Розрахунок об’єму біогазу при зброджуванні органічних відходів тваринництва і птахівництва

 

Переробка відходів тваринництва та птахівництва в органічні добрива і біогаз у метантенках (біогазових установках) без доступу повітря (анаеробна переробка) набула широкого поширення у країнах Європи і Америки на початку 70-х років XX століття зв'язку з економічною кризою і зростанням цін на нафту і нафтопродукти. У країнах Південно-східної Азії цей спосіб також відомий давно і знайшов широке розповсюдження. Так, в одному тільки Китаї налічувалося близько 5 млн. біогазових установок, в основному «домашнього» типу, тобто з невеликим об’ємом реактора. У цих установках обробляються не тільки тваринницькі відходи, але і відходи рослинництва і овочівництва. У них відсутній система підігріву і перемішування.

Процес метанового зброджування протікає в герметичних ємкостях при температурі від 30 до 57°С (30-37 °С – мезофільний режим, 50-57°С – термофильный режим). Оптимальна вологість органічного матеріалу повинна бути 90-92%. Періодично повинне проводитися перемішування матеріалу, відкачування отриманого біогазу, порційне вивантаження збродженого і завантаження вихідного матеріалу. Ця технологія дозволяє протягом невеликого проміжку часу (7-20 днів, залежно від температури процесу) отримати біогаз і високоякісне органічне добриво. За час перебування в метантенку гній і послід знезаражується від патогенної мікрофлори і гельмінтів, насіння бур'янів втрачає схожість. При цьому втрати основних живильних елементів фосфору і калію незначні. Частина білкового азоту переходить у доступнішу для рослин амонійну форму. Частина органічної речовини переходить у газову фазу, частково мінералізується, зменшується неприємний запах.

На процес анаеробного зброджування великий вплив окрім температури мають: якісний склад сировини, що поступає, зокрема вміст сухої речовини, доза завантаження, інтенсивність перемішування та інші чинники.

Отриманий біогаз на 60-80 % складається з метану, 20-25 % - вуглекислого газу, а також незначної кількості сірководню аміаку, оксидів азоту. Теплотворна здатність біогазу залежить від відсоткового вмісту діоксиду вуглецю. Один кубічний метр біогазу може забезпечити роботу двигуна потужністю 2 літри протягом 1 години або утворення 1,25 кВт´год електроенергії.

Процес анаеробної ферментації проходить у спеціальному обладнанні – біогазогенераторі (біореакторі). Виготовляють біогазогенератори зі сталі, бетону, пластмаси. Форма та орієнтація (вертикальні, горизонтальні) залежить від місця розташування, умов експлуатації.

На основі показників тваринницького виробництва населеного пункту (району, області) можна розрахувати річний об’єм біогазу, який утвориться з органічних відходів.

Продуктивність біогазової установки дорівнює:

 

, м³/добу (м³/рік) (4.1)

 

де:

а – вміст органічних речовин у певному виді екскрементів, у ч.од. (додаток 2);

υ – вихід біогазу на 1 кг органічної речовини (ОР) (додаток 3);

К – коефіцієнт бродіння (0,4-0,3);

В_ек – кількість екскрементів, кг/добу (кг/рік).

 

(4.2)

 

де:

n₁, n₂ – кількість тварин різного виду;

b₁, b₂ - питомий вихід екскрементів на одну тварину різного віку (додаток 1).

При розрахунках необхідно враховувати, що» 25 % отриманого біогазу буде витрачатися на компенсацію тепловтрат і на підігрів метантенка.

Кількість енергії, яку можна отримати при спалюванні біогазу:

 

, кДж/рік (4.3)

 

де:

h - ККД пальника (приймаємо 0,6);

Q^р_н – калорійність біогазу (для метану за нормальних умов 28*10³ кДж/м³ = 56 кДж/кг);

К – частка метану у біогазі (К=0,78).

 

Приклад розрахунку. У Вінницькій області станом на 01.01.2008 р. поголів'я худоби і птиці становить:

· велика рогата худоба (ВРХ) - 8,8 тис.голів;

у т. ч. молочне стадо (корови) - 4,1 тис.голів;

· свині - 27,2 тис.голів;

· птахи 740,8 тис.голів.

Використовуючи викладений вище підхід, визначимо кількість органічних відходів, які продукуються в області за 1 рік.

Приймаємо параметри біореактора: тривалість бродіння τ = 10 діб, температура ферментації t = 25 °С.

Ферми великої рогатої худоби (ВРХ). На території області поширені тільки молочні ферми. Поголів'я тварин на кожній фермі складає близько 400 голів.

Розраховуємо кількість екскрементів, що утворюється на території області за одну добу:

n₁ = 8800 голів

n₂ = 4100 голів

b₁ = 55 кг/добу (додаток 1)

b₂ = 26 кг/добу (додаток 1)

 

= 8800 ´ 55 + 4100 ´ 26 = 484000 + 106600 = 590600 кг/добу

 

Розрахуємо максимальну кількість біогазу, що може утворитися з екскрементів на фермах ВРХ:

Приймаємо:

а = 0,77-0,85 % (додаток 2) приймаємо a = 0,8 ч.од.

υ = 0,0544 м³/кг (додаток 3)

К = 0,4

 

= 590600 ´ 0,8 ´ 0,0544 ´ 0,4 = 10281,2 м³/добу = 3752625,2 м³/рік.

 

А враховуючи витрати на підігрів метантенка (» 25 %) чистий річний вихід біогазу становитиме:

 

V_б = 3752625,2 – 938156,3 = 2814468,9 м³/рік

 

Кількість енергії, яку можна отримати при спалюванні біогазу на фермах ВРХ дорівнює:

 

Q = 0,6 × 28000 × 2814468,9 × 0,78 = 36880800 ×10³ кДж/рік

 

Аналогічно проводимо розрахунки для свинокомплексів та птахоферм.