройките на технологичния процес. Отклонения в състава на биогаза по време на ферментацията са резултат от и служат за интерпретация на смущения в биохимичните процеси в микробиологичния консорциум в реактора, при непроменен състав на захранващия субстрат.

Таблица 1 Състав на промишлено произведения биогаз
съставка хим. формула мерна ед. концентрация
метан CH4 % обем 50-75
въглероден двуокис CO2 % обем 25-45
вода H2O % обем 2-7
сероводород H2S ppm 20-20000
азот N2 % обем <2
кислород O2 % обем <2
водород H2 % обем <1

Суровини за получаване[редактиране | редактиране на кода]

За производството на биогаз могат да бъдат използвани органични комунални, и селскостопански  отпадъци, органични отпадъци от хранително-вкусовата промишленост, както и целенасочено отгледани енергийни растения (таблица 2). С тези органични материали, т. н. субстрати, се извършва контролираното захранване на биогаз-инсталацията. В практиката добивът на биогаз може да бъде повлиян от технологичния процес и отклоненията от качеството на съхранение и силиране на субстратите, какато и от флуктиациите в техния състав (променливо съотношение C:N:P). Тук посочените данни са осреднени и статистически потвърдени стойности от практиката и лабораторни измервания.

Таблица 2 Биогаз потенциал на някои органични субстрати (Döhler et al., 2013)
субстрат сухо в-во, [%] органично сухо в-во, [% от сухото в-во] добив биогаз, [норм л/кг oрганично сухо в-во] съдържание на метан, [%]
Селскостопански торове
птичиа тор 40 75 500 55
говежда тор 25 85 450 55
говежда тор, течна 10 80 380 55
свинска тор, течна 6 80 420 60
Енергийни растения
смес царевица и кочан

(CCM corn-cob-mix)

65 98 730 52
силаж от фуражно цвекло 16 90 700 52
силаж от зърнени растения 35 95 620 53
зърно, мляно 85 97 730 52
силаж от треви 35 90 600 53
силаж от незряла ръж 25 90 600 53
силаж от детелина 30 90 580 55
силаж от детелина и люцерна 30 90 530 55
царевица на зърно, мляно 87 98 730 52
силаж от озеленителни треви 50 85 200-400 50
силаж от царевица, цяло стъбло 35 95 650 52
силаж от слънчоглед 25 90 520 57
силаж от сорго и просо 28 90 610 52
пшенична слама, 10 мм, след преработка 86 90 400 52
силаж от захарно цвекло 23 90 700 52
Органични промишлени остатъци
комунални органични отпадъци 40 50 615 60
отпадъци от зърнопреработка 88 85 650 60
зърнени отпадъци след алкохолна дестилация 6 94 700 55
глицерин, 99%, 1,3 кг/л 100 99 850 50
картофени отпадъци след алкохолна дест. 6 85 670 54
соеви трици, 15% остатъчно олио 92 87 660 60
хранителни органични отпадъци 16 87 680 60

Определянето на добива на биогаз от даден субстрат може да бъде извършено чрез така наречения Batch-метод, непрекъсната ферментация в лабораторни условия или чрез директно изчисление.

При Batch-метода се извършва анаеробна ферментация на определен субстрат при мезофилна температура (37± 2°С) с инокулум, в съотношение с органичното сухо вещество 0,5. Обемът на сумарно произведения биогаз се определя докато той престане да бъде отделян, обикновено за около 25 дни (VDI 4630, 2006). Получените резултати се различават от тези, постигани в практиката. Предимствата на този метод са в несложното техическо изпълнение и ниска енергоемкост, възможност за стандартизиране и сравнение на резултатите за различни субстрати за кратък период от време (в рамките на 30-50 дни). По този начин се постига ориентировъчно определяне на икономическата приложимост на субстрата чрез определяне на максималния добив на биогаз. Методът не предоставя директна информация за времето на престой  и количеството нужно за захранване на биогаз-инсталации. Тази информация се получава чрез анаеробна ферментация в лабораторни условия, така наречената непрекъсната ферментация.

Непрекъснатата ферментация се извършва в темперирани, добре хомогенизирани ферментори в лабораторен мащаб. Целта е да се симулират възможно най-добре условията в биогаз-инсталацията, за да се проведат оптимизация на техническите параметри, добива на биогаз от даден субстрат или от смеси на субстрати, димензиониране на биогаз-инсталации и, не на последно място, научни изследвания. Предимствата са контролирани параметри в широк диапазон от вариации, относително бързо нискорисково изследване на критични ситуации и тяхното решение, симулации на време на престой на субстрата във ферментора, изследване на биологичните патраметри в системата. Този вид ферментация е техничеки и финанасово трудоемка, трудно се стандартизират и повтарят резултатите в случай на нужда.

Директното изчисление на потенциалния добив на биогаз с помощта на математически формули и анализи на състава на субстратите имат предимството, че са лесни за изпълнение, дават бърз резултат и са много по-евтини, особено при наличие на данни за състава на стандартизирани субстрати, които в повечето случаи липсват, поради разнородните природа, произход и начин на съхранение на субстратите. В тези случаи е необходимо създаването на математически модел и негвото валидиране. Въпреки всичко математическите изчисления намират приложение в ориентировъчния избор на комбинации от субстрати и планирането на анеребни ферментации в лабораторен мащаб. Така например, с уравнението на Buswell може да бъде изчислено съдържанието на метан и въглероден двуокис в биогаза.

СnHaObNd + (n-a/4-b/2+3d/4)*H2O = (n/2-a/8+b/4+3d/8)*CO2 + (n/2+a/8-b/4-3d/8)*CH4 + dNH3, [mol] (Buswell and Hatfield, 1936).

Понеже точният състав на субстрата почти никога не е известен, се прави анализ на Weender. С получените резултати и със стойностите на специфичния добив на биогаз от отделните групи вещества се изчислява потенциала на дадения субстрат (Döhler et al., 2013).

Таблица 3 Потенциал за добив на биогаз от чисти биополомери
вещество биогаз [л/кг сухо в-во] метан [%]
усвоими белтъчини 600-700 70-75
усвоими мазнини 1000-1250 68-73
усвоими въглехидрати 700-800 50-55

Обемът на добития биогаз зависи от температурата, налягането, водното му съдържание. Поради тази причина и за да се направи възможно сравнение на добива при различни условия и производители, обемът се преизчислява при нормални условия чрез уравнението на Ван дер Ваалс. Освен това е задължително да се посочи, спрямо кой параметър е зададен добивът - ХПК (химична потребност от кислород, СОD), прясно, сухо или органично вещество.

Видове технологична анаеробна ферментация[редактиране | редактиране на кода]

Според вида, състава и водното съдържание на субстрата се прилагат различни видове анаеробни ферментори. Ключовите параметри на ферменторите са обобщени в таблица 4.

Таблица 4 Ключови параметри на ферменторите (Döhler et al., 2013)
показател описание интервал
брой на степените едностепенен
двустепенен
многостепенен
съдържание на сухо вещество на субстрата мокра ферментация < 15%
суха ферментация > 15%
начин на захранване непрекъснато
прекъснато
температура на процеса психрофилен < 20ºС
мезофилен 30 - 37ºС
термофилен 55 -60ºС

Ферментационният процес може да бъде разделен на две или повече степени, в зависимост от това дали, поради особености в съдържанието на субстрата, не се налага разделяне на биохимичните процеси в различни, последователно свързани ферментори. Този прийом се прилага, за да бъдат избегнати или смегчени проблеми, като образуване на пяна, оптимално разграждане на инхибиторни за метаногенните микроорганизми съставки или ускоряване на хидролизата на полимери. Едностепенните биогаз-инсталации са най-често срещани.

Съдържанието на сухо вещество в захранващия субстрат определя и консистенцията на ферменторната маса. Това играе важна роля за правилния подбор на вида на реактора и системата за захранване и хомогенизиране. Така например, при ферментацията на течни субстрати може да се образува плавщ слой, който, ако не бъде хомогенизиран навреме, води до смущеня в отделянето на произведения биогаз и впоследствие до образуването на пяна. Друг проблем, който може да възникне при липса на оптимално хомогенизиране, е образуването "джобове" в реактора, където субстратът преминава директно в преливника, без да бъде разграден. Това води до понижаване на добивите на биогаз и до увеличаване не емисиите на метан от лагунта вследствие на повишената постферментация на остатъчния материал.

Най-често захранването е непрекъснато или по-точно, се извършва на кратки интервали, като в същото време чрез преливника се отделя натрупаната ферментирала маса. Според скоростта на разграждемост на субстрата и неговото количество се изчислява и работния обем на ферментора, с цел да се осигури достатъчно време на престой на субстрата до почти пълното му преобразуване в биогаз (80-90%). Често преди захранването субстратът се смесва с остатъчен материал от ферментора. При прекъснатото захранване (batch-модус) твърдите отпадъци се натрупват във ферментора (контейнер) и се оставят да престоят там, без да бъдат хомогенизирани, т.е. прилага се ферментация чрез перколация. При този вид субстрати степента на разграждане е далеч по-ниска и остатъците се подлагат на компостиране, преди да бъдат използвани за наторяване.

Предлаганите на пазара биогаз-инсталации са с мезофилен или термофилен температурен режим. Предимството на мезофилната ферментация е в устойчивата на промени микробиологична среда. Това позволява бързото възстановяване на оптимален режим на работа на биогази-нсталацията след технически проблеми. При термофилните ферментации биологичната активност на микроорганизмите е по-висока и могат да се постигнат по-бързи и високи добиви на биогаз, но за сметка на това микроорганизмите са много по-чувствителни на промени в температурата, която по възможност трябва да не варира повече от ±2ºС. Психрофилната анаеробна ферментация протича бавно, не е подходяща за много от субстратите и няма икономическо значение.

В практиката се срещат много разработки на биогазинсталации от смесен характер, комбиниращи гореспоменатите параметри. Няколко примера за твърда ферментация са посочени в таблица 5.

Таблица 5 Примери за твърда ферментация (Döhler et al., 2013)
технологичен метод захранване вид производител степен на разработка
хоризонтален непрекъснат Kompogas http://www.hz-inova.com на пазара
силажен непрекъснат Dranco http://www.ows.be на пазара
непрекъснат ATF http://www.kriegfischer.de пилотен мащаб
непрекъснат Valorga http://www.valorgainternational.fr на пазара
непрекъснат Järna, Schweden http://www.mtt.fi/met/pdf/met77.pdf пилотен мащаб
перколация непрекъснат BioPercolat http://www.wehrle-umwelt.com на пазара
прекъснат Bekon http://www.bekon.eu/ на пазара
прекъснат Bioferm http://www.biofermenergy.com на пазара
прекъснат Loock-TNS Loock Consultants Helektor GmbH на пазара
прекъснат 3-A http://www.3a-biogas.com/ на пазара
натрупване прекъснат Aufstau-Boxen http://www.biogas-ratzka.de на пазара
прекъснат Folienschlauch www.ag-bag.com на пазара

 Биохимични процеси[редактиране | редактиране на кода]

Биохимичните процеси, протичат в четири основни етапа: хидролиза на полимерите до прости захари, аминокиселини и мастни киселини; преобразуването им в киселини; по-нататъшното им метаболизиране до оцетна киселина и в последния етап - обрзуване на метан (фигура 1).

Фигура 1 Биохимични процеси при образуването на биогаз (Braun, 1982)

Приложения[редактиране | редактиране на кода]

В зависимост от произведеното количество и техническите възможности, биогазът има потенциал за широк диапазон употреба при производството на енергия (фигура 2).

Фигура 2 Приложения на биогаз (Rutz, 2012)

Съхранение и приложение на остатъците от ферментацията[редактиране | редактиране на кода]

Съхранението на остатъците след ферментацията  е важен момент при правилното стопнисване на биогаз-инсталациите. То се извършва във водонепромокаеми басейни, които могат да бъдат изградени под или над земята. Размерите им трябва да се изчислят с капацитет на съхранение от най-малко 6 месеца, за зимния сезон. Освен това трябва да бъдат предвидени 20 свободни сантиметра от ръба на стената, а при открити хранилищни басейни и допълнителни 30 свободни сантиметра за дъждовна вода. Ферментационните остатъци от биогаз-инсталцията се характеризират с по-високо съдържание на амоний. Поради по-високия pH се стимулира орделянето му под формата на амониак в атмосферата. Като цяло откритите хранилищни басейни могат да доведат до проблеми с емисиите на гаъое, като например остатъчен метан. При правилно и напълно протекла ферментация не би трябвало да се отделят неприятни миризми. Бетонните части на басейна трябва да се обработят за киселинна защита или да се използва емаелирана или неръждаема стомана. След подходяща преработка, остатъците от ферментацията се използват за торене (фигура 3).

Фигура 3 Приложение на ферментационните остатъци (Fuchs and Drosg, 2010)

 Литературни препратки[редактиране | редактиране на кода]

Gerardi, M.H., 2003. The Microbiology of Anaerobic Digesters, Wastewater Microbiology Series. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey. ISBN 0-471-20693-8

Speece, R.E., 1996. Anaerobic Biotechnology for Industrial Wastewaters. Archae Press, ISBN  978-0-9650226-0-6

Ferry, J.G., 1993. Methanogenesis: Ecology, Physiology, Biochemistry & Genetics. Springer, ISBN 978-0-412-03531-9

FNR, 2006. Biogasgewinnung- und nutzung, Handreichung. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V., Gülzow. http://www.big-east.eu/downloads/FNR_HR_Biogas.pdf

 Източници[редактиране | редактиране на кода]

Braun, R., 1982. Biogas - Methangärung organischer Abfallstoffe : Grundlagen u. Anwendungsbeispiele. Springer, Wien; New York, ISBN 3-211-81705-0

Buswell, A.M., Hatfield, W.D., 1936. Anaerobic fermentations. Bull. 32 Division of State Water Survey, 194.

Döhler, H., Eckel, H., Fröba, N., Grebe, S., Hartmann, S., Häussermann, U., Klages, S., Sauer, N., Nakazi, S., Nienbum, A., Roth, U., Wirth, B., Wulf, S., 2013. Faustzahlen Biogas, 3rd ed. KTBL Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e. V., Darmstadt, Germany. ISBN 978-3-941583-85-3

Fuchs, W., Drosg, B., 2010. Technologiebewertung von Gärrestbehandlungs- und Verwertungskonzepten. ISBN 978-3-900962-86-9

Rutz, D., 2012. Nachhaltige Wärmenutzung von Biogasanlagen - Ein Handbuch. WIP Renewable Energies, München. ISBN 978-3-936338-30-0, http://www.e-sieben.at/downloads/BiogasHeat_Handbook.pdf

VDI 4630, 2006. Fermentation of organic materials Characterisation of the substrate, sampling, collection of material data, fermentation tests, in: The Association of German Engineers. VDI-Gesellschaft Energie und Umwelt, Düsseldorf, p. 92., http://www.vdi.eu/guidelines/vdi_4630-vergaerung_organischer_stoffe_substratcharakterisierung_probenahme_stoffdatenerhebung_gaerversuche/